Барьеры против инфекций

Мы живем в  потенциально враждебном мире, наполненном  огромным множеством инфекционных агентов, которые имеют различные размеры, форму, строение и разрушительную способность. Они были бы рады использовать нас для размножения своих «паразитических генов», если бы мы в свою очередь не выработали целый ряд защитных механизмов, по меньшей мере равных по эффективности и изобретательности (все же при многих паразитарных инфекциях ситуацию можно охарактеризовать как странное и зачастую не достигающее своей цели перемирие). Действие этих защитных механизмов, обеспечивающих возникновение иммунитета к инфекциям (от лат. immunitas - свободный от чего-либо), и составляет основу предмета, называемого «иммунология».

За исключением  не до конца понятых конституциональных факторов, делающих один вид восприимчивым, а другой невосприимчивым к определенным инфекциям, существует ряд неспецифических антимикробных систем (например, система фагоцитов), которые являются «врожденными» в том смысле, что их активность не зависит от предварительного контакта с антигеном. Мы рассмотрим эти системы и увидим, как их эффективность может быть существенно повышена в случае специфического приобретенного иммунитета. 

Барьеры против инфекций

   Простейший  путь избежать инфицирования - это предотвратить  проникновение возбудителя в  организм (рис. 1.2). Главной линией обороны  служит, конечно, кожа, которая, будучи неповрежденной, непроницаема для большинства инфекционных агентов. Когда целостность кожного покрова нарушена, например при ожогах, инфекция становится главной проблемой. Вдобавок большинство бактерий не способны долго существовать на поверхности кожи из-за прямого губительного воздействия молочной кислоты и жирных кислот, содержащихся в поте и секрете сальных желез и обусловливающих низкое значение рН. Исключение составляет золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus), часто инфицирующий относительно уязвимые волосяные фолликулы и железы.

   Слизь, выделяемая стенками внутренних органов, действует как защитный барьер, препятствующий прикреплению бактерий к эпителиальным клеткам. Микробы и другие чужеродные частицы, захваченные слизью, удаляются механическим путем - за счет движения ресничек эпителия, с кашлем и чиханьем. К другим механическим факторам, способствующим защите поверхности эпителия, можно отнести вымывающее действие слез, слюны и мочи. Во многих жидкостях, секретируемых организмом, содержатся бактерицидные компоненты, такие, как кислота в желудочном соке, спермин и цинк в сперме, лактопероксидаза в молоке и лизоцим в слезах, носовых выделениях и слюне.

   Совершенно  иной характер имеет механизм микробного антагонизма, связанный с нормальной бактериальной флорой человека. Эти бактерии угнетают рост многих потенциально патогенных микроорганизмов и грибов вследствие конкуренции за необходимые питательные вещества или выработки таких соединений, как колицины или кислоты. Например, патогенная флора влагалища угнетается молочной кислотой, которая вырабатывается одним из видов бактерий-комменсалов. Эти бактерии метаболизируют гликоген, секретируемый клетками влагалищного эпителия. Если защитные комменсалы повреждены антибиотиками, то чувствительность к возможному инфицированию Candida и Clostridium difficile возрастает.

   Если  же микробы все-таки проникли в организм, то в действие вступают два способа защиты - разрушение растворимыми химическими факторами типа бактерицидных ферментов b фагоцитоз («поедание» клетками). 

Фагоцитирующие клетки уничтожают микроорганизмы

«Профессиональные»  фагоциты

  Захват  и переваривание микроорганизмов осуществляются двумя типами клеток, которые И.И.Мечников определил как микро- и макрофаги.

Полиморфноядерные нейтрофилы

   Эти клетки (называемые также микрофагами) имеют  общего гемопоэтического стволового предшественника с другими форменными элементами крови и доминируют среди остальных лейкоцитов. Полиморфноядерный нейтрофил-неделящаяся ко- роткоживущая клетка с сегментированным ядром и набором гранул, которые не прокрашиваются такими красителями, как гематоксилин и эозин, в отличие от аналогичных структур у эозинофилов и базофилов (рис. 1.3 и 1.5). У нейтрофилов известны три типа гранул: первичные азурофильные гранулы, содержащие миелопероксидазу, небольшое количество лизоцима и набор катионных белков; вторичные «специфические» гранулы, содержащие лактоферрин, лизоцим и белок, связывающий витамин В₁₂; третичные гранулы, похожие на обычные лизосомы и содержащие кислые гидролазы. Обширные запасы гликогена, который может быть использован в гликолизе, позволяют этим клеткам существовать в анаэробных условиях. 

Макрофаги

   Макрофаги образуются из промоноцитов костного мозга, которые после дифференцировки в моноциты крови в конце концов задерживаются в тканях в виде зрелых макрофагов, где и формируют систему мононуклеарных фагоцитов (рис. 1.4). Они присутствуют повсюду - в соединительных тканях и вокруг базальных мембран мелких кровеносных сосудов; особенно высоко их содержание в легких (альвеолярные макрофаги) и печени (клетки Купфера). Кроме того, макрофаги выстилают синусоиды селезенки и медуллярные синусы лимфатических узлов, где их основная функция - отфильтровывание чужеродных материалов. Другой пример макрофагов - мезангиальные клетки почечных клубочков, микроглиальные клетки мозга и остеокласты костной ткани. В отличие от полиморфноядерных лейкоцитов макрофаги - долгоживущие клетки с хорошо развитыми митохондриями и шероховатым эндоплазматическим ретикулумом (рис. 1.5). И если полиморфноядерные нейтрофилы обеспечивают основную защиту от пиогенных (гноеродных) бактерий, то функция макрофагов в основном сводится к борьбе с теми бактериями (рис. 1.3, ж), вирусами и простейшими, которые способны существовать внутри клеток хозяина. 

Фагоцитоз

   Чтобы осуществился фагоцитоз, должна произойти адгезия микроба на поверхности нейтрофила или макрофага. Это достигается за счет весьма примитивного механизма узнавания, вероятно основанного на взаимодействии углеводных остатков. В зависимости от своей природы частичка, прикрепившаяся к поверхностной мембране фагоцита, может инициировать фазу поглощения путем активации актин-миозиновой сократительной системы, что приводит к образованию вокруг частички псевдоподий (рис. 1.6 и 1.7). По мере того как близлежащие рецепторы последовательно присоединяются к поверхности микроба, плазматическая мембрана надвигается на частичку, подобно застежке-молнии, до тех пор, пока частичка не будет полностью заключена в вакуоль (фагосому; рис. 1.6 и 1.8). Далее события развиваются быстро, и в течение минуты цито- плазматические гранулы сливаются с фагосомой и изливают в нее свое содержимое. Захваченный микроорганизм (рис. 1.8) подвергается действию целого ряда бактерицидных механизмов. 

Уничтожение чужеродных клеток

Кислородзависимые механизмы

   Неприятности  для пришельца начинаются с того момента, когда инициируется фагоцитоз. Происходит резкая активация гексозомонофосфат- ного шунта, генерирующего НАДФН. НАДФН используется для восстановления молекулярного кислорода, связанного с уникальным мембранным цитохромом (cyt b_₂₄₅), что вызывает бурное потребление кислорода. В результате образуются надпероксидный анион, пероксид водорода, синглетный кислород и гидроксильные радикалы - все они служат мощными бактерицидными агентами. Более того, сочетание пероксида, миелопероксидазы и ионов галогенов создает мощную систему галогенирования, способную вызвать гибель как бактерий, так и вирусов (табл. 1.1). 

Кислородонезависимые механизмы

   Из  табл. 1.1 ясно, что при дисмутации надпероксида потребляются ионы водорода и слегка повышается рН, а это создает оптимальные условия для функционирования семейства катионных белков, которые еше не полностью охарактеризованы. Эти белки разрушают бактериальную мембрану как за счет протеиназного эффекта (нейтральная протеиназа катепсин G). так и за счет непосредственного присоединения к поверхности микроорганизма. Низкие значения рН, лизоцим и лактоферрин представляют собой кислородонезависимые бактерицидные и бактериостатические факторы, которые могут действовать в анаэробных условиях. В конце концов убитые микроорганизмы расщепляются гидролитическими ферментами, и продукты деградации высвобождаются из клетки (рис. 1.7).

   Мы  все находимся под надежной защитой  фагоцитирующих клеток. Но наш богатый арсенал бесполезен до тех пор, пока не произойдут три события: 1) сближение фагоцита и микроорганизма; 2) адгезия микроорганизма на поверхности фагоцита; 3) активация мембраны фагоцита, которая приводит к поглощению микроорганизма. Ряд бактерий действительно продуцирует химические соединения, направлено привлекающие лейкоциты, этот процесс известен как хемотаксис; некоторые бактерии прикрепляются к поверхности фагоцита, а другие способны спонтанно подать мембране инициирующий сигнал. Однако патогенные микроорганизмы постоянно претерпевают мутации и способны настолько видоизменяться, что выходят из-под контроля защитных механизмов. Но в течение миллионов лет эволюции без особых затруднений организм решил эту проблему, создав систему комплемента. 
 
 

   Система комплемента облегчает  фагоцитоз

   Система комплемента и  её активация

Комплементом  называют сложный комплекс белков (около 20), которые, так же как и белки, участвующие и процессах свертывания крови, фибринолиза и образования кининов, формируют каскадные системы, обнаруженные в плазме крови. Для этих систем характерно формирование быстрого, многократно усиленного ответа на первичный сигнал за счет каскадного процесса. В этом случае продукт одной реакции служит катализатором последующей.

   Ряд компонентов  системы комплемента обозначают  символом «С» и цифрой, которая  соответствует больше хронологии их открытия, чем порядковому номеру в последовательности реакции. В наибольшей концентрации в сыворотке крови присутствует компонент СЗ (1,2 мг/мл). Его мол. масса равна 195 кДа. 

Механизм расщепления СЗ

    При нормальных условиях внутренняя тиоэфирная связь в СЗ активируется очень медленно в результате реакции с водой или следовыми количествами протеолитических ферментов плазмы крови, что приводит к образованию активного промежуточного продукта - продукта расщепления СЗ, а именно СЗb или функционально сходной молекулы. В присутствии ионов Mg²⁺ СЗb может образовать комплекс с другим компонентом системы комплемента, фактором В; затем фактор В расщепляется одним из ферментов плазмы крови (фактором D). Образованный комплекс обозначается СЗbВb. При расщеплении компонентов системы комплемента большему продукту присваивается символ «b», а меньшему - символ «а».

    СЗbВb обладает новой важной ферментативной активностью: он представляет собой «СЗ-конвертазу» и способен расщеплять СЗ на СЗа и СЗb. Ниже мы остановимся на важных биологических последствиях расщепления СЗ для защиты от микробов, но в нормальных условиях должен существовать механизм, сдерживающий это расщепление на «отключенном» уровне, поскольку данный процесс сам по себе может приводить к увеличению концентрации СЗbВb; т.е. мы имеем дело с потенциально выходящей из-под контроля системой с положительной обратной связью. В принципе все системы с обратной положительной связью, которые могут выйти из-под контроля, обладают мощными регуляторными механизмами. 

Контроль  уровня С3b

C3bBb-конвертаза в растворах нестабильна, и фактор В легко замещается другим компонентом – фактором H, образуя комплекс, доступный для атаки фактором I, инактивирующим C3b(рис 1.10). Инактивированный C3bi биологически инертен и в дальнейшем расщепляется трипсиноподобными ферментами, присутсвующими в организме. 

Активация механизма расщепления  СЗ

Некоторые микроорганизмы могут активировать СЗbВb-конвертазу с образованием большого количества продуктов расщепления СЗ путем связывания СЗbВb-конвертазы на углеводных участках своей поверхностной мембраны и защищая ее тем самым от действия фактора Н. Затем другой белок - пропердин - взаимодействует со связанной конвертазой, стабилизируя ее еще сильнее. Как только СЗ расщепляется связанным с мембраной СЗbBb, его внутренняя тиоэфирная связь активируется, и реакционноспособное производное СЗ ковалентно связывается с мембраной. Таким образом, один активный центр СЗbВb позволяет связаться с микроорганизмом большому количеству молекул СЗb. Эта последовательность реакций, вызываемая непосредственно микроорганизмами и приводящая к расщеплению СЗ, носит название альтернативный путь активации комплемента (рис. 1.11).

Последовательность  содытий после расщепления СЗ

Следующий активируемый компонент -С5, взаимодействуя с мембраносвязанным СЗЬ, становится субстратом для СЗbВb и расщепляется с выделением короткого полипептида С5а, причем больший фрагмент С5b остается связанным с мембраной. С5b последовательно связывает С6, С7 и С8, образуя комплекс, способствующий правильной ориентации двух или более молекул последнего компонента С9. Это приводит к развертыванию молекул С9, проникновению их внутрь липидного бислоя и полимеризации в кольцеобразный «мембраноатакующий комплекс» (МАК, рис. 1.12 и 2.2), формирующий трансмембранный канал, полностью проницаемый для электролитов и воды. За счет высокого коллоидно-осмотического давления внутри клетки в нее поступают ионы Na⁺ и вода, что и приводит к лизису.

Система комплемента  обладает несколькими биологическими функциями:

1. Реакции адгезии

  Фагоцитирующие клетки имеют рецепторы для СЗb и C3bi, которые облегчают адгезию микроорганизмов, нагруженных СЗb, на поверхности клетки.

2. Образование биологически активных фрагментов

СЗа и С5а-небольшие пептиды, отщепляемые в процессе активации комплемента от молекул- предшественников, выполняют ряд важных функций. Они действуют непосредственно на фагоциты, особенно на нейтрофилы, вызывая резкую активацию дыхания, что связано с продукцией метаболитов кислорода. Кроме того, оба представляют собой «анафилатоксины» и могут вызвать выброс медиаторов из тучных клеток (рис. 1.3 и 1.13) и из циркулирующих в крови базофилов (рис. 1.3). Это явление уместно рассмотреть в рамках настоящего обсуждения, и поэтому на рис. 1.14 подробно представлены медиаторы и их биологическое действие. Особенно следует отметить хемо- таксические свойства этих молекул и их влияние на кровеносные сосуды. В свою очередь С5а служит мощным хемотаксическим агентом для нейтрофилов и способен эффективно воздействовать на клетки эндотелия капилляров, вызывая расширение сосудов и повышая их проницаемость. Данный эффект пролонгируется лейкотриеном В₄, который выделяют тучные клетки и активированные нейтрофилы.