скачать книгу бесплатно
Дальше РНК-вирусы подразделяются на разновидности с позитивно и негативно-полярными нитями РНК. Для того чтобы начать свой инфекционный цикл, вирусы с позитивно-полярными нитями РНК доставляют РНК своих геномов непосредственно к рибосомам клеток. Вирусы с информационной РНК с позитивно-полярной нитью (mRNA) инфекционны, и в их числе такие, как полиомиелит. Вирусы же кори, гриппа, лихорадок Эбола и Ласса, напротив, имеют негативно-полярную нить РНК – их РНК неинфекционна. Они вынуждены начинать свой инфекционный цикл с транскрибирования (копирования) вирусных информационных РНК. Ферменты, переносимые инфицирующими вирусами в хозяйскую клетку, ускоряют этот процесс.
Каким бы ни был путь, как только вирусные геномы и белки сформированы, они образуют многочисленное потомство, которое, созрев, покидает пораженную клетку. Отдельные вирусы развили и «запатентовали» уникальные механизмы в этом процессе. Сформировавшись в созревшую частицу, вирусы принимают конкретную форму и достигают определенных размеров.
Существуют три различных пути того, как вирусы вызывают заболевания
. В первом случае вирус или его белки напрямую токсичны для клетки. При таком раскладе вирус убивает хозяйскую клетку. У некоторых вирусов этот процесс служит для высвобождения вирионов из клетки наружу в окружающее ее внешнее пространство. Другой метод позволяет вирусу сохранить клетку, но вместо ее уничтожения изменить ее функцию. Это означает, что синтез клеткой какого-то важного вещества либо снижается, либо повышается. К примеру, неопасная для жизни вирусная инфекция клетки, вырабатывающей гормон роста, может снизить уровень производства этого гормона инфицированной хозяйской клеткой. В результате хозяйский организм перестанет расти и нормально развиваться. Третий путь, посредством которого вирусное заражение может вызвать болезнь и ущерб здоровью, – это участие вируса в иммунном ответе хозяйского организма
. Как описано в главе 3, задача иммунного ответа на вирусную атаку заключается в избавлении инфицированных клеток от вирионов и выведении инфекционного вируса из крови и других жидкостей хозяйского организма. Идея в том, чтобы уничтожить фабрики, производящие новые вирусы, если повезет, до того, как завершится формирование инфекционного вирусного потомства. В следующей главе рассказывается, что специализированная составляющая иммунного ответа, так называемые цитотоксические CD8 T-клетки, способны распознавать на поверхности клетки части вирусных белков (пептидов) среди собственно хозяйских частиц (молекул I главного комплекса гистосовместимости) и убивать инфицированную клетку на ранней стадии инфекции, прежде чем завершится сборка инфекционных вирусных частиц. Кроме того, могут формироваться иммунные комплексы «вирус – антитело», оседая на стенках кровеносных сосудов или застревая в почках, что затем приводит к их повреждению. Таким образом, другой стороной иммунного ответа, обычно выполняющего защитные функции, может быть его разрушительный потенциал. Наука, изучающая такие процессы, называется иммунопатологией. Соотношение между защитными и разрушительными процессами в иммунной системе отвечает большей частью за клинические симптомы (то, что пациент ощущает или описывает) и клинические признаки (то, что обнаруживает врач), сопровождающие вирусную инфекцию.
Как вирусы были признаны опасными для здоровья? Хотя болезни, вызываемые вирусами, были известны еще в древности, сами вирусы были опознаны как отдельные носители инфекции лишь в конце 1890-х годов, после того как было признано существование бактерий и других паразитов.
Бактерии были открыты только в середине 1800-х годов, когда завершили работу первооткрыватели в этой области Луи Пастер, Роберт Кох и их коллеги: был разработан лабораторный процесс создания бактериологических культур, так что бактерии стало возможно выращивать в обогащенном агаре или бульоне, затем размещать на лабораторных стеклах, окрашивать и изучать под микроскопом. Бактерии задерживались фильтром с отверстиями-порами определенного размера, что позволяло вычислить величину каждой из них. После идентификации конкретные бактерии можно было связать с определенными болезненными состояниями. Именно во время работы по такой схеме и были обнаружены вирусы. В 1898 году Дмитрий Иосифович Ивановский
в России и Мартин Бейеринк
в Нидерландах продемонстрировали, что частицы вещества, вызывающего заболевание табачных растений, вместо того чтобы задерживаться в порах фильтра Пастера – Шамберлана, проходят через них, сохраняя при этом способность инфицировать (то есть эти частицы оказались меньше бактерий, которые задерживались фильтром). (Рисунок 2.2 и рисунок 2.3. на вклейке.) Исследователи обнаружили, что вещество, остававшееся в этом отфильтрованном растворимом осадке, каким-то образом могло развиваться на здоровых листьях табака, но не в питательной среде, используемой для выращивания бактерий. Это было первое сообщение о растительном вирусе – вирусе табачной мозаики. Фридрих Лёффлер и Пауль Фрош
в Германии аналогичным способом пришли к выводу, что возбудитель ящура у коров также не задерживался керамическими фильтрами и вызывал симптомы болезни у здорового до этого скота при введении его в их организм. В 1900 году первый вирус, инфицировавший человека, – вирус желтой лихорадки – был выделен на Кубе Уолтером Ридом и его сотрудниками (см. главу 5). Таким образом, Рид и его группа открыли первый фильтруемый вирус человека – первый переносимый насекомыми (комарами) вирус; впервые доказали существование вируса, циркулирующего в крови, и его передачу от человека к человеку. Эти наблюдения, вызывавшие множество споров в то время, создали основу для описания вирусов как субклеточных единиц, которые могут вызывать определенные повреждения тканей, что становится признаком конкретных заболеваний. Уникальность этого научного расследования становится еще более очевидной, если представить себе, что вирусы слишком малы, чтобы их можно было рассмотреть, и их невозможно было вырастить в существовавших тогда питательных средах. Визуализации вирусов пришлось ждать до начала использования электронных микроскопов в середине 1930-х годов, а вырастить в питательной среде живую клетку, необходимую для репликации вирусов, смогли только в конце 1940-х – начале 1950-х годов.
РИСУНОК 2.2. Разновидность фильтра Пастера – Шамберлана, присоединенного к ручной помпе, использовавшаяся в Институте Пастера к концу XIX века
Большинство вирусных инфекций считаются острыми заболеваниями. Это значит, что вирус-возбудитель проникает в организм, размножается в одной или нескольких тканях и распространяется локально либо с кровотоком, либо по нервам. За инкубационным периодом, длящимся от двух дней до двух-трех недель, следуют признаки и симптомы заболевания и местные или широкомасштабные повреждения тканей. Вирусы можно выделять из крови пациента (из плазмы или кровяных клеток) или выделений (назальных, респираторных, уринальных, фекальных и т. д.) очень недолго: непосредственно до или сразу после появления симптомов из перечисленных выше источников и из инфицированных тканей. После этого инфицированный либо выздоравливает – часто осчастливленный пожизненным иммунитетом к данному вирусу, – либо умирает во время острой фазы заболевания.
В отличие от острых, хронические заболевания характеризуются тем, что иммунный ответ не в состоянии полностью удалить вирусную инфекцию из организма, и оставшиеся в нем вирусы могут существовать месяцы и годы. Как в случае ВИЧ и гепатитных инфекций, инфекционные полноценные вирусы способны собираться в течение всей болезни, годами. Несмотря на то, что все компоненты иммунного ответа (антитела и T-клетки) генерируются в течение ВИЧ и гепатитных инфекций, а присутствие вирусов отслеживается, иммунная система инфицированного организма не в силах полностью ликвидировать инфекцию.
РИСУНОК 2.3. Вызванные вирусами инфекции отличаются друг от друга. Некоторые протекают в острой форме, как корь, грипп и желтая лихорадка; их исход – выздоровление или смерть – решается в пределах нескольких недель. Другие, такие как ВИЧ и вирус гепатита, вызывают инфекции, хронически протекающие в инфицированном человеческом организме годами или всю жизнь. Затемненная область на рисунке обозначает наличие вируса.
Во время этой хронической фазы составляющая иммунитета, отвечающая за генерацию T-клеток, ослабевает или совсем исчезает; то есть T-клетки истощаются и плохо функционируют. На рисунке 2.4 продемонстрирована разница между острой и хронической инфекциями. Что представляет собой иммунный ответ и как он борется с вирусами, описано в следующей главе.
Глава третья. Введение в основы иммунологии
Термин «иммунный» часто воспринимается неправильно. Для обычных людей «иммунитет» означает полное отсутствие каких-либо заболеваний. Тем не менее ученые-медики знают, что патоген может инфицировать хозяйский организм в такой мягкой форме, что не вызовет никаких серьезных последствий или угрозы жизни. На самом деле такая инфекция часто протекает без каких-либо видимых признаков. Таким образом, «иммунитет» обозначает некую систему в организме (иммунный ответ), которая, вместо того чтобы предотвращать инфекцию, дает возможность инфицированному объекту сопротивляться заболеванию.
Белки вирусов и бактерий, вызывающие иммунный ответ, называются «антигенами», или «иммуногенами», а «иммунитет» – долгосрочная защита от повторного заболевания, причиной которого являются конкретные вирусы или бактерии, – появляется в результате успешного иммунного ответа на эти антигены
. Подобным же образом вакцина стимулирует иммунный ответ, программируя его на предупреждение и сопротивление в будущем таким же патогенам, как и те, что используются в конкретной вакцине.
Эволюция иммунной системы была всегда направлена на борьбу со всевозможными многочисленными и разнообразнейшими инородными антигенами. Следствием проникновения вируса в организм и репликации в нем становится создание вирусных антигенов, которые в большинстве случаев вызывают в атакуемом организме иммунный ответ. Успешная работа иммунной системы определяет способность организма выживать. Помимо этого, иммунная система должна отличать чужеродные антигены, такие как вирусные белки, которые своими собственными не являются, от своих собственных белков (т. е. гормонов, таких как инсулин и клеточные белки, из которых состоят мышечные или нервные клетки).
После первоначального столкновения с вирусной инфекцией, во время острой фазы, начинается гонка между быстро реплицирующим вирусом и хозяйской иммунной системой, которая сперва стремится сократить количество создаваемых вирионов, а затем полностью очистить организм хозяина от вируса. На кону стоит, преуспеет ли вирус в своей репликации. Для борьбы с вирусом хозяйский организм мобилизует и использует множество средств – как специфическую, так и неспецифическую реакцию своей иммунной системы. Сначала в бой против вируса и инфицированных им клеток вступают неспецифические факторы. В эту группу входят природные убийцы: лимфоидные клетки, фагоцитные макрофаги (большие клетки, поглощающие или съедающие вирусы), а также белки в крови, называемые факторами комплемента, способные взаимодействовать с вирусами и уничтожать клетки. Чрезвычайно важна врожденная иммунная система, обеспечивающая начальную защиту от патогенов и стимулирующая последующую реакцию адаптивной иммунной системы. Главными игроками во врожденной иммунной системе являются толл-подобные рецепторы (TLR), распознающие различные микробные конфигурации и интерфероны I-типа (IFN), создаваемые в основном плазмоцитоидными дендритными клетками (DC)
. Эти две действующие силы дополняют друг друга и участвуют в создании последующей реакции адаптивной иммунной системы. К примеру, взаимодействие патогена с TLR может спровоцировать выделение IFN. Интерфероны I-типа являются ключевыми молекулами, которые усиливают и поддерживают реакцию T-клеток. Они активируют костимуляторные молекулы главного комплекса гистосовместимости на дендритных клетках – условие, необходимое для их оптимального взаимодействия с T-клетками, экспрессирующими на своей поверхности CD4
и CD8
T-клеток. Итак, подводя итог, после вирусной инфекции или вакцинации так называемые профессиональные антиген-представляющие клетки, главным образом DC-клетки, но также и B-клетки, и макрофаги, осуществляют процессинг вирусных белков (антигенов), до коротких участков, называемых пептидами, и представляют их на своей поверхности, упакованными в гликопротеины главного комплекса гистосовместимости (MHC). В случае вирусной инфекции образующиеся внутриклеточно пептидные АГ связываются с молекулами MHC I класса, которые представляют их T-клеткам. Это действие обозначается как предварительная иммунизация и буквально подготавливает инфицированного к сопротивлению болезни. Внешний путь, или путь MHC II класса, в основном используется для обработки бактерий и токсинов. При должной стимуляции антиген-представляющие клетки (главным образом DC-клетки) выставляют на своей поверхности костимулирующие молекулы, такие как B7.1 и B7.2, и производят субстанции (цитокины), активирующие T-клетки, чтобы обеспечить иммунный ответ, который, в свою очередь, ликвидирует внедряющиеся вирусы, уничтожая клетки, в которых эти патогены размножаются. Эффективность антивирусного иммунного ответа напрямую коррелирует с величиной и мощностью реакции адаптивной иммунной системы и появляющейся в результате этого памятью, предотвращающей дальнейшее пагубное воздействие данного конкретного вируса. Вся сила иммунного ответа, следующего за инфекцией или вакцинацией, отражает соотношение между теми факторами (цитокинами), которые усиливают реакцию иммунной системы (провоспалительные цитокины), и теми молекулами организма-хозяина, которые служат для снижения силы или нивелирования иммунного ответа (антивоспалительные цитокины). Факторы, нивелирующие или подавляющие иммунитет (такие молекулы, как интерлейкин-10, запрограммированная смерть-1 [PD-1], и т. д.
и T-регуляторные клетки), представляют защитный механизм хозяина для предотвращения избыточного иммунного ответа, который может нанести урон организму. И все же некоторые вирусы научились использовать ситуацию в свою пользу; они нашли способ стимулировать продукцию подавляющих иммунную реакцию молекул, тем самым подавляя мощность иммунного ответа, необходимую для очищения организма от инфекции. Это приводит к тому, что обычно эффективные цитотоксические T-клетки хозяйского организма перестают адекватно функционировать, истощаются и не могут справиться с вирусной инфекцией. Тогда вирусы могут продолжать существовать в хозяйском организме в виде хронической устойчивой инфекции. Как описывается в главе 16 на примере ВИЧ, эти иммуноподавляющие молекулы, найденные при помощи экспериментальной модели животного вируса лимфоцитарного хориоменингита
, обнаруживаются у пациентов с ВИЧ и другими устойчивыми вирусными инфекциями и различными видами рака. Одна из используемых сейчас терапевтических стратегий заключается в блокаде или нейтрализации таких иммуноподавляющих молекул в надежде на то, что ослабевшие T-клетки восстановят свои функции и смогут бороться с хроническими вирусными инфекциями и элиминировать дефектные или зараженные клетки. Важно отметить, что подобный сценарий был позднее применен для борьбы с несколькими видами рака человека. Восстановление функционирования истощенных антираковых цитотоксических T-клеток при помощи блокирования иммуноподавляющих молекул антителами называется иммунотерапией рака
. В 2018 году Тасуко Хоньо (за работы по изучению молекул PD-1) и Джим Эллисон (за изучение CTLA4)
получили Нобелевскую премию по медицине за применение в раковой иммунотерапии блокады антителами молекул PD-1, цитотоксического T-лимфоцит-связанного а – 4 (CTLA4) и других иммуноподавляющих молекул
. Эти молекулы являются рецепторами и участвуют в функционировании цитотоксических T-клеток, или T-киллеров, подавляя их и не давая им атаковать раковые клетки или клетки, зараженные вирусом. Как указывается в последующих главах, некоторые вирусы способны вызывать рак; в действительности, примерно 20 % всех онкологических заболеваний связаны с вирусными инфекциями (ВИЧ – саркома Капоши, агрессивная B-клеточная неходжкинская лимфома; вирусы гепатита В и С – аденокарцинома печени; папилломавирус – рак полового члена и шейки матки; вирус Эпштейна – Барр – назофарингеальный рак, лимфома Буркитта, лимфома Ходжкина, некоторые случаи рака желудка и т. д.).
Главными силами в сражении с вирусами являются антитела и T-лимфоциты. Для борьбы с вирусами оспы, кори, желтой лихорадки, полиомиелита, геморрагической лихорадки и гриппа антитела, CD4
Т-клетки и цитотоксические CD8
T-лимфоциты генерируют специфическую иммунную реакцию на вирусные антигены, очищая хозяйский организм от инфицирующего его вируса и уничтожая инфекцию в организме выживших. Таким образом, и антитела, и T-клетки участвуют в иммунном ответе инфицируемого хозяина на конкретный вирус.
Четко определить, кто победит в гонке между вирусом и организмом-хозяином, часто можно менее, чем за 10–14 дней. Если побеждает иммунный ответ, вирусы элиминированы и инфицированный субъект выживает, часто получив стойкий иммунитет к данному вирусу. Однако если иммунная системаповержена, острая фаза заболевания либо приводит к смерти хозяина, либо переходит в устойчивую хроническую форму. Во время хронической устойчивой инфекции сроки заболевания увеличиваются и непрерывная репликация вируса может продолжаться, несмотря на реакцию иммунной системы, которая в данной ситуации по определению не положила и уже не может положить конец инфекции или ликвидировать вирус. В отличие от относительно короткого протекания острой формы инфекционного заболевания, этот долгосрочный сценарий разыгрывается, например, при ВИЧ и гепатитных инфекциях.
Инфекция ВИЧ развивается следующим образом: вскоре после того, как она проникает в хозяйскую клетку и реплицирует там, цитотоксические CD8
T-лимфоциты генерируют мощный иммунный ответ; эта реакция коррелирует непосредственно с уменьшением вирусной нагрузки на инфицируемый организм. Производятся также и антитела, нейтрализующие инфекцию, хотя, как и при многих инфекционных заболеваниях, эта иммунная реакция появляется большей частью только после снижения вирусной нагрузки. Ключевым словом здесь является «снижение», но не полная элиминация, так как даже объединенные энергичные усилия CTL и антител не в состоянии прекратить ВИЧ-инфекцию. Вместо этого, анти-ВИЧ лимфоциты, так же, как и анти-ВИЧ антитела, теперь сосуществуют с вирусом. На поздней стадии ВИЧ-инфекции цитотоксические лимфоциты, направленные против ВИЧ, теряют свою эффективность, вирусная нагрузка на организм увеличивается, и пациент оказывается на пороге смерти. Значительное снижение активности этих лимфоцитов на поздней стадии ВИЧ-инфекции происходит, скорее всего, из-за увеличивающейся потери клеток-помощников CD4
T-лимфоцитов. Эти клетки необходимы для поддержания активности CTL продолжительное время. Помимо всего вышеперечисленного, снижение активности лимфоцитов происходит из-за появления новых штаммов вируса, которые им не удается распознать. В противовес хроническим, острые инфекции провоцируют мощную реакцию иммунной системы, при которой лимфоциты и антитела удаляют из организма вирус полностью.
Вакцинация – это медицинская стратегия, призванная стимулировать иммунную систему на защиту от конкретного болезнетворного микроорганизма до столкновения с этой инфекцией в реальной жизни. В действительности она подготавливает составляющие иммунной системы к немедленному запрограммированному ответу на вирусную инфекцию, когда организм хозяина впервые ей подвергнется
. Провокация реакции иммунной системы таким способом до возникновения настоящей вирусной инфекции создает своего рода «проект» иммунологической памяти, так что клетки, участвующие в потенциальном антивирусном иммунном ответе, стимулированы и находятся в боевой готовности. При столкновении с полноценным инфекционным вирусом эти простимулированные клетки реагируют на него быстро и с бо?льшей интенсивностью, чем клетки не простимулированные, усиливая этим способность хозяина бороться с инфекцией и контролировать ее.
Исторически разработка противовирусных вакцин проходила по трем направлениям. Первый путь использует «живые» вирусы». Их приготавливают, пропуская вирусы через лабораторных животных (вводя их путем инъекций в организм подопытных животных, а затем снова выделяя) и тканевые культуры, или только культуры клеток, что снижает патогенность вируса для человека. Этот процесс, известный как аттенуация (ослабление), приводит к появлению нового штамма вируса с достаточным потенциалом для того, чтобы вызвать реакцию иммунной системы, но не болезнь. Ослабленный вирус затем проверяется на подопытных животных, а после этого – на волонтерах, чтобы убедиться в его безопасности и способности создавать иммунитет, то есть эффективности. Такой метод был использован при успешной разработке действенных вакцин против оспы, кори, желтой лихорадки и вакцины Сейбина от полиомиелита. Второй путь – это подавление активности опасного вируса, по сути его убийство, при помощи какого-нибудь химиката, например формалина. Затем убитый вирус проверяют на способность вызывать иммунный ответ. Вакцина Солка от вируса полиомиелита – удачный пример такого подхода. Третья опция – создание вирусной субъединицы, рекомбинанта, или ДНК-вакцины. Удачным примером такой вакцины является рекомбинантная вакцина против гепатита B; другие субъединицы и ДНК-вакцины в настоящее время подвергаются экспериментальной проверке.
Клетки реагируют на живые и убитые вирусы по-разному. Преобразование вирусных антигенов клетками идет двумя различными путями, а именно MHC I класса и MHC II класса
. При использовании пути I класса антигены живых реплицирующих вирусов (опасных, вирулентных, или ослабленных) разбиваются внутри клеток на пептиды. В соответствии с несколькими физико-химическими параметрами некоторые из этих антигенных пептидов прикрепляются к бороздкам внутри гликопротеинов хозяйского MHC I класса, затем переносятся на поверхность клеток и ждут там, когда их распознают CTL T-лимфоциты, реагирующие при помощи CD8-рецепторов. При использовании второго пути, II класса, клетки главным образом имеют дело с антигенами, изначально находящимися снаружи. Эти антигены (обычно убитые вирусы или токсины) проникают в клетку посредством фагоцитоза (эндоцитоза), и антиген разбивается на пептиды внутри везикул (наполненных жидкостью пузырьков), где они затем прикрепляются к гликопротеинам хозяйского MHC II класса. Этот комплекс затем представляется на поверхности клетки в ожидании распознавания, в основном, CD4
T-клетками. Подводя итог, место, где происходит процессинг антигена, является ключевым моментом. Вирусные гены, синтезируемые внутри клеток, присоединяются к белкам MHC I класса, в то время как те, что захватываются снаружи клеток, прикрепляются к белкам MHC II класса. Эта классификация небезупречна из-за процесса, называемого примированием перекрестно-реагирующим антигеном, но в качестве обобщающей она достаточно точна. Вакцины, приготовленные на основе убитых вирусов, не всегда вызывают активную реакцию CD8
T-клеток, а иммунитет, полученный с их помощью, не настолько длителен и стоек, как от вакцин на базе ослабленных живых вирусов.
Что представляют собой CD8
и CD4
T-клетки? Литера Т означает, что они выделены из тимуса, а обозначения CD8
или CD4
указывают на определенные молекулы на поверхности клеток. Лимфоциты, рожденные в костном мозге (кроветворные стволовые клетки), переносятся к тимусу и проникают в него. Внутри железы они получают «иммунное обучение» (созревают), затем проходят отбор и становятся либо клетками CD8
, либо CD4
. (Термины «T-клетки» и «T-лимфоциты» взаимозаменяемы.) Клетки CD8
функционируют как клетки-наблюдатели и клетки-убийцы, отсюда и их название «цитотоксические T-лимфоциты» (CTL). Они путешествуют по кровеносным сосудам и странствуют среди тканей по всему телу, выискивая чужеродные (не свои) клетки, с представленными вирусными белками на поверхности или подвергшиеся раковой трансформации. Обнаружив такие клетки, CD8
T-лимфоциты атакуют и уничтожают их. CD8
T-лимфоциты также испускают цитокины, такие, как интерферон-гамма (IFN-гамма) и фактор некроза опухолей альфа (ФНО-альфа), которые, обладая антивирусным действием, зараженные вирусом клетки не убивают
. T-клетки CD4
обычно играют другую роль: они высвобождают белки, которые помогают произведенным в костном мозге (но не получившим в тимусе иммунного «обучения») В-лимфоцитам дифференцироваться и производить антитела. CD4+ T-лимфоциты также помогают CD8
T-лимфоцитам и макрофагам в выборе их назначения
. Вдобавок CD4
T-клетки выделяют цитокины, которые тоже участвуют в избавлении от вирусной инфекции
. В некоторых случаях CD4
T-клетки могут участвовать в уничтожении инфицированных вирусом клеток.
T-лимфоциты используют свои рецепторы на поверхности клетки для взаимодействия с белковыми фрагментами или пептидами вирусных антигенов, прикрепленными к MHC на поверхности инфицированных клеток. Эти белки MHC в действительности переносят вирусные пептиды на поверхность клеток. Таким образом, T-лимфоциты ищут чужеродные антигены (в данном случае вирусные антигены – пептиды, произведенные из вирусного антигена) на поверхности зараженных клеток, на которых данный вирус паразитирует. Цитотоксические T-клетки, опознав инфицированную клетку как «чужеродную» (содержащую вирус), активируются и немедленно уничтожают зараженную клетку и/или высвобождают хемокины и цитокины, предупреждающие об опасности и вооружающие другие клетки организма хозяина на борьбу с вирусом. Кроме того, некоторые из этих цитокинов способны непосредственно препятствовать репликации вирусов. Такими средствами распространение вируса ингибируется, и очаг инфекции ликвидируется.
Иммунный ответ антител и цитотоксических T-клеток зависит от количества лимфоцитов, которые производятся кроветворными стволовыми клетками во время процесса образования крови. Антитела и CTL представляют две составляющие специфических реакций иммунной системы на антигены; оба они играют важную роль в борьбе с инфекцией. На самом деле вся иммунная система обладает врожденной гибкостью, благодаря которой соответствующий вклад каждой из ее составляющих варьируется в зависимости от природы инфицирующего вируса. Антитела в основном воздействуют на вирусы в жидкостных средах тела, и, соответственно, наиболее эффективно ограничивают их распространение в крови или цереброспинальных жидкостях, которые омывают головной и спинной мозг. Посредством этого антитела уменьшают содержание вирусов и снижают их способность инфицировать клетки, а следовательно, и количество зараженных клеток. Однако уничтожение инфицированных вирусом клеток и их удаление из организма – дело главным образом CTL. Расправляясь с инфицированными клетками, T-лимфоциты ликвидируют производство вирусного потомства. По мере того, как число вирионов сокращается, работа антител становится проще.
Прежде чем продолжить рассказ о T-лимфоцитах, я сделаю отступление, чтобы описать антитела, которые являются большими белковыми молекулами. Антитела производятся В-лимфоцитами, названными так из-за их источника – костного мозга
. В-клетки – это малые лимфоциты, находящиеся в состоянии покоя, с ядром, которое практически заполняет всю клетку; цитоплазмы в них незначительное количество. Когда вирус или вирусный антиген встречается со специфическим лимфоцитом с заранее подготовленным рецептором для антитела, которое соответствует белковой структуре вируса, В-лимфоцит получает стимул к делению, и количество цитоплазмы, заполняющей объем клетки, увеличивается, то есть В-лимфоцит дифференцировался в плазматическую клетку. В увеличившейся в объеме цитоплазме начинают производиться и немедленно отправляться в бой антитела, сконструированные для воздействия на тот самый вирус, который дал толчок к их секреции. Один-единственный В-лимфоцит в состоянии выпустить 100 миллионов антивирусных антител в час.
Антитела захватывают и нейтрализуют вирусы, используя один из нескольких механизмов
:
1) антитела могут предотвратить заражение, обволакивая внешний шиповидный белок вируса, который закрепляется на рецепторе клетки и дает возможность вирусу проникнуть внутрь;
2) антитела могут собрать вирусы вместе, в комок, так что количество нетто инфекционных частиц сократится;
3) с помощью комплемента/подкрепления – группы белков в крови – антитела могут лизировать (разрушать) вирусы
; и
4) антитела могут воздействовать на вирусные антигены на внешней мембране инфицированной клетки, чтобы ограничить производство или транскрипцию вирусных молекул внутри клетки, а следовательно, сократить количество создаваемых вирусов
.
Каждая молекула антитела воздействует на конкретный антиген или определенную вирусную молекулу-мишень. С помощью генов, дающих указания синтезу разнообразных антител, организм-хозяин может синтезировать их миллиарды. Развитие и поддержание в рабочем состоянии антивирусных антител и T-клеток происходило для того, чтобы они действовали согласованно для сдерживания вирусных инфекций. Однако при определенных вирусных заболеваниях (корь, грипп, ВИЧ, и т. д.) основная роль ложится на T-клетки, тогда как при взаимодействии с семейством энтеровирусов (полиомиелит, вирусы Коксаки) главная роль оказывается у антител. Трансфер антител может ограничить развитие текущей инфекции, например, при ВИЧ
. Это происходит, вероятнее всего, следующим образом. Во время инфекций с высокой вирусной нагрузкой на организм-хозяин вирус истощает антивирусные T-клетки. Применение антивирусных антител снижает вирусную нагрузку, тем самым восстанавливая функционирование T-клеток (облегчение истощенного состояния). После этого функционирующие антивирусные T-клетки могут уничтожить клетки-фабрики, реплицирующие вирус.
Теперь, возвращаясь к T-клеткам, следует отметить, что CD4
T-лимфоциты в некоторых особых случаях также действуют как цитотоксические клетки. И наоборот, хотя их основная роль – распознавать и уничтожать зараженные вирусом клетки, CD8
-клетки могут высвобождать растворимые молекулы, поэтому они обладают функцией хелперов/индукторов. В тканевой культуре одна клетка CD8
T-лимфоцита может убить до 10 и даже больше инфицированных вирусом клеток, захватив зараженную клетку и растворив ее, а затем, перейдя к следующей инфицированной клетке, повторить процесс и т. д. (Рисунок 3.1.) Далее в организме живых подопытных животных один CD8
T-лимфоцит, как показало наблюдение, единовременно связывал и разрушал до трех зараженных клеток-мишеней
. При этом очень важно то, что эти T-лимфоциты могут распознавать вирусные пептиды на инфицированных клетках прежде, чем закончится сборка вируса, и эффективно и быстро уничтожать эти клетки до образования вирионов.
РИСУНОК 3.1. Стадии уничтожения инфицированной вирусом клетки Т-лимфоцитами (a – c): (а) стрелка указывает на Т-лимфоцит, прикрепившийся к зараженной клетке; (с) инфицированная вирусом клетка сжалась, на ней появились волдыри или вздутия, и она погибла. Все эти стадии проходят менее, чем за две минуты. Бар, 14 мк; (d – f) прикрепление Т-лимфоцита к клетке-мишени, которую лимфоциты уничтожить не могут. Продолжительность всего процесса от (d) до (f) – более 30 минут. Бар, 8 мк. Микрофотография Клауса Хана и Майкла Б. А. Олдстоуна.
Когда организм впервые сталкивается с инфицирующим его вирусом или подвергается воздействию вакцины, содержащей вирусные антигены, он генерирует специфические антитела, а также цитотоксические лимфоциты, реагирующие именно на этот вирус. (Рисунок 3.2.) Реакция CTL-лимфоцитов начинается в первый день заражения и увеличивается в 10
–10
раз посредством удвоения примерно каждые 12 часов; пик роста достигается на седьмой-восьмой день после заражения.
РИСУНОК 3.2. С помощью дополнительных белков (протеинов) в крови или без них антитела могут обволакивать вирусы: (а) антитело воздействует на коронавирус, собирая вирусные части вместе в один ком; (в) антитело при помощи комплементарных агентов немедленно разрушает вирус; (с, вверху) ретровирус, (с, внизу) аренавирус. В процессе разрушения ретровируса в нем образуются дыры (стрелки на рисунке), однако лизис (разрушение/растворение) аренавируса запускает цепочку событий, которые в конечном итоге приводят к выходу вирусных нуклеиновых кислот во внешнее по отношению к вирусу пространство и за пределы защитной вирусной оболочки. Микрофотография из лаборатории Майкла Б. А. Олдстоуна
После этого количество клеток сокращается и удерживается на уровне 1–2 % всех генерируемых; такие клетки превращаются в клетки иммунной памяти
. Пик реакции антител наступает после реакции CTL-лимфоцитов, и чаще всего наиболее действенные антитела, нейтрализующие вирус, появляются на поздней стадии инфекции, обычно после того, как распространение вируса уже ограничено. Тем не менее сейчас такие антитела, особенно те, которые обладают широким диапазоном нейтрализующего вирусы действия (антитела широкого диапазона реагирования), представляют интерес из-за вирусных структур, которые они узнают. Для создания вакцин, предотвращающих начало инфекций, возбудителями которых являются быстро мутирующие и образующие квазивиды вирусы, нужна генерация антител с широким диапазоном нейтрализации. Примерами таких вирусов являются ВИЧ, против которого вакцины еще нет, и грипп, вакцины от которого эффективны лишь на 70 % или менее того
. Важно отметить, что при помощи молекулярных технологий можно создавать антитела in vitro (лат. «в пробирке»), используя библиотеки бактериофагов
. Несвязанные или свободные антитела сложно обнаружить во время острой фазы заболевания: их количество возрастает в течение двух-четырех недель после заражения, и они остаются в организме годами. В-клетки, так же как и T-клетки, могут становиться клетками иммунной памяти, те из них, конечно, которые побывали в контакте с конкретным вирусом. Такие CD8
T-лимфоциты и B-клетки иммунной памяти (или их антитела) часто существуют на протяжении всей жизни организма-хозяина и защищают его от повторного инфицирования тем же вирусом
. Такое происходит в организме поправившихся после вирусной инфекции оспы, кори, желтой лихорадки, полиомиелита или геморрагической лихорадки.
Когда вирусная инфекция, такая как ВИЧ, затягивается, значит иммунный ответ не справился с ликвидацией вируса. Гены, которыми обладают все вирусы, несут одну из двух главных функций. Одна группа генов гарантирует репликацию вирусного потомства. Она кодирует белки, защищающие вирусы от жестких тяжелых условий при переносе от одного организма-хозяина к другому; иными словами, геены защищают вирус, когда он проходит через внешнюю окружающую среду. Кодируются также вирусные белки, которые связывают вирус с рецепторами на клетках, способствуют проникновению вируса внутрь клетки, обеспечивают соответствующее оповещение его к началу репликации, сборки и выходу вирусного потомства из клетки, на которой он паразитирует. Среди главных целей второй группы генов – модуляция иммунной системы организма-хозяина. С помощью таких методов вирус может манипулировать нормальной работой иммунной системы, чтобы избежать отслеживания и уничтожения как его самого, так и инфицируемых им клеток. Результатом становится устойчивость существования вирусов в живом организме-хозяине.
Прорывом в изучении иммунной реакции на вирусы, инфицирующие только человека, при котором используется экспериментальная мышиная модель, стало создание человеческой иммунной системы в организме мыши – так называемой очеловеченной (гуманизированной) мыши. Такие гуманизированные мыши могут дать ответы на вопросы, необходимые для изучения человеческого организма (например, использование такого вируса, как ВИЧ, для инфицирования человека) и на которые нельзя ответить при помощи других экспериментальных моделей. Организм таких лабораторных мышей подвергается генетической манипуляции, в результате которой их иммунная система перестает вырабатывать мышиные T- и В-клетки. А затем им трансплантируют эмбриональную иммунную систему человека
.
Часть II. История успеха
Глава четвертая. Оспа: влияние на геополитику
Оспа, убившая почти 300 миллионов людей только в XX веке, – в три раза больше, чем погибло за все войны этого века, – наконец уничтожена
. Это глава о болезни, наводившей страх на весь мир, о ее ликвидации и о том, может ли она вернуться и снова вызвать смуту и разорение. Вот два самых интересных комментария к этому крупному достижению человечества в избавлении нашей планеты от оспы: во-первых, как 200 лет назад, так и в недавнем прошлом на пути к ее искоренению возникало значительное сопротивление; во-вторых, существуют серьезные разногласия по поводу возможности возвращения оспы и по поводу того, что следует предпринять в таком случае.
11 сентября 2001 года изменило Америку и весь мир. Заговор с целью намеренно направить два коммерческих самолета на столкновение с башнями-близнецами Всемирного торгового центра на Манхэттене указал всем странам земного шара на их уязвимость перед фанатиками, ценящими смерть дороже жизни и не считающимися с ни в чем не повинным гражданским населением. Еще раньше были устроены взрывы террористами-смертниками, и этот сценарий продолжает разыгрываться на Ближнем Востоке, в Африке, Азии и Европе.
С пониманием того, что нападения террористов-смертников могут стать причиной гибели большого числа людей, пришел страх перед биологическим терроризмом. Из нескольких имеющихся биологических возбудителей инфекции вирус оспы стоит если не наверху списка, то близко к его началу. Этот вирус прошел полевые испытания и доказал свою эффективность еще в конце 1700-х годов в битвах между французами и англичанами, известных в США как Война между французами и индейцами; затем во время Американской революции (Войны за независимость); и еще позднее – во Вторую мировую войну
