Надежды и опасения

С молекулярной биотехнологией человечество связывают самые больше надежды:

· возможность точной диагностики, профилактики и лечения множества инфекционных и генетических заболеваний

· значительное повышение урожайности сельскохозяйственных культур путем создания

Но общественность интересуют вопросы, как безопасность экспериментов, негативное влияние на окружающую среду, патентование организмов, полученных генно-инженерными методами.

ИММУНОЛОГИЯ

Предлагаемый Вашему вниманию курс «Основы иммунологии» направлен, прежде всего, на получение элементарных сведений о свойственных высшим животным и человеку механизмах защиты их внутренней среды от чужеродных органических молекул.

Необходимость такой защиты вытекает из понимания того, что в основе существования любого организма (начиная от самой простой по строению клетки и заканчивая человеком) лежит упорядоченное физико-химическое взаимодействие составляющих этот объект молекул. Причем порядок последовательных взаимодействий определяется имеющейся в этом организме наследственной информацией и является высоко специфическим, поскольку складывался он в ходе длительной эволюции ныне существующих видов. Исходя из этого, во внутреннюю среду организмов из окружающей среды, условно говоря, допускаются только те молекулы, присутствие которых не сможет нарушить запрограммированный ход метаболических процессов.

У одноклеточных организмов, а также у питающихся диффузионно через поверхность тела растений и грибов проблема защиты от проникновения дестабилизирующих метаболизм агентов решается в основном за счет избирательной проницаемости мембран клеток. Но у многоклеточных животных большинство клеток непосредственно с окружающей организм средой не контактируют и эволюционно приспособлены к существованию в относительно постоянных условиях тканевой жидкости, которая и является для них окружающей средой. В этом случае проблема сводится к предотвращению попадания ненужных организму молекул в тканевую жидкость или максимально быстрому их удалению, если проникновение все-таки произошло. Для решения этой проблемы и существует развившаяся в ходе эволюции животных специализированная система органов, клеток и продуцируемых этими клетками молекул, называемая иммунной системой.

Следует отметить, что дестабилизацию нормального состояния внутренней среды могут вызвать и собственные клетки и молекулы организма, если они изменяются в течение жизни. Учитывая то, что организм млекопитающего, например взрослого человека, состоит из 10¹² – 10¹³ клеток, причем многие клетки постоянно возобновляются, а частота мутаций конкретных генов колеблется в пределах 10^–6 –10^–12, можно предполагать появление довольно значительного количества генетически измененных клеток. Распознавание и элиминация таких клеток, по всей вероятности, также является задачей иммунной системы, что находит косвенное подтверждение в следующих фактах: у больных, которые длительное время получали иммунодепрессирующую терапию (например, при пересадке органов), а также у детей, имеющих врожденные дефекты иммунной системы, частота встречаемости злокачественных (раковых) опухолей в десятки и сотни раз выше, чем у здоровых.

Название этой системы сложилось исторически и в основе этого лежит первоначальное понимание человечеством болезней (по сути своей являющихся наиболее наглядным проявлением дестабилизации нормального состояния организма) как налагаемой на человека силами природы (в тогдашнем понимании – Богом) дани. С этой точки зрения те, кто в течение жизни не заболевал какой-либо болезнью или, переболев данной болезнью, не заболевал вторично, считались от такой дани освобожденными или обладающими иммунитетом, поскольку в латинском языке immunitas означает освобождение от уплаты налагаемых государством налогов и воинской обязанности. С развитием наук и постепенным отказом от идеалистических представлений о природе становилось понятным, что не следует относиться к болезням как к ниспосланному свыше неизбежному злу и что человек сам способен защитить себя от инфекционных заболеваний, однако слово не только не исчезло из научного лексикона, но и легло в основу названия науки, призванной объяснить, как именно организм защищается от таких болезней.

Возникновение иммунологии как науки связано с изучением болезней человека не случайно. Во второй половине XIX века, благодаря ис-следованиям Луи Пастера, Роберта Коха и ряда других исследователей удалось доказать, что причиной заразных болезней являются проникающие извне микроорганизмы. Стало также понятно, что в основе развития симптомов конкретного заболевания лежат специфические различия возбудителей, а проявления защиты человеческого организма от воздействия этих разных возбудителей в целом оказываются схожими. Следовательно, помимо изучения собственно болезнетворных микроорганизмов, существенным становилось выяснение тех особенностей организма человека, которые определяют защиту от возбудителей. В современном понимании инфицирование организма каким-либо микроорганизмом  это типичнейшее проявление попадания во внутреннюю среду несвойственных этой среде изначально (т. е. чужеродных) молекул и борьба макроорганизма с болезнетворным микроорганизмом по сути является борьбой именно с этими молекулами. Исходя из этого, изучение причин возникновения иммунитета к инфекционным болезням являлось практически изучением той системы, которая призвана защищать внутреннюю среду от вторжения всего чужеродного, в том числе и не связанного непосредственно с развитием болезней. Это в целом и подтвердилось дальнейшим ходом развития иммунологии как науки.

Краткий исторический очерк развития иммунологии

Предпосылками развития иммунологии большинство исследовате-лей считают накопленный человечеством опыт наблюдений за развитием инфекционных заболеваний. С незапамятных времен отмечалось, что в период распространения заразных болезней некоторые из ранее перебо-левших данной болезнью людей не заболевали вторично. Более того, имеются исторические сведения, что в Древнем Китае (около 590 года до нашей эры), а также в античные времена в Индии применялось заражение людей натуральной оспой с целью сделать их невосприимчивыми в период эпидемий. Для этого корочки из оспенных пустул на теле выздоравливающих вдыхали через нос или наносили материал из оспенных поражений на кусочки хлопковой ткани, выдерживали в течение года и затем прикладывали к специально сделанным царапинам на коже. В Европе практику такой защиты от оспы относят к времени правления короля Англии Георга I, когда жена британского посла в Константинополе леди Mary Wortley Montagu привезла с Востока метод введения заразного материала из оспин болеющих в вену реципиентов с помощью большой иглы. Процедура была небезопасной, поскольку часто приводила не только к тяжелому заболеванию оспой, но и к развитию других тяжелых заболеваний, в частности сифилисом и лепрой. Тем не менее король Георг I воспринял это восточное новшество благосклонно и даже дал указание проделать подобную процедуру с двумя своими внуками, что способствовало распространению этого приема защиты от оспы на Британских островах. Несмотря на существенный риск, люди соглашались на данную процедуру, поскольку во времена Георга I из 100 человек 60 заболевали оспой и половина из заболевших умирали от болезни.

В 1758 году врач из Эдинбурга Френсис Хоум (Francis Home) при-менил такой же принцип для защиты от кори: он переносил с помощью ватных тампонов материал с пораженных коревой сыпью участков кожи больных на царапины на теле прививаемых, и 7 из 15 подвергнутых такому воздействию пациентов переболели корью в наименее выраженной форме, получив иммунитет к этому заболеванию на время дальнейшей жизни.

Следующим шагом в этом направлении стали эксперименты Эдварда Дженнера (Edward Jenner, годы жизни 1749–1823). Опираясь на ранее сделанные фермером из окрестностей Дорчестера по имени Бенджамин Джестай (Benjamin Jesty) наблюдения, согласно которым люди случайно или намеренно заражаемые коровьей оспой в дальнейшем не болели натуральной черной оспой, в 1976–1978 годах Дженнер провел направленное заражение нескольких своих пациентов материалом из оспенных пустул на вымени коров и убедился, что пациенты действительно приобрели иммунитет против натуральной оспы. Результаты своих исследований по вакцинации (название было дано от латинского наименования коров  vacca) он изложил в статье «Inquiry of 1798», которую представил в Королевское научное общество (the Royal Society). По началу исследования Дженнера были подвергнуты критике, но затем в 1802 году он получил парламентские субсидии для развития оспопрививания и организовал специальный институт в Лондоне, после чего оно стало распространяться по разным странам: врач из Гарварда Бенджамин Вотерхауз (Benjamin Waterhouse) широко распространил оспопрививание по методике Дженнера в Северной Америке, французский император Наполеон приказал провести прививки личному составу своей армии, а первый получивший прививку в России крестьянский мальчик получил в честь этого знаменательного события фамилию Вакцинов.

Однако, несмотря на практическое использование вакцинации, понимание причин возникновения у прививаемых иммунитета стало воз-можным только после открытия Антони ван Левенгуком (Leeuwenhoek, 1632–1723) мира микроорганизмов и создания Луи Пастером (Pasteur, 1822–1895) зародышевой теории инфекционных болезней, согласно которой причиной заболевания является проникновение в организм болез-нетворных бактерий. Разработанный Робертом Кохом (Koch, 1843–1910) метод выделения чистых культур бактерий позволил не только одно-значно доказать причастность бактерий к развитию заболеваний, но и ус-тановить, что именно контакт макроорганизма с возбудителем делает его иммунным. В 1881 году Пастером и его сотрудниками было установлено, что заражение животных длительно выращиваемыми на питательных средах бактериями, вызывающими куриную холеру, не приводит к развитию симптомов заболевания, но делает этих животных устойчивыми к куриной холере. Подобного рода ослабление вирулентности болезнетворных микроорганизмов получило название аттенюации и было применено для направленного, научно обоснованного создания вакцинных препаратов.

Одновременно становилось очевидным, что в результате контакта с возбудителем в макроорганизме появляются какие-то отсутствующие до этого защитные факторы. Направленный поиск таких факторов стал основной задачей, и в 1890 году в институте Роберта Коха в Берлине Эмиль фон Беринг (Behring, 1854–1917) и Шибасабуро Китасато (Shibasaburo Kitasato, 1852–1931) продемонстрировали присутствие в крови иммунизируемых столбнячными или дифтерийными бактериями животных специфических белков, названных ими антитоксинами. Введение сывороток крови таких животных интактным, никогда не контактировавшим с возбудителями столбняка или дифтерии организмам приводило к появлению у последних выраженной устойчивости к данным заболеваниям. Это было первым научным, экспериментально полученным доказательством выработки макроорганизмом специфических веществ в ответ на присутствие болезнетворных микроорганизмов, поэтому ряд авторов предлагают считать 1890 год годом основания иммунологии как науки о защитных силах организма.

В дальнейшем детальным изучением защитных веществ плазмы крови начал активно заниматься немецкий ученый Пауль Эрлих (Ehrlich, 1854–1915). Подробно исследуя лечебные свойства сывороток иммунных животных, он показал, что антитела (так стали называть открытые Бе-рингом и Китасато антитоксины) относятся к глобулиновой фракции белков плазмы крови, что они способны передаваться через плаценту из организма матери в организм развивающегося плода, что выработка антител происходит не только при контакте с болезнетворными микроорганизмами или их токсинами, но и при введении в кровь других органических веществ. Из исследований Эрлиха вытекало, что основу защиты организма от чужеродных агентов определяют растворенные в плазме крови вещества, и подобного рода воззрения к концу XIX века получили название гуморальной теории иммунитета.

Однако не все занимающиеся проблемой инфекционных заболеваний исследователи придерживались мнения, что защита макроорганизма от инфекции определяется только гуморальными факторами. Начатые в 1982 году исследования русского ученого Ильи Мечникова (1845–1916) указывали на то, что лейкоциты крови млекопитающих способны активно поглощать и уничтожать болезнетворные микроорганизмы в ходе процесса, названного фагоцитозом. Возглавив по предложению Луи Пастера специально созданную для изучения фагоцитоза лабораторию в

Пастеровском институте в Париже, Мечников к началу XX века стал основоположником фагоцитарной теории, или теории клеточного иммунитета. Дальнейшие исследования, проводимые приверженцами этих теорий, привели к слиянию формировавшихся направлений, что и нашло отражение в присуждении Нобелевской премии по физиологии и медицине 1908 года совместно И.И.Мечникову и Паулю Эрлиху. Фактически именно эта премия стала признанием иммунологии как особой отрасли знаний, поскольку Нобелевская премия 1901 года, присужденная Эмилю фон Берингу, все-таки была премией медицинской – «…за работы по серотерапии, и прежде всего за ее использование в борьбе с дифтерией».

С этих пор Нобелевские премии (ил.1. Все иллюстрации к курсу лек-ций приводятся в конце книги в разделе Приложение, стр.148), традиционно считающиеся показателем значимости для человечества той или иной области науки, стали своеобразным отражением развития иммунологии в XX столетии.

Параллельно с развитием основной на тот период ветви иммуно-логии, непосредственно связанной с инфекционными болезнями, в конце XIX века были заложены основы двух новых направлений, условно относящихся к так называемой неинфекционной иммунологии.

Французский исследователь Шарль Рише (Richet, 1850–1935), изучая влияние токсических веществ морских беспозвоночных на собак, уста-новил, что организм последних способен отвечать на повторное введение небольших доз токсина чрезвычайно бурной, не наблюдавшейся при пер-воначальном введении препарата реакцией. Он назвал это явление ана-филаксией (т. е. «обратной профилактикой») и посвятил его изучению последующие десять лет. В ходе такого изучения выяснилось, что случаи нежелательных реакций организмов людей и животных на профилакти-ческое и терапевтическое введение сывороток, а также аллергические реакции на различные вещества фактически являются проявлениями ана-филаксии. В опубликованной в 1912 году монографии «Анафилаксия» Рише обобщил результаты своих исследований, из которых следовало, что иммунная система имеет отношение не только к защите от инфекци-онных болезней. Эта работа была удостоена Нобелевской премии 1913 года.

Еще одна ветвь иммунологии зародилась в ходе исследований, имев-ших непосредственное отношение к защите от инфекционных заболеваний. Изучая в конце XIX века в лаборатории Мечникова в Пастеровском институте механизмы лизиса бактерий под влиянием белков плазмы крови, Жюль Борде (Bordet, 1870–1961) не только открыл (совместно с Пфейффером) систему комплемента, но и обнаружил, что иммунная система способна реагировать на чужие клетки крови так же, как и на болезнетворные микроорганизмы. И хотя сам Борде получил Нобелевскую премию 1919 года за исследования комплемента (т. е. в рамках инфекционной иммунологиии как научного направления), в сущности, продолжая его исследования по иммунному отторжению эритроцитов, Карл Ландштейнер (Landsteiner, 1868–1943) открыл группы крови человека, за что в 1930 году был также удостоен Нобелевской премии.

Помимо огромного медицинского значения, заключавшегося в разработке безопасной системы переливания крови, эта ветвь иммунологии дала доказательства существования различий конкретных индивидуумов на клеточном уровне и реагирования на эти различия иммунной системы, что во многом определило развитие иммунологии в XX веке. Фактически проблема отторжения пересаживаемых тканей и органов становилась проблемой иммунологической и занимавшийся изначально пересадками кожи Питер Брайн Медавар (Medawar, 1915–1987) получил широкую известность именно как иммунолог. Работы Медавара и сотрудников стали экспериментальным подтверждением опубликованной в 1949 году общей теории иммунитета Фрэнка Макфарлейна Бёрнета (Burnet, 1899–1985), согласно которой иммунная система формируется в процессе эмбрионального развития и именно в этот период организм приобретает иммунную нечувствительность (толерантность) к собственным молекулам и клеткам. За исследование приобретенной иммунологической толерантности оба эти исследователя получили Нобелевскую премию 1960 года.

Продолжением исследований в этом направлении стали работы Джорджа Девиса Снелла (Snell, 1903–1996). В руководимых им исследованиях было установлено, что у мышей имеется 14 систем генов, определяющих реакции отторжения при пересадках тканей. Одна из таких групп генов, названная Н2-система (от англ. hystocompatibility – тканевая совместимость), оказалась причастной и к развитию других иммунных реакций. Жан Доссе (Jean Dausset, 1916), исследуя антигенные свойства лейкоцитов, обнаружил существование подобных систем генов у человека и назвал их HLA (от англ. Human Leucocytes Antigens – человеческие лейкоцитарные антигены). Проведенные в различных лабораториях мира исследования показали аналогичность Н2-системы мышей и HLA-системы человека, и утвердилось представление о существовании у всех высших животных подобных генетических систем, получивших общее название «главный комплекс гистосовместимости» или сокращенно МНС (от англ. Major Hystocompatibility Complex). Исследуя роль входящих в комплекс генов, Барух Бенасерраф (Benacerraf, 1920) и его коллеги сумели установить причастность продуктов этих генов – специфических поверхностных молекул клеток высших организмов не только к отторжению пересаженных тканей, но и к развитию любых иммунных реакций, в том числе и приводящих к продукции антител. Так утвердилось новое направление в иммунологии, получившее название иммуногенетика, а его основатели Снелл, Доссе и Бенасерраф стали лауреатами Нобелевской премии 1980 года.

Тогда же, в 60-х годах XX века, в основном благодаря работам Родни Портера (Porter, 1917–1985) и Джеральда Эдельмана (Edelman, 1929) удалось расшифровать молекулярную структуру антител и их антиген-связывающих центров, за что эти исследователи получили Нобелевскую премию 1972 года.

Установленная еще в самом начале развития иммунологии высо-чайшая специфичность связывания антител с вызывающими их продукцию антигенами, с одной стороны, в ХХ веке получила широкое применение для очистки и идентификации органических молекул, а с другой стороны, стимулировала исследования, направленные на выяснение причин столь огромного разнообразия антител и распознающих антигены клеточных рецепторов. Две Нобелевские премии 80-х годов как раз и отражают эти два направления в развития иммунологии в середине второй половины ХХ века.

Обладателями Нобелевской премии 1984 года стали Нильс Ерне (Jerne, 1911–1994), Георг Кёллер (Köhler, 1946–1995) и Цезарь Мильштейн (Milstein,1927–2002). Удостоенным столь высокой награды достижением этих исследователей было создание метода, позволяющего получать суспензии абсолютно одинаковых по специфичности, так называемых моноклональных, антител, применение которых в биологических и медицинских исследованиях оказалось очень высокоэффективным. В то же время прогресс молекулярной биологии позволил Сусуму Тонегава (Tonegawa, 1936) показать, как генетические перестройки в хромосомах лейкоцитов обеспечивают фантастически богатое многообразие антител и антигенраспознающих рецепторов, что также было удостоено в 1987 году Нобелевской премии.

Таким образом, формировавшаяся первоначально как чисто при-кладная отрасль медицины иммунология за 100 лет превратилась в одну из ведущих современных биологических наук, достижения которой не только позволили найти эффективные способы борьбы с бактериальными и вирусными заболеваниями, но и объяснить в какой-то мере, чем и как определяется индивидуальность на клеточном уровне и как реализуется взаимодействие клеток млекопитающих между собой. Последняя Нобелевская премия XX века за исследования в области иммунологии является своеобразным отражением слияния инфекциионной и неинфекционной иммунологии, поскольку присуждена за исследования, описывающие роль конкретных молекул во взаимодействиях клеток иммунной системы в период развития иммунных ответов на антиген. Ее обладателями стали Питер Догерти (Doherty, 1940) и Рольф Цинкернагель (Zinkernagel, 1944), которые доказали участие белков главного комплекса гистосовместимости в представлении чужеродных антигенов иммунокомпетентным клеткам.

Произошедший во второй половине XX века переход иммунологии на молекулярный уровень исследования несколько изменил задачи им-мунологии как науки. Несмотря на то, что предметом изучения для им-мунологов по-прежнему остается иммунная система в целом и ее роль в защите организма от чужеродных объектов, основные усилия иммунологов начала XXI века направлены на выяснение механизмов регуляции деятельности иммунокомпетентных клеток и конкретной роли образуемых этими клетками молекул в ходе реализации такой защиты. Подобного рода задачи стоят перед так называемой теоретической иммунологией, в то время как прикладная иммунология, опираясь на результаты исследований теоретического плана, имеет в качестве главных задач разработку новых и улучшение уже имеющихся вакцинных препаратов, поиск подходов для применения регуляторных молекул (прежде всего интерлейкинов и других цитокинов) в качестве лекарственных средств при инфекционных болезнях и при имму-нопатологических состояниях, разработку новых и усовершенствование уже существующих иммунологических методов исследования, применяемых не только в медицинской практике, но и во всех областях современной биологии.

Уже даже из краткого изложения истории развития иммунологии как науки можно понять, что арсенал используемых иммунологами ме-тодов необычайно широк. Исходя из особенностей строения и функцио-нирования иммунной системы, для ее изучения приходится привлекать весь основной методический аппарат анатомии, физиологии, гистологии и цитологии высших животных, биохимические методы очистки и опре-деления различных свойств органических молекул, а на современном этапе и все методы молекулярной биологии и генетической инженерии, включая клонирование и экспрессирование отдельных генов, секвениро-вание белков и нуклеиновых кислот, направленное получение мутаций путем замены генов и получение клеточных линий с конкретными гене-тическими нарушениями. Естественно, что все методы в той или иной степени адаптируются и модифицируются применительно к объектам исследования, что и приводит к появлению специфических, применяющихся только в исследованиях иммунной системы методов. В то же время разрабатываемые изначально в рамках иммунологических исследований методы, в которых используются антитела, в настоящее время приняты на вооружение большинством биологических наук, поскольку их высочайшая разрешающая способность и эффективность доказана всем ходом развития биологии в конце XX века.