Общая микробиология

образование антител.

Нарушение синтеза лизоцима ведет к снижению резистентности организма, возникновению воспалительных и инфекционных заболеваний; в таких случаях используют для лечения препарат лизоцима, получаемый из яичного белка или путем биосинтеза, так как он продуцируется некоторыми бактериями (например, Bacillus subtilis), растениям семейства крестоцветных (редис, репа, хрен, капуста и т. д.). Химическая структура лизоцима известна,

ион синтезирован химическим способом.

9.2.3.5.Интерферон

Интерферон относится к важным защитным белкам иммунной системы. Открыт в 1957 г. А. Айзексом и Ж. Линдеманом при изучении интерференции вирусов (лат. inter — между и ferens — несущий), т. е. явления, когда животные или культуры клеток, инфицированные одним вирусом, становились нечувствительными к заражению другим вирусом. Оказалось, что интерференция обусловлена образующимся при этом белком, обладающим защитным противовирусным свойством. Этот белок назвали интерфероном. В настоящее время интерферон достаточно хорошо изучен, известны его структура и свойства, и он широко используется в медицине как лечебное и профилактическое средство.

Интерферон представляет собой семейство белков-гликопротеидов с молекулярной массой от 15 до 70 кДа, которые синтезируются клетками иммунной системы и соединительной ткани. В зависимости от того, какими клетками синтезируется интерферон, выделяют три типа: α, β и γ-интерфероны.

Альфа-интерферон вырабатывается лейкоцитами и он получил название лейкоцитарного; бетаинтерферон наpsвают фибробластным, поскольку он синтезируется фибробластами — клетками соединительной ткани. а гамма-интерферон — иммунным, так как он вырабатывается активированными Т-лимфоцитами, макрофагами, естественными килле-

рами, т.е. иммунными клетками.

Интерферон синтезируется в организме постоянно, и его концентрация в крови держится на уровне примерно 2 МЕ/мл (1 международная единица — ME

— это количество интерферона, защищающее культуру клеток от 1 ЦПД50 вируса). Выработка интерферона резко возрастает при инфицировании вирусами, а также при воздействии индукторов интерферона, например РНК, ДНК, сложных полимеров. Такие индукторы интерферона получили название

интерфероногенов.

Помимо противовирусного действия интерферон обладает противоопухолевой защитой, так как задерживает пролиферацию (размножение) опухолевых клеток, а также иммуномодулирующей активностью, стимулируя фагоцитоз, естественные киллеры, регулируя антителооб-разование В-клетками, активируя экспрессию главного комплекса гистосовместимости.

Механизм действия интерферона сложен. Интерферон непосредственно на вирус вне клетки не действует, а связывается со специальными рецепторами клеток и оказывает влияние на процесс репродукции вируса внутри клетки на

стадии синтеза белков.

Действие интерферона тем эффективнее, чем раньше он начинает синтезироваться или поступать в организм извне. Поэтому его используют с профилактической целью при многих вирусных инфекциях, например гриппе, а также с лечебной целью при хронических вирусных инфекциях, таких как парентеральные гепатиты (В, С, D), герпес, рассеянный склероз и др. Интерферон дает положительные результаты при лечении злокачественных опухолей и заболеваний, связанных с иммунодефицитами.

Интерфероны обладают видоспецифичностью, т. е. интерферон человека менее эффективен для животных и наоборот. Однако эта видоспецифичность относительна. Получают интерферон двумя способами: а) путем инфицирования лейкоцитов или лимфоцитов крови человека безопасным вирусом, в результате чего инфицированные клетки синтезируют интерферон, который затем выделяют и конструируют из него препараты интерферона; б) генно-инженерным способом — путем выращивания в производственных условиях ре-комбинантных штаммов бактерий, способных продуцировать интерферон. Обычно используют рекомбинантные штаммы псевдомонад, кишечной палочки со встроенными в их ДНК генами интерферона. Интерферон, полученный генно-инженерным способом, носит название рекомбинантного. В нашей стране рекомбинантный интерферон получил официальное название «Реаферон». Производство этого препарата во многом эффективнее и дешевле, чем лейкоцитарного.

Рекомбинантный интерферон нашел широкое применение в медицине как профилактическое и лечебное средство при вирусных инфекциях, новообразованиях и при иммунодефицитах.

9.2.3.6. Защитные белки сыворотки крови

Кзащитным белкам сыворотки крови относится ряд протеинов, принимающих участие в защите организма от микробов и других антигенов: белки острой фазы, опсонины, пропердин, бета-лизин, фибронектин и др.

Кбелкам острой фазы относятся С-реактивный белок, противовоспалительные и другие белки, которые вырабатываются в печени в ответ на повреждение тканей и клеток. С-реактивный белок способствует опсонизации бактерий и является индикатором воспаления.

Маннозосвязывающий белок — нормальный протеин сыворотки крови. Способен прочно связываться с остатками маннозы, находящимися на поверхности микробных клеток, и опсонизировать их. Способствует фагоцитозу, активирует систему комплемента по лектиновому пути.

Пропердин — представляет собой гамма-глобулин нормальной сыворотки крови. Способствует активации комплемента по альтернативному пути и таким образом участвует во многих иммунологических реакциях.

Фибронектин — универсальный белок плазмы и тканевых жидкостей, синтезируемый макрофагами. Обеспечивает опсонизацию антигенов и связывание клеток с чужеродными веществами, например фагоцитов с антигенами и микробами, экранирует дефекты эндотелия сосудов, препятствуя тромбообразованию.

Бета-лизины — белки сыворотки крови, синтезируемые тромбоцитами. Оказывают повреждающее действие на цитоплазматическую мембрану бактерий.

ГЛАВА 10. АНТИГЕНЫ И ИММУННАЯ СИСТЕМА ЧЕЛОВЕКА

10.1. Антигены 10.1.1. Общие представления

Онтогенез каждого макроорганизма проходит в непосредственном контакте с чужеродными для него клетками, доклеточными формами жизни, а также отдельными молекулами биологического происхождения. Все эти объекты, будучи чужеродными, таят в себе огромную опасность: контакт с ними может нарушить гомеостаз, повлиять на течение биологических процессов и даже повлечь гибель макроорганизма. Поэтому чужеродные биологические объекты представляют собой эволюционно сформировавшийся ранний сигнал опасности для иммунной системы: они являются основным раздражителем и конечной точкой приложения системы приобретенного иммунитета. Совокупность таких объектов, как явления биологического мира, получила название антиген (от греч. anti — против и genos — создавать).

Антиген — это биополимер органической природы, генетически чужеродный для макроорганизма, который при попадании в последний распознается его иммунной системой и вызывает иммунные реакции, направленные на его устранение.

Теоретически антигеном может быть молекула любого органического вещества, как вредного для макроорганизма, так и безвредного. В частности, антигенами являются компоненты и продукты жизнедеятельности бактерий, грибов, простейших, вирусных частиц, организмов животных и растений.

Антигены имеют самое разнообразное происхождение. В сущности, они являются продуктом природного биологического синтеза любого чужеродного организма. В ряде случаев антигены могут образовываться в собственном организме при структурных изменениях уже синтезированных молекул при биодеградации, нарушении их нормального биосинтеза (эпигенетическая мутация) или генетической мутации клеток. Кроме того, антигены могут быть получены искусственно в результате научной или производственной деятельности человека, в том числе путем направленного химического синтеза. Однако в любом случае молекулу антигена будет отличать генетическая чужеродность по отношению к макроорганизму, в который она попала.

Антигены могут проникать в макроорганизм самыми различными путями: через кожные покровы или слизистые, непосредственно во внутреннюю среду организма, минуя покровы, — или образовываясь внутри него. Антигены распознаются иммунокомпетентными клетками и вызывают каскад разнообразных иммунных реакций, направленных на их инактивацию, разрушение и удаление.

По современным представлениям, учение об антигенах является ключевым для понимания основ молекулярно-генетических механизмов иммунной защиты макроорганизма, а также принципов иммунотерапии и имму-

нопрофилактики.

10.1.2. Свойства антигенов Антигены обладают рядом характерных свойств: антигенностъю,

специфичностью и иммуногенностью.

10.1.2.1. Антигенность Под антигенностъю понимают потенциальную способность молекулы

антигена активировать компоненты иммунной системы и специфически взаимодействовать с факторами иммунитета (антитела, клон эффекторных лимфоцитов). Иными словами, антиген должен выступать специфическим раздражителем по отношению к иммунокомпетентным клеткам. При этом взаимодействие компоненты иммунной системы происходит не со всей молекулой одновременно, а только с ее небольшим участком, который получил название «антигенная детерминанта», или «эпитоп».

Различают линейные, или секвенциальные, антигенные детерминанты

(например, первичная аминокислотная последовательность пептидной цепи) и поверхностные, или конформационные (расположенные на поверхности молекулы антигена и возникшие в результате вторичной или более высокой конформации). Кроме того, существуют концевые эпитопы (расположенные на концевых участках молекулы антигена) и центральные. Определяют также «глубинные», или скрытые, антигенные детерминанты, которые проявляются при разрушении биополимера.

Размер антигенной детерминанты невелик, но может варьировать. Он определяется особенностями антиген-рецепторной части фактора иммунитета, с одной стороны, и видом эпитопа — с другой. Например, антигенсвязывающий участок молекулы иммуноглобулина (как сывороточного, так и рецептора В-лимфоцита) способен распознать линейную антигенную детерминанту, образованную всего лишь 5 аминокислотными остатками. Конформационная детерминанта по сравнению с линейной несколько больше — для ее образования требуется 6—12 аминокислотных остатков. Рецепторный аппарат Т-лимфоцитов ориентирован на иные по строению и размеру антигенные детерминанты. В частности, Т-киллеру для определения чужеродности требуется нанопептид, включенный в состав МНС I класса; Т-хелперу при распознавании «свой-чужой» необходим олигопептид размером 12—25 аминокислотных остатков в комплексе с МНС II класса.

Структура и состав эпитопа имеют критическое значение. Замена хотя бы одного структурного элемента молекулы приводит к образованию принципиально новой антигенной детерминанты с иными свойствами. Нужно также отметить, что денатурация приводит к полной или частичной потере антигенных детерминант или появлению новых, при этом теряется специфичность антигена.

Так как молекулы большинства антигенов имеют довольно большие размеры, в их структуре определяется множество антигенных детерминант, которые распознаются разными по специфичности антителами и клонами лимфоцитов. Поэтому антигенность вещества зависит от наличия и числа

антигенных детерминант в структуре его молекулы.

Чужеродность является обязательным условием для реализации антигенности. По этому критерию система приобретенного иммунитета дифференцирует потенциально опасные объекты биологического мира, синтезированные с чужеродной генетической матрицы. Понятие «чужеродность» относительное, так как иммунокомпетентные клетки не способны напрямую анализировать чужеродный генетический код. Они воспринимают лишь опосредованную информацию, которая, как в зеркале, отражена в молекулярной структуре вещества.

В норме иммунная система невосприимчива к собственным биополимерам. Если на какой-либо биополимер в макроорганизме возникла реакция, то, соответственно, он приобрел черты чужеродности и перестал восприниматься иммунной системой как «свой». Подобное событие может возникнуть при некоторых патологических состояниях как результат нарушения регуляции иммунного ответа (см. «аутоантигены», «аутоантитела», «аутоиммунитет», «аутоиммунные болезни»).

Чужеродность находится в прямой зависимости от «эволюционного расстояния» между организмом-реципиентом и донором антигенов. Чем дальше в филогенетическом развитии организмы отстоят друг от друга, тем большей чужеродностью и, следовательно, иммуногенностью обладают их антигены по отношению друг к другу. Это свойство используют биологи и палеонтологи (при изучении филогенеза, уточнении классификации и т. д.), судебно-медицинские эксперты и криминалисты (установление кровного родства, принадлежности улик, фальсификации пищевых продуктов и т. д.).

Чужеродность заметно проявляется даже между особями одного вида. Отмечено, что единичные замены аминокислот, составляющих основу внутривидового полиморфизма, эффективно распознаются антителами в серологических реакциях.

Вместе с тем антигенные детерминанты даже генетически неродственных животных или структурно различных биополимеров могут иметь определенное подобие. В этом случае их антигены оказываются способными специфически взаимодействовать с одними и теми же факторами иммунитета. Такие антигены получили название перекрестно реагирующих. Описанное явление характерно, например, для альбуминов, коллагенов, миоглобинов различных видов животных. Обнаружено также сходство антигенных детерминант стрептококка, сарколеммы миокарда и базальной мембраны почек, Treponema pallidum и липидной вытяжки из миокарда крупного рогатого скота, возбудителя чумы и эритроцитов человека О (I) группы крови. Явление, когда один микроб маскируется антигенами другого микроба или макроорганизма для «защиты» от факторов иммунитета,

получило название антигенная мимикрия.

10.1.2.2. Иммуногенность Иммуногенность — потенциальная способность антигена вызывать по

отношению к себе в макроорганизме специфическую защитную реакцию. Степень иммуногенности зависит от ряда факторов, которые можно

объединить в три группы: Молекулярные особенности антигена; Клиренс антигена в организме; Реактивность макроорганизма.

К первой группе факторов отнесены природа, химический состав, молекулярный вес, структура и некоторые другие характеристики.

Иммуногенность в значительной степени зависит от природы антигена. Известно, что наиболее выраженными иммуногенными свойствами обладают белки и полисахариды, а нуклеиновые кислоты и липиды, напротив, слабоимму-ногенны. В то же время их сополимеры: ЛПС, гликопротеиды, липопротеиды, — способны в достаточной мере активировать иммунную систему и поэтому занимают промежуточное положение по степени иммуногенности.

Определенное влияние на степень иммуногенности оказывает химический состав молекулы антигена. В частности, для иммуногенности белков важно разнообразие их аминокислотного состава. Отмечено также, что сополимеры, состоящие из нескольких аминокислот, иммуногеннее, чем из одной аминокислоты. «Монотонные» полипептиды, построенные из одной аминокислоты, практически не активируют иммунную систему. Наличие в структуре молекулы белка ароматических аминокислот, таких как тирозин, триптофан, существенно повышает иммуногенность.

Важна также оптическая изомерия аминок-слот, составляющих молекулу белка. Пептиды, построенные из L-аминокислот, легко поддаются ферментативной деградации и вы-сокоиммуногенны. Полипептидная цепочка, построенная из правовращающих изомеров аминокислот, напротив, медленно расщепляется ферментами макроорганизма и может проявлять лишь ограниченную иммуногенность при введении в очень малых дозах, так как высокие дозы таких соединений быстро приводят к развитию иммунологической толерантности (см. гл. 11, разд. 11.6).

Несмотря на кажущуюся равноценность антигенных детерминант по иммуногенности, в их спектре существует определенная иерархия. Она проявляется тем, что эпитопы различаются по способности индуцировать иммунный ответ. Поэтому при иммунизации некоторым антигеном в полученном спектре антител будут преобладать иммуноглобулины, специфичные к отдельным антигенным детерминантам. Это явление получило название иммунодоминантности. По современным представлениям, иммунодоминантность обусловлена различиями в сродстве эпитопов к антигенпрезентирующим комплексам гистосовместимости.

Большое значение имеет размер и молекулярная масса антигена. Несмотря на то, что белки хорошо стимулируют иммунную систему, небольшие полипептидные молекулы с молекулярной массой менее 5 кДа, как правило, низкоиммуногенны. Минимальный расчетный размер олигопептида, способный индуцировать иммунный ответ, 6—12 аминокислотных остатков с молекулярной массой около 450 Да. С увеличением размера пептида возрастает

его иммуногенность. Теоретически существует определенная зависимость между этими параметрами, однако на практике она не всегда выполняется из-за влияния посторонних факторов. Так, например, при равной молекулярной массе (около 70 кДа) альбумин является более сильным антигеном, чем гемоглобин.

Для полисахаридов сохраняются примерно те же зависимости, что и для пептидных антигенов. Например, практически не проявляет никакой иммуногенности декстран, который используют в клинике для трансфузионной терапии — его молекулярная масса составляет около 75 кДа. В то же время полисахарид с молекулярной массой 600 кДа достаточно хорошо индуцирует в организме человека иммунную реакцию. Примечательно, что на нуклеиновые кислоты описанные закономерности практически не распространяются.

На степень иммуногенности также оказывает влияние пространственная структура антигена. Чрезвычайно важным оказалось наличие в структуре антигена осспирали, разветвленных боковых цепей, а также высокой плотности идентичных по строению эпитопов.

Опытным путем было доказано, что высокодисперсные коллоидные растворы антигена плохо индуцируют иммунный ответ. Гораздо большей иммуногенностью обладают агрегаты молекул и корпускулярные антигены

— цельные клетки (эритроциты, бактерии и т. д.). Это связано с тем, что корпускулярные и высокоагрегированные антигены лучше фагоцитируются, чем отдельные молекулы.

Важность пространственной структуры антигена подчеркивает и тот факт, что фибриллярный белок коллаген, имеющий большую молекулярную массу (около 330 кДа), обладает значительно меньшей иммуногенностью по сравнению с таким глобулярным белком, как альбумин, который почти в 5 раз его легче.

Оказалась также существенной стерическая стабильность молекулы антигена. При денатурации коллагена до желатина вместе с конфор-мационной «жесткостью» структуры молекулы практически полностью исчезает и ее иммуногенность. Поэтому растворы желатина широко используются для парентерального введения.

Еще одним важным условием иммуногенности является растворимость антигена. Например, такие высокомолекулярные белки, как кератин, меланин, натуральный шелк, как и другие высокополимерные соединения, не могут быть получены в виде коллоидного раствора в нормальном состоянии, и они не являются иммуногенами. Благодаря этому свойству конский волос, шелк, кетгут и другие применяются в клинической практике для восстановления целостности органов и тканей. Поэтому воспалительную реакцию в месте шва или репозиции не следует рассматривать как иммунологический конфликт, спровоцированный шовным материалом.

Вторая группа факторов связана с динамикой поступления антигена в организм и его выведения. Так, хорошо известна зависимость иммуногенности

антигена от способа его введения. Это свойство обусловлено анатомо-топографическими особенностями строения и развития иммунной системы в местах аппликации антигена, а также биологической природой иммуногена и в обязательном порядке учитывается при вакцинации или иммунизации. Например, учитывая тропизм антигена, вакцину против полиомиелита вводят перорально, против сибирской язвы — накожно, БЦЖ — внутрикожно, АКДС — подкожно, против столбняка — внутримышечно.

На иммунный ответ влияет количество поступающего антигена: чем его больше, тем более выражен иммунный ответ. Однако передозировка антигена вызывает обратную реакцию — иммунологическую толерантность. Между количеством антигена и силой иммунного ответа в определенном отрезке (интервале) доз существует логарифмическая зависимость, выражаемая уравнением антигенности (А. А. Воробьев, А. В. Маркович):

lgH = α+ βlgD,

где α и β — коэффициенты, характеризующие соответственно природу антигена и иммунореактивность макроорганизма; Н — сила иммунного ответа; D — количество антигена.

Третья группа объединяет факторы, определяющие зависимость иммуногенности от состояния макроорганизма. В этой связи на первый план выступают наследственные факторы. Хорошо известно, что результат иммунизации в определенной мере связан с генотипом особи. Существуют чувствительные и нечувствительные к определенным антигенам роды и виды животных, которых используют в лабораторной работе. Например, кролики и крысы практически не реагируют на некоторые бактериальные антигены, которые могут вызывать у морской свинки или мыши чрезвычайно бурный иммунный ответ.

Даже внутри вида можно выделить группы близкородственных особей (например, инбредные линии животных), которые по-разному будут отвечать на вводимый антиген. В ходе гибридологического исследования установлено, что сила иммунного ответа на простой антиген у мышей детерминируется одним геном и имеет доминантный модус наследования. Иммунное реагирование на сложные по строению антигены имеет мультигенный контроль. Причем у мышей и морских свинок четко прослеживается ассоциация силы иммунного ответа с генами главного комплекса гистосовместимости. В популяции людей также известны значительные (в десятки и сотни раз) межиндивидуальные различия в чувствительности к вакцинам — выделяют иммунологически реактивных и иммунологически инертных индивидуумов.

Однако, как показали исследования, наряду с генетической предрасположенностью немаловажное значение имеет также функциональное состояние макроорганизма — его психоэмоциональный и гормональный фон, интенсивность обменных процессов и пр. От этого зависит различный уровень чувствительности к одному и тому же антигену, как у одного индивидуума в разные возрастные периоды, так и

популяционная гетерогенность в целом. Таким образом,

Иммуногенность является важным свойством антигена, которое необходимо учитывать не только в научных исследованиях. С иммуногенностью, а точнее с индивидуальной реактивностью макроорганизма на введение антигена, связаны популяционные проблемы вакцинации. Ввиду сложности подбора индивидуальной дозы вакцинного препарата, применяют те дозы, способы и формы его введения, которые обеспечивают наибольший процент положительных реакций в популяции в целом. Считается, что для предотвращения или прекращения развития эпидемического процесса необходимо, что-бы иммунитетом в коллективе располагало 95% привитых.

Иммуногенностью антигена можно управлять, модифицируя перечисленные выше факторы. Существуют группы веществ:

адъювантов и иммуномодуляторов, — которые способны неспецифически усиливать это свойство антигена. Такой эффект широко используется при создании вакцин, в иммунотерапии, иммунопрофилактике и научно-исследовательской работе.

10.1.2.3. Специфичность Специфичностью называют способность антигена индуцировать иммунный

ответ к строго определенному эпитопу. Это свойство обусловлено особенностями формирования иммунного ответа — необходима комплементарность рецепторного аппарата иммунокомпетентных клеток к конкретной антигенной детерминанте. Поэтому специфичность антигена во многом определяется свойствами составляющих его эпитопов. Однако при этом следует учитывать условность границ эпитопов, их структурное разнообразие и гетерогенность клонов антигенреактивных лимфоцитовой специфичности. В результате этого организм на антигенное раздражение всегда отвечает поликлональными иммунным ответом. Подсчитано, что на отдельные антигенные детерминанты одновременно реагирует до ста различных клонов эффекторных лимфоцитов. Это обусловливает широкий спектр варьирования аффинности специфических иммуноглобулинов, и такие иммуноглобулины называют поликлональными.

10.1.3. Классификация антигенов Основываясь на отдельных характерных свойствах, все многообразие

антигенов может быть подразделено на несколько классификационных групп:

по происхождению, по природе,

по молекулярной структуре, по степени иммуногенности, по степени чужеродности,

по направленности активации и обеспеченности иммунного реагирования. По происхождению различают экзогенные (возникшие вне организма) и эндогенные (возникшие внутри организма) антигены. Среди эндогенных