Как работает иммунитет

Представим типичную для тёплого времени года картину: подлетает комар, садится на руку и впрыскивает вам под кожу токсины. Сам укус вы наверняка не почувствуете, потому что в слюне комара содержатся обезболивающие вещества. Но через некоторое время кожа вокруг укуса опухает и краснеет. Поздравляем: это яркое доказательство того, что вы надёжно защищены иммунной системой и она качественно отреагировала на угрозу.

Если обобщить, то иммунная система — это совокупность биологических структур и процессов, которая обеспечивает защиту организма от инфекций, токсинов и злокачественных клеток. Важно, что иммунная система должна чётко отличать патогены от здоровых тканей собственного организма. Как устроена врождённая и адаптивная иммунная система, объяснила выпускница Сколтеха Арина Холькина.

Врождённая иммунная система

Врождённая иммунная система — первый эшелон защиты нашего организма от таких внешних воздействий, как инфекции. Её главные исполнители — лейкоциты, которые происходят из красного костного мозга. Лейкоцитов в крови взрослого человека достаточно много: от 4*10^9 до 1,1*10^10 на литр, или более 1% от общего объема крови.

Разберёмся, где и как развиваются лейкоциты и какие органы вовлечены в функционирование врождённой иммунной системы:

1. Красный костный мозг: здесь из гемопоэтических стволовых клеток начинается развитие всех лейкоцитов;
2. Тимус (вилочковая железа): специализированные лейкоциты, называемые Т-лимфоцитами, проходят здесь созревание и селекцию;
3. Селезёнка: этот орган участвует в очистке крови от старых или повреждённых кровяных клеток, а также в иммунной реакции. Когда-то функции селезёнки плохо понимали и удаляли её, но сейчас ясно, что именно здесь происходят важнейшие этапы функционирования иммунной системы;
4. Лимфатическая система: состоит из сети лимфатических сосудов и узлов, которые помогают во взаимодействии иммунных клеток и в защите от инфекций.

Все эти органы и системы работают совместно, обеспечивая надежную защиту организма от внешних угроз.

Сами же лейкоциты делятся на пять подгрупп, каждая из которых выполняет определённую функцию:

1. Нейтрофилы: первая линия обороны против бактериальных и грибковых инфекций, они могут активно поглощать и уничтожать микроорганизмы;
2. Лимфоциты: включают Т- и В-лимфоциты, которые отвечают за адаптивный иммунитет и иммунную память;
3. Моноциты: перемещаются в ткани и превращаются в макрофаги, которые поглощают микроорганизмы и мертвые клетки;
4. Эозинофилы: защищают организм от паразитов и участвуют в аллергических реакциях;
5. Базофилы: содержат гранулы с гистамином и участвуют в аллергических реакциях и воспалении.

Кстати, впервые лейкоциты были обнаружены учёными при изучении крови. У каждой подгруппы есть уникальные визуальные отличия, которые можно наблюдать под микроскопом.

Ключевые механизмы врожденной иммунной системы — фагоцитоз и инфламация. В процессе фагоцитоза клетки фагоциты активно поглощают и уничтожают вредные микроорганизмы. Инфламация включает в себя воспалительные реакции, которые помогают изолировать и устранить источник инфекции, а также привлекать другие иммунные клетки к очагу заражения.

Также во врожденную иммунную реакцию входит система комплимента, которая активирует сеть белков в ответ на инфекцию и помогает уничтожать вредные микроорганизмы. Именно эти белки в крови проверяют врачи, когда вы только заболели, например, С-реактивный белок.

Врожденный иммунитет также включает в себя барьеры, такие как кожа и слизистые оболочки, которые препятствуют проникновению вредных микроорганизмов в организм.

Важный аспект врожденного иммунитета — его сотрудничество с адаптивным иммунитетом. Первый действует быстро, выстраивая начальную линию обороны, в то время как второй обеспечивает более специфичную и долгосрочную защиту. Интерфероны и цитокины, молекулы, выпускаемые иммунными клетками, помогают координировать иммунный ответ. Толл-подобные рецепторы (TLR) на поверхности иммунных клеток распознают узнаваемые паттерны, ассоциированные с микробами (PAMPs), и активируют иммунный ответ.

Адаптивная иммунная система

Ещё раз оговоримся, что врождённая иммунная система — это первый эшелон нашей защиты. Адаптивная иммунная система развилась у челюстных позвоночных животных, что в разрезе эволюции относительно недавно. И она играет ключевую роль в более специализированной и мощной защите.

Начнём с тонкого взаимодействия врожденной и адаптивной иммунных систем, например, с фагоцитов, которые способны поедать частицы или микроорганизмы. Кстати, процесс фагоцитоза, во время которого фагоциты поглощают и уничтожают внешние агенты, открыл русский учёный Илья Мечников. При вторжении чужеродных агентов (вирусов, бактерий, паразитов) фагоциты поедают их и передают сигналы Т- и В-клеткам. Именно с их активации и начинаются стадии адаптивного иммунного ответа.

Т- и В-клетки

Теперь рассмотрим процесс адаптивного иммунного ответа более подробно — на примере укуса комара, переносчика вируса Зика. Когда инфекционный агент попадает в наш организм, дендритные клетки и макрофаги быстро реагируют и уничтожают инфицированные частицы. Затем они посылают сигналы кровеносным сосудам с помощью хемокинов, привлекая лимфоциты к месту инфекции. При активации лимфоциты проникают через сосуды и двигаются, используя белки селектины и интегрины для навигации и прикрепления к нужным местам на капилляре.

После лимфоциты взаимодействуют с инфицированными клетками, которые презентуют фрагменты вирусных белков на своих поверхностных молекулах MHC (главный комплекс гистосовместимости). Т-лимфоциты-киллеры распознают эти антигены и инициируют процесс апоптоза (самопрограммируемая клеточная смерть), уничтожая инфицированные клетки и предотвращая распространение вируса.

Таким образом, адаптивная иммунная система организма обеспечивает эффективную защиту от многих инфекционных агентов, адаптируясь к конкретным угрозам и усиливая иммунный ответ при необходимости.

Чтобы легко это запомнить и понять, обратимся к аналогии: представим, что существует клуб, в который хочет попасть множество разных клеток. У каждой из них есть паспорт (MHC), а фотография в нём — антиген. С её помощью охранник (Т-киллер) устанавливает личность клетки, и, если она не похожа на себя, клетка не то что не попадёт в клуб, но и, скорее всего, будет уничтожена беспощадным вышибалой. Таким образом наш организм самостоятельно защищается от заболеваний, не пропуская их внутрь.

Существует и другие клетки, которые нас защищают — Т-хелперы. Они выполняют функции регулирования процессов работы других клеток иммунной системы (Т-киллеров, B-лимфоцитов, макрофагов, NK-клеток), распознают антигены и «принимают решения» о запуске или остановке процессов адаптивного иммунного ответа. Их контакт происходит с помощью MHC второго класса. Задача такого помощника в случае обнаружения опасности призвать тех самых охранников (Т-киллеров) к месту поражения.

Важно детально проследить, как работает активация разных клеток. Например, Т-клетка киллер (происходит из тимуса), контактируя с заражённой клеткой, убивает её. При этом она выделяет такие вещества, как цитокины, с помощью которых подаёт сигнал организму, что нужна помощь других Т-клеток в борьбе с инфекцией. Но после такой «бойни» образуется много умерших клеток, за поедание которых отвечают фагоциты. Таким образом в нашем организме появляется гной. Поэтому если вы когда-нибудь обнаружите в своём организме гнойное воспаление, то знайте, что это те самые умершие заражённые клетки, съеденные фагоцитами.

С заражённой клеткой может встретиться и В-клетка (происходит из красного костного мозга). Она также выделяет цитокины, но для них важнее другое — произвести антитела, чтобы часть клеток стала клетками памяти, в которых будет содержаться информация о вирусе. В случае повторного заражения В-клетки памяти помогают справиться с инфекцией гораздо быстрее и эффективнее.

Антитела и антигены

Рассмотрим внимательнее процессы, которые происходят в B-клетках. Некоторые из них после взаимодействия с макрофагами становятся плазматическими и производят антитела — белки, которые вырабатывает иммунная система для обезвреживания возбудителей инфекции. Они облепляют инфицированного агента (антиген), чтобы не дать тому инфицировать другие клетки.

Процесс взаимодействия антигена и антитела очень важен, потому что именно он позволяет нашему организму распознавать и бороться с внешними угрозами.

Представьте, что ваш организм — это большой сложный «замок» со множеством дверей и комнат, а антигены — «ключи», которые несут с собой информацию о различных микроорганизмах, таких как бактерии и вирусы. Эти ключи позволяют им входить в разные помещения вашего замка (организма), чтобы устроить там беспорядок.

У вас же есть команда охранников, которые носят с собой специальные инструменты — «замковые зажимы». Эти зажимы созданы, чтобы блокировать определенные ключи (антигены), предотвращая их проникновение в замок. В этом примере команда охранников — это иммунная система человека, а замковые зажимы — антитела.

Когда микроорганизм с определенным ключом (антигеном) пытается войти в ваш замок (организм), ваши охранники (иммунная система) быстро берут подходящий замковый зажим (антитело) и блокируют этот ключ, предотвращая вторжение. После чего они удаляют микроорганизм из окрестностей замка.

Кроме того, после успешного блокирования определенного ключа (антигена), ваши охранники запоминают его форму и сохраняют зажим на всякий случай — вдруг пригодится. Поэтому, если тот же микроорганизм снова попытается войти в ваш замок, охранники будут готовы и смогут быстро заблокировать его с помощью уже готового зажима. Именно это учёные и называют «иммунной памятью», которая обеспечивает вашему организму быстрый и эффективный ответ на повторное воздействие тех же микроорганизмов.

Таких “замковых зажимов” — антител — в иммунной системе человека существует пять классов, и все они представляют собой различные иммуноглобулины (Ig):

1. IgE — активно участвуют в аллергических реакциях и защите от паразитов;
2. IgD — находятся на поверхности B-клеток и играют роль в их активации. Точные функции в иммунной системе до конца не изучены;
3. IgM — первыми реагируют на инфекцию. Они составляют 5-10% всех антител в крови и быстро исчезают после того, как инфекция проходит.
4. IgG — появляются позже и могут сохраняться от 3 до 6 месяцев (в редких случаях до 9 месяцев). Эти иммуноглобулины — основной компонент иммунной памяти и составляют 70-75% всех антител в крови.
5. IgA — защищают слизистые оболочки и присутствует в крови, слюне и носовой слизи. Составляют 10-15% всех антител.

Как вы поняли, в нашем организме существует множество типов клеток иммунной системы, каждый из которых имеет уникальные рецепторы для распознавания различных патогенов. Вся эта система работает слаженно, обеспечивая защиту организма от инфекций и других угроз:

• 1 этап защиты: физические и физиологические барьеры — кожа, слизистые оболочки (рта, носа, бронхов и легких), температура тела и уровень pH, создающие неблагоприятные условия для патогенов;
• 2 этап защиты: врождённый иммунитет — разные лейкоциты, дендритные клетки и натуральные киллеры, обеспечивающие быструю, но не специфичную реакцию на патогены.
• 3 этап защиты: адаптивный иммунитет — Т-хелперы, цитотоксические Т-клетки и разные В-клетки, обеспечивающие специфичное распознавание и уничтожение патогенов.

Однако, иногда иммунная система может выходить из-под контроля и начать атаковать клетки собственного организма. Это происходит в случае аутоиммунных заболеваний, таких как диабет первого типа, ревматоидный артрит, болезнь Бехтерева и рассеянный склероз. Но об этом мы расскажем в другом материале нашего блога.