МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

     ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  ИМЕНИ В.Н. КАРАЗИНА

       КАФЕДРА ФИЗИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА ПО ИММУНОЛОГИИ

Защитные  системы беспозвоночных животных

                     

Выполнил:

студент биологического факультета

группы  Б-134

Беликов Юрий Юрьевич

Руководитель:

доцент Мартыненко Вера Владимировна 
 
 
 
 

Харьков 2010

                                        оглавление 

ВВЕДЕНИЕ

     Изучение разнообразных видов позвоночных позволяет составить представление об эволюционном развитии иммунной системы вплоть до формирования её сложноорганизованных механизмов у млекопитающих. Однако филогенез системы приобретённого иммунитета позвоночных, особенно его молекулярных основ, остается неясным, несмотря на многочисленные исследования иммунитета у беспозвоночных. В то же время изучение беспозвоночных проливает свет на происхождение врождённого иммунитета, полностью сформированного уже у позвоночных. Поскольку беспозвоночные чрезвычайно многочисленны и разнообразны — одиночные и колониальные формы, полостные и бесполостные, обладающие и не обладающие кровеносной системой — среди них можно найти много удобных объектов для экспериментальных исследований.

     Упрощённое представление эволюционного древа царства животных учитывает разделение от вторичнополостных на две основные ветви, принципиально различающиеся по стадиям эмбриогенеза. Одна ветвь, ведущая к первичноротым - моллюскам, кольчатым червям и членистоногим - дивергировала на этом раннем этапе эволюции от пути, ведущего к появлению вторичноротых — иглокожих, оболочников и позвоночных. Исследования в области иммунитета у беспозвоночных проводятся в основном на членистоногих и моллюсках, в связи с тем, что многие из них являются переносчиками возбудителей болезней или вредителями сельскохозяйственных культур. Поэтому филогенетически более близкие к позвоночным таксоны привлекают гораздо меньше внимания. Кроме того, поскольку все предки позвоночных — вымершие виды, выводы о происхождении иммунитета у позвоночных, сделанные на основании изучения беспозвоночных, могут быть лишь гипотетическими, основанными на предположении о близком родстве некоторых современных животных с предковыми позвоночными.

 

      КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАЩИТНЫХ КЛЕТОК БЕСПОЗВОНОЧНЫХ

     У большинства беспозвоночных имеются белые клетки, но красные клетки, как правило, отсутствуют. Лейкоциты могут либо быть зафиксированными, либо свободно мигрировать по кровеносным сосудам, либо заселять заполненные жидкостью полости тела, называемые целомом или гемицеломом. Первые клетки крови образовались, вероятно, из свободноживущих предковых клеток, сходных с простейшими. У примитивных многоклеточных, например, у губок, кишечнополостных и плоских червей, блуждающие фагоцитарные амебоциты не только выполняют функцию защиты, но и участвуют в процессах питания и экскреции.

     На уровне вторичнополостных, тела которых крупнее и более сложно устроены, возникла необходимость в циркуляторной системе для переноса питательных веществ и отходов внутри организма. Амебоподобные клетки, больше не нужные для собирания пищи, вероятно, мигрировали из соединительной ткани в эту циркуляторную систему. Здесь из них образовалось множество типов клеток, часть которых приобрела специфическую роль в иммунореактивности.

     Из-за огромного разнообразия беспозвоночных их свободные лейкоциты невозможно классифицировать только по окрашиваемости и морфологии, в отличие от лейкоцитов  позвоночных. Однако по функциональным критериям удается выделить пять основных групп таких клеток.

     • Клетки-предшественники, которые наряду с имеющейся в том или ином количестве гемопоэтической тканью могут играть роль стволовых клеток. По строению они напоминают лимфоциты позвоночных, но данных о действительной гомологии очень мало.

     • Фагоцитарные клетки, которые, вероятно, представляют собой единственный тип клеток, присутствующий у всех представителей царства животных. Они соответствуют гранулоцитам или макрофагам млекопитающих, но несут иные поверхностные маркеры.

     • Гемостатические клетки, которые принимают участие в коагуляции и заживлении ран и важны как эффекторы для распознавания «не-своего».

     • Питающие клетки присутствуют лишь у некоторых видов.

     • Пигментные клетки имеются у многих видов, но только у некоторых они содержат дыхательный пигмент, напоминая тем самым эритроциты позвоночных.

ОСНОВНЫЕ  НЕСПЕЦИФИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТЫ

 

     Беспозвоночные лишены лимфоцитов и антител, но, тем не менее, обладают эффективными механизмами защиты. Иммунные системы беспозвоночных, очевидно, не включают в качестве компонентов ни иммуноглобулинов, ни взаимодействующих субпопуляций лимфоцитов, ни лимфоидных органов. Тем не менее, само существование огромного числа и разнообразия беспозвоночных свидетельствует о наличии у них эффективных систем защиты собственного организма.

     Как и у позвоночных, первой линией обороны у них служат эффективные физико-химические барьеры. Слизь, покрывающая тело многих кишечнополостных, кольчатых червей, моллюсков и некоторых оболочников, задерживает и уничтожает потенциально патогенные микроорганизмы. Твёрдый наружный скелет, такой как панцирь или скорлупа, у некоторых кишечнополостных, моллюсков, иглокожих и насекомых также препятствует инвазии в организм чужеродного материала. При нарушении целостности этих барьеров против проникшего в организм чужеродного тела действует целый ряд взаимосвязанных клеточных и гуморальных защитных механизмов, к которым относятся следующие:

     • Свёртывание/коагуляция крови и заживление ран.

     • Фагоцитоз.

     • Инкапсулирование.

     Эти механизмы предполагают распознавание «не-своего» и присутствие рецепторных молекул в крови и на поверхности клеток крови.

     1) Коагуляция и заживление. Раны быстро закрываются благодаря коагуляции жидкостей организма, вызываемой гемостатическими клетками и компонентами плазмы. Раны, образующиеся у беспозвоночных при травме или инвазии паразитов, быстро заживают, что предотвращает смертельную потерю жидкостей организма. Раны закрываются вследствие выпячивания жирового тела или кишки, сокращения мышц, коагуляции плазмы, миграции клеток крови к месту поражения и их агрегации с образованием тромба и/или за счет отложения меланина. Миграцию лейкоцитов к ране стимулируют, вероятно, цитокин-подобные факторы. Тромбирование раны с коагуляцией плазмы наблюдается главным образом у членистоногих, хотя получены данные об аналогичном процессе у кольчатых червей и иглокожих. В коагуляции участвуют гемостатические клетки, которые агрегируют в месте повреждения и выделяют своё содержимое, вызывающее свёртывание плазмы и образование прочной гемоцитарной «пробки». У многих видов в этом процессе участвуют и компоненты плазмы. Как и у млекопитающих, сама повреждённая ткань, микробные компоненты, а также изменения концентрации Са²⁺ или рН индуцируют сложный каскад ферментативных реакций в месте повреждения. Это напоминает альтернативный путь активации комплемента. Система настолько чувствительна, что у мечехвостов, например, она активируется эндотоксином Escherichia coli в дозе всего 4 нг/мл. Процесс коагуляции чрезвычайно важен, поскольку обеспечивает высокочувствительное распознавание «чужого» благодаря дегрануляции гемостатических клеток. В коагуляции может принимать участие фермент профенолоксидаза: превращаясь под действием каскада сериновых протеаз в фенолоксидазу, она способствует образованию медиаторов более поздних стадий иммунного ответа. Недавно установлено, что каскад ПФО существует и у других беспозвоночных, таких, как круглые черви и оболочники. 

2) Фагоцитоз и инкапсулирование. Внедрившихся микробов поглощают фагоцитарные клетки, более крупные агенты окружаются многоклеточными капсулами. Иммунологические исследования были начаты в самом начале XX в. На основе данных исследований Мечникова было объявлено, что амебоидные клетки у почти всех примитивных беспозвоночных принимают участие в процессах внутриклеточного пищеварения, которые сохранились у наиболее высокоразвитых животных в виде внутренней системы обороны. На самом деле, фагоциты широко распространены у беспозвоночных, и эксперименты по внедрению живым организмам чужеродного материала показали их способность удалять разные чуждые организму частицы.

Фагоциты обязаны  в одно и тоже время "избегать" обычные ткани собственного организма и съедать чужеродные частицы. По-видимому, они принимают участие и в удалении "собственной" ткани, испорченной вследствие наличия ксенобиотика, к примеру, загрязнителя.

Табл.1. Типы беспозвоночных, имеющих активную реакцию амебоцитов.

 
 
 

 

О механизме  данного процесса известно мало. Распознавание случается при контакте фагоцита с его мишенью. Данные о существовании у беспозвоночных настолько же развитой, как у позвоночных, системы антител, служащих переходным звеном при распознавании антигенов, отсутствуют, хотя есть ссылки на опсониновую активность жидкостей их тела.

Предполагаемые  механизмы распознавания клеток фагоцитами представлены на рис. 1. Прямое узнавание (рис.1, А), по всей видимости, осуществляется фагоцитами, "патрулирующими" ткани беспозвоночных с массивным туловищем, вместе с тем у животных с переполненными жидкостями полостями важную роль в обеспечении фагоцитоза играют опсонины.

       

     Рис. 1. Модели фагоцитарных иммунных систем беспозвоночных.

Фагоцитарные клетки присутствуют у всех беспозвоночных и вместе с врождёнными гуморальными факторами образуют первую линию защиты от микроорганизмов.

Как и у позвоночных, здесь наблюдаются все фазы их действия: хемотаксис, прикрепление, поглощение и уничтожение. Однако распознавание мишени опосредуют не Fc-рецепторы, и лишь у одного вида на поверхности фагоцитов обнаружены СЗ-подобные рецепторы. Фагоцитоз, как и у позвоночных, может происходить без участия опсонизирующих факторов. Однако у моллюсков, членистоногих и оболочников в присутствии лектинов плазмы и компонентов профенолоксидазного каскада он усиливается. Некоторые патогены, однако, научились использовать защитные лектины животных ради собственной выгоды. Например, многие вирусы проникают в клетку, прицепившись к молекулам лектинов, расположенным на поверхности клетки. Поэтому выработка защитных лектинов животными может быть «палкой о двух концах».

Лектины растений, введенные в организм животного, могут оказывать действие, сходное с действием собственных лектинов животного. Например, они могут влиять на работу различных компонентов иммунной системы. Они могут даже стимулировать гибель (апоптоз) раковых клеток. Один из лектинов омелы (Viscum album) широко применяется в медицине для лечения рака.  Лектины, взаимодействующие с поверхностными углеводами патогена, представляют собой некий универсальных механизм, позволяющий воздействовать на рост микроорганизмов. Этот механизм используется как растениями, так и животными.

     Если внедрившиеся патогенные микробы слишком крупны или многочисленны, вокруг них образуются многоклеточные агрегаты, называемые узелками или капсулами и напоминающие гранулёмы у млекопитающих. Секвестрированные таким образом микроорганизмы предположительно погибают под действием лизосомных ферментов и лизоцима, содержащихся в лейкоцитах, а также под действием пероксидазы и активных форм кислорода.

     И фагоцитоз, и инкапсулирование зависят от кооперации гемостатических и фагоцитарных клеток.

ГУМОРАЛЬНЫЕ ЗАЩИТНЫЕ ФАКТОРЫ

 Жидкости организма содержат у беспозвоночных ряд врождённых и индуцибельных гуморальных защитных факторов.

     Врождённые защитные факторы. У беспозвоночных не обнаружено иммуноглобулинов, но жидкости организма содержат ряд защитных гуморальных факторов — агглютинины, лизоцим и другие лизины, иные антимикробные соединения, лизосомные ферменты и обездвиживающие факторы. Имеются также данные, указывающие на присутствие компонентов комплемент-подобной системы. Например, у морских ежей на фагоцитах могут присутствовать СЗ-подобные рецепторы, и обнаружена гуморальная литическая система, сходная с системой комплемента. Кроме того, установлено, что кровь гусениц реагирует с одним из факторов яда кобры и при этом появляется СЗ-конвертазная активность. Обладающий ею фермент расщепляет молекулы СЗ быка с образованием молекул, подобных СЗ. Профенолоксидазный каскад у членистоногих сравним с альтернативным путем активации системы комплемента, поскольку оба они стимулируются непосредственно компонентами микробных клеток и включают ряд последовательно активируемых протеаз. Для того чтобы подтвердить наличие у беспозвоночных альтернативных путей активации комплемента, необходимы детальные исследования на молекулярном уровне.

     Индуцибельные гуморальные защитные факторы.

     Известно, что у беспозвоночных содержание агглютининов и гемолизинов иногда возрастает, однако подробно индуцибельные антимикробные факторы исследованы только у насекомых.