Клеточные основы гуморального иммунного ответа. Субпопуляции лимфоцитов и их кооперация. Т- и В-лимфоциты

24.10.2015

В 1839 году немецкий гистолог и физиолог Теодор Шванн, профессор физиологии и сравнительной анатомии в Льеже, сформулировал положение о клеточном строении всех организмов. Основываясь на клеточной теории Шванна, в 1858 году Рудольф Вирхов, директор Берлинского института патологии, профессор патологической анатомии Вюрцбургского университета, почетный член многих академий наук и научных обществ, президент Берлинского антропологического общества, опубликовал монографию «Целлюлярная патология» («Die Cellularpathologie in ihrer Begrundung auf Physiologische und Pathologische Gewebelehre»), B монографии P. Вирхов обосновал клетку как самостоятельную единицу организма, представляющего собой сумму автономных клеточных единиц, находящихся в тесной зависимости друг от друга. При этом патологический процесс Вирховым характеризуется как сумма происходящих в каждой клетке нарушений. Однако, осмыслив важность нормального функционирования клеток в жизни организма, Р. Вирхов обошел вниманием роль функционирования клеток в защите организма от чужеродных факторов, индуцирующих патологический процесс. Это сделал, открыв в 1882 году клеточный иммунитет, выдающийся русский ученый Илья Ильич Мечников. Открытие П.И. Мечниковым фагоцитоза как ответной защитной реакции клеток (фагоцитов) организма на поступление чужеродного начала было оценено Нобелевским комитетом как величайшее достижение и удостоено Нобелевской премии в 1908 году (одновременно с П. Эрлихом, открывшим гуморальный иммунитет). Развивая учение И.И. Мечникова о фагоцитозе, в 1886 году русский ученый Владимир Константинович Высокович создал учение о ретикулоэндотелиальной системе (РЭС). В основу учения положена обнаруженная им способность клеток эндотелия и соединительной ткани поглощать вводимые в кровь микробы, судьба которых во внутренних органах (в селезенке, печени, в костном мозгу) в значительной степени зависит от степени патогенности возбудителя.
Как отмечалось выше, в 1891 году П. Эрлих и 10. Моргенрот разграничили миелоидное и лимфоидное кроветворение, обе ветви кроветворения стали предметом пристального внимания исследователей. В 1892 году И.И. Мечников ввел термин «макрофаг». Макрофаги печени, играющие важную роль в функционировании РЭС, были названы клетками Купфера, по имени описавшего их немецкого анатома и эмбриолога Карла Купфера. Макрофаги другой локализации, внутриэпидермальной, были обозначены клетками Лангерганса по имени описавшего их немецкого патолога и врача Пауля Лангерханса. Впоследствии оказалось, что клетки Лангерганса представляют собой не макрофаги, а поступающие в кожу профессиональные антигенпредставляющие дендритные клетки, происходящие из миелоидных клеток костного мозга. Дендритные клетки продолжали именоваться клетками Лангерганса. В 1877 году П. Эрлих открыл тучные клетки и эозинофилы. Немецкий гистолог Франц Лейдиг писал гранулоциты яичка. В 1926 году Джеймс Мерфи Рокфеллеровский институт медицинских исследований, США) опубликовал монографию, посвященную экспериментальным исследованиям функции лимфоцитов в связи с трансплантацией ткани, заболевании раком и туберкулезом («Thy lymphocyte in relation to tissue grafting, malignant disease and tuberculous infection, an experimental study»).
Дальнейшие исследования клеточных функций развивались в нескольких направлениях, и фактически до конца 40-х годов прошлого века шло медленное накопление фактического материала.
Одно из таких направлений было связано с функцией выработки антител.
Известно, что одним из центральных органов иммунитета, ответственным за формирование В-лимфоцитов — продуцентов антител, является фабрициева сумка птиц. Впервые ее открыл и описал хирург, анатом и эмбриолог Джироламо Фабрициус (известный так же, как Hieronymus Fabricius of Aquapendente (рис. 6). Фабрициус работал профессором хирургии университета в Падуе (Италия) с 1565 по 1613 годы. Пионерские работы Фабрициуса получили широкое признание, в итальянской медицинской школе он получил имя «отца эмбриологии». Однако, несмотря на открытие сумки, функции ее оставались неизвестными и в течение многих десятилетий она рассматривалась лишь как орган, отсутствующий у млекопитающих.

Клеточные основы гуморального иммунного ответа. Субпопуляции лимфоцитов и их кооперация. Т- и В-лимфоциты

Б 1945 году T.N. Harris и соавторы опубликовали результаты исследований, в которых рассматривалась роль лимфоцитов в продукции антител. В 1948 году шведская исследовательница Астрид Фагреус привела доказательства роли плазматических клеток в антитело образовании. Исследования Б. Блика установили, что у кур, лишенных фабрициевой сумки, антитела не вырабатываются. Поскольку впоследствии было доказано, что у бурсэктомированных кур, несмотря на отсутствие антител, функции клеточного иммунитета сохраняются, стало очевидным, что лимфоциты неоднородны, а антитела вырабатывают бурсазависимые плазматические клетки. Полученные Б. Бликом данные индуцировали поиск эквивалента фабрициевой сумки птиц у млекопитающих. Впоследствии было доказано, что таковым является костный мозг.
Необходимо отметить, что в начале-конце 50-х годов XX века наблюдался бурный расцвет иммунологии, в т.ч. активно изучались клеточные основы антителогенеза, В 1958 году австралийский иммунолог Бустав Носсэл и затем Б. Носсэл и О. Макёла с помощью метода изучения клеток в микрокаплях установили, что подавляющее число антителосинтезирующих клеток вырабатывает один класс антител (IgM или IgG) и лишь <2% клеток продуцируют антитела обоих классов. В случае иммунизации животных двумя антигенами, например бактериофагами Е2 и Е5, было показано, что не все клетки лимфоидной ткани продуцируют антитела. Пи одна из изученных клеток не вырабатывала антитела против обоих фагов. Из 985 изученных клеток 15 секретировали антитела, инактивирующие бактериофаг Т2, и 5 клеток продуцировали антитела, секретирующие бактериофаг Т5.
В 1959 году английский врач и исследователь Джеймс Боуэне открыл такую важную функцию лимфоцитов, как их способность к рециркуляции. Дренирование грудного лимфатического протока у крыс сопровождалось отменой иммунологического ответа животных.
Несмотря на известные ранние представления о роли тимуса в защитных функциях организма, выдающуюся роль тимуса в иммунитете открыли в начале 60-х годов XX века Дж, Миллер в Мельбурне, Австралия и Роберт Гуд и Миннеаполисе, США. Экспериментальные исследования Дж. Миллера показали жесточайшее нарушение иммунитета у тимэктомированных при рождении мышат и почти полную нечувствительность к удалению тимуса у половозрелых животных. Подсадка тимуса или трансплантация тимических клеток нормализовала иммунологическую реактивность животных. Иммунолог и педиатр Роберт Гуд и Н. Wolfe (США) сходные факты наблюдали у детей. Они зарегистрировали связь иммунодефицитов и врожденного отсутствия тимуса. Более того, Р. Гуд установил важную роль тимуса в обучении лимфоцитов и продемонстрировал его значимость в онто- и филогенезе. Последующее изучение функций тимуса в различных научных коллективах показало, что при тимэктомии нарушается клеточный иммунитет и продукция антител к одним антигенам (тимусзависимым), тогда как выработка антител к другим антигенам (тимуснезависимым) полностью сохраняется. Таким образом, в иммунологию пришло представление о существовании двух систем — бурсазависимой и тимусзависимой. Первая из них ответственна за процесс образования антител, тогда как вторая — за развитие клеточного иммунитета. Тимусзависимая система оказывает также влияние на продукцию антител к отдельным формам антигенов.
В 1969 году английский иммунолог И. Ройт с соавторами обозначил тимусзависимые лимфоциты Т-клетками (первая буква обозначения «Thymus-derived» или «Thymus-dependent immunologically competent cells»), а костномозговые лимфоциты (эквивалент у млекопитающих бурсазависимых клеток птиц) — В-клетками (первая буква обозначения «Bone marrow-derived immunologically competent cells» от «Bursa-derived cells»). Одновременно с этим любые клетки с наследуемой антигенраспознающей способностью были обозначены как антиген-чувствительные клетки — ASC (Antigen-sensitive cells).
В эти же годы (начало 50-х — конец 60-х годов) стремительно накапливаются данные о роли макрофагов в иммунологических реакциях. Основные заключения, сформулированные на их основании, были следующими.
— Разные белковые антигены, уравненные по молекулярной массе и введенные животным, проявляют различную иммуногенную способность.
— Большинство поглощенного антигена клетками определяется в макрофагах, поглощенный антиген длительно сохраняется в этих клетках, им муногенность антигена, выделенного их макрофагов, существенно выше антигена, циркулирующего в крови.
— Макрофаги, поглотившие антиген, антитела не вырабатывают и не являются предшественниками антителообразующих клеток.
— Воздействия, стимулирующие поглощение антигена макрофагами, оказывают активирующее влияние на продукцию антител.
Более того, было доказано, что продуцентами антител являются плазматические клетки, однако эти клетки антиген не поглощают и его не содержат.
Несмотря на значительный прогресс в изучении клеточных основ иммунного ответа, механизмы выработки антител, связанные с взаимоисключающими функциями различных клеточных форм, оставались неизвестными. Они начали проясняться в середине-конце 60-х годов прошлого века. В значительной степени это стало возможным благодаря разработке ряда методов, обеспечивших возможность перехода качественного уровня исследований на количественный.
В 1962 г. американский иммунолог к радиобиолог Т. Makinodan с соавторами предложил метод культивирования иммунокомпетентных клеток в организме сингенного летально облученного реципиента. Облучение полностью подавляет иммунологические потенции реципиента, поэтому регистрируемые функции, например продукция антител, характеризуют только функциональную активность клеточного трансплантата. Поскольку реципиент и донор трансплантируемых клеток сингенны, иммунологические конфликты при такой постановке опыта исключаются. Разработанный метод культуры клеток in vivo позволяет определять зависимость функции от числа пересаженных клеток в норме и при различных воздействиях, от использования функционально различных клеточных субпопуляций и т.д. В 1966 г. в лаборатории трансплантаций, руководимой Р.В. Петровым, В.М. Манько модифицировал метод Мэйкинодана — в экспериментах одновременно использовались оппозитные линии мышей, характеризующиеся высокой и низкой антителообразующей активностью на иммунизацию одной и той же дозой одного и того же антигена. Это позволило вскрыть ряд важнейших количественных иммуногенетических закономерностей функционирования клеток в иммунном ответе на микробные антигены, заключить, что генетический контроль продукции антител реализуется на уровне клеточных популяций, содержащих иммунокомпетентные клетки. До работ Т. Мэйкинодана, в начале — середине 50-х годов XX века, закономерности продукции антител изучали в экспериментах с трансплантацией лимфоцитов новорожденным аллогенным крольчатам, неспособным к продукции антител вследствие несформированной иммунной системы. Однако, несмотря на ареактивность реципиентов, в аллогенной системе донор-реципиент трансплантируемые клетки подвергались супрессирующему эффекту аллогенной ингибиции, отсутствующей в сочетании сингенных пар донор-реципиент.
В 1963 г. датский иммунолог Ниле Ерне и А. Нордин разработали метод оценки в геле in vitro темолизинобразующей активности селезеночных клеток мышей, иммунизированных эритроцитарными антигенами. Метод позволяет количественно точно определять содержание продуцентов антител в анализируемой популяции клеток. Методология канадских исследователей обеспечивала возможность количественного определения in vitro предшественников антителообразующих клеток на серийных замороженных срезах селезенки мышей.
Были разработаны также методы индукции первичного иммунного ответа in vitro с использованием стимулируемых антигеном (обычно эритроциты барана) спленоцитов, культивируемых во вращающихся пробирках или в специальных сосудах на диализационной мембране.
Благодаря разработанной методологии рядом исследователей была показана возможность индукции иммунного ответа (см. ниже) не только in vivo, но и in vitro. Эффект индукции иммунного ответа обеспечивался результатами взаимодействия различных клеточных форм системы иммунитета. Основные результаты исследований взаимодействия лимфоцит-макрофаг были следующими.
1963 г. — индукция иммунного ответа в диффузионных камерах, помещенных в перитонеальную полость сублетально облученных крыс (500 Р) и содержащих фрагменты лимфатических узлов и бесклеточный экстракт макрофагов крыс, иммунизированных бактериофагом T2. Если в диффузионные камеры помещали только макрофагальный экстракт или фрагменты лимфатических узлов в смеси с фагом Т2, индукция иммунного ответа не происходила. Под влиянием РНКазы, которой обрабатывали макрофагальный экстракт, индукция иммунного ответа отменялась.
1965 г. — морфологическое описание взаимодействия макрофагов и лимфоцитов в культуре стимулированных антигеном селезеночных клеток кролика.
1967 г. — индукция выработки специфических антител у сублетально (550 Р), но не у летально (900 Р), облученных мышей с помощью перитонеальных макрофагов, инкубированных с антигенами шигелл. Введение сублетально облученным животным только антигена (без макрофагов) к индукции иммунного ответа не приводило. Считается, что этот эффект обусловлен взаимодействием макрофагов с лимфоцитами сублетально облученных животных, который сопровождается индукцией антителообразования.
1968 г. — индукция антителообразования in vitro в результате объединения прилипающей к пластику и неприлипающей фракций клеток селезенки, стимулируемых антигеном. Раздельно культивируемые фракции продукцию антител не индуцировали.
Открытие и разработка проблемы взаимодействия макрофаг-лимфоцит явились базовой основой совершенно нового этапа в иммунологии — проблемы взаимодействия функционально различных клеточных форм в иммунологических реакциях. Более того, они явились мощным стимулом дальнейшего развития клеточной иммунологии, показали необходимость исследования клеточных функций не только на клеточном, но и на молекулярном уровнях. Тем не менее, несмотря на огромную фундаментальную значимость обнаруженных фактов, проблема клеточных основ гуморального ответа оставалась неясной. Взаимодействие макрофаг-лимфоцит индуцировало иммунный ответ к поступающему в организм антигену, однако, как отмечалось выше, присутствие тимуса для проявления этого эффекта было обязательным. Его роль оставалась неустановленной.
1966 год открыл новым этап в развитии иммунологии. Американский иммунолог Генри Кламан с соавторами установил, что иммунный ответ может быть индуцирован в культуре in vivo в результате взаимодействия стимулируемых антигеном костномозговых и тимических клеток. Более того, оказалось, что такое взаимодействие носит кооперативный характер. Смесь стимулируемых клеток костного мозга и тимуса обеспечивала существенно более высокий иммунный ответ по сравнению с простой суммой ответов стимулируемых антигеном клеток костного мозга и тимуса. Данные, полученные Г. Кламаном и соавторами о кооперации костномозговых и тимических клеток, стали базовыми для дальнейшей разработки феномена. Английский иммунолог Энтони Дэвис с соавторами в 1967 году, австралийские иммунологи Дж. Миллер и Г. Митчелл в 1968 году и Н. Митчисон и соавторы в 1970 г. не только подтвердили заключения Г. Кламана о кооперации клеток, происходящих из тимуса (Т-лимфоциты) и из костного мозга (В-лимфоциты), но и установили роль в феномене каждой из клеточных популяций. Оказалось, что Т-лимфоциты функцией образования антител не обладают, но они являются вспомогательными клетками (хелперами) для продукции антител плазматическими клетками — продуктами созревающих В-лимфоцитов. Таким образом, было открыто не только явление кооперации в иммунном ответе T- и В-клеток, но и неизвестная ранее функция T-лимфоцитов — хелперная. В 1971 году Рихард Гершон и К. Кондо описали другую, альтернативную, функцию Т-лимфоцитов — супрессорную. Стала очевидной функциональная неоднородность лимфоидных клеток, взаимодействующих в формировании иммунного ответа. Это положило начало изучению клеточных субпопуляций и структурно-функционального строения системы иммунитета.
В 1969 году Р.В. Петров и А.А. Михайлова установили, что иммуноциты взаимодействуют не только при индукции иммунного ответа, но и на уровне зрелых продуцентов антител. Было показано, что в условиях совместного культивирования клеток лимфатических узлов, находящихся в продуктивном периоде продукции антител, с интактными клетками костного мозга синтез иммуноглобулинов увеличивается в 2-3 раза по сравнению с раздельно культивируемыми клеточными взвесями. Изучение механизмов открытого явления привело к открытию RB. Петровым и А.А. Михайловой миелопептидов — семейства молекул костномозгового происхождения, проявляющих широкий спектр регуляторного действия на систему иммунитета.
Несмотря на огромную роль, которую сыграли в развитии иммунологии открытия процессов взаимодействия макрофаг-лимфоцит и кооперации T- и В-лимфоцитов, они не описали полной картины процесса, ибо в случае взаимодействия лимфоцит-макрофаг была не учтена роль тимических клеток, а при взаимодействии T- и В-лимфоцитов оставалась неясной роль макрофагов. Ситуация прояснилась в 1969 году, когда независимо друг от друга RB. Петровым в России, И. Ройтом с соавт. и М. Беренбаумом в Англии и М. Рихтером в Канаде была сформулирована 3-клеточная система иммуногенеза. Было постулировано, что процесс иммуногенеза инициируют три клетки — макрофаг, костномозговой лимфоцит (В-клетка) и лимфоцит тимического происхождения (Т-клетка). Макрофаг поглощает и перерабатывает антиген, а кооперация стимулированных переработанным антигеном T- и В-лимфоцитов обеспечивает продукцию специфических антител к этому антигену клетками В-ряда (плазматическими) под влиянием вспомогательных T-лимфоцитов. 3-клеточнаая система иммуногенеза принята и в наши дни, она является базовой при изучении механизмов продукции антител.
В 1976 году американский иммунолог японского происхождения Сусуму Toнегава совместно с Н. Хозуми установил, что лимфоидные клетки в период их дифференцировки в центральных органах иммунитета содержат зародышевые гены, кодирующие процесс формирования антигенраспознающего рецептора T- и В-лимфоцитов включающего разные цепи суперсемейства иммуноглобулинов, включая их легкие и тяжелые цепи. Эти исследования экспериментально подтвердили теоретические предположения В. Дрейера и Дж, Беннетта, высказанные ими в 1965 году, о том, что строение иммуноглобулинов представляет собой исключение из общего правила «один ген — одна полипептидная цепь» и характеризуется правилом «два гена — одна полипептидная цепь». За исследования механизмов рекомбинации и открытие иммуноглобулиновых генов, кодирующих C-, V-, J- и D-регионы и обеспечивающих сборку антигенраспознающих рецепторов лимфоцитов, С. Тонегава был удостоен в 1978 году Нобелевской премии.