Клеточный уровень
Клетки адаптивной иммунной системы могут быть разделены на две основные группы на основе их происхождения и функциональных различий, в частности, по способности к распознаванию антигенов.
Первая группа – это лимфоциты К ним относятся Т- и В-лимфоциты разной степени зрелости, включая плазматические клетки, и так называемые нулевые лимфоциты, к которым относятся натуральные киллеры – NK-клетки, которые, несмотря на лимфоидное происхождение, по большинству свойств принадлежат к системе врожденного иммунитета (см. раздел «Клетки врожденного иммунитета и их функции»). Кроме того, существует еще две субпопуляции лимфоцитов – NKТ-клетки и γδТ-лимфоциты. Они обладают сочетанными характеристиками клеток врожденного и адаптивного иммунитета, и поэтому в настоящем учебнике выделены в отдельную группу – «Специализированные лимфоциты».
Вторая группа – антигенпредставляющие клетки (макрофаги, дендритные клетки, В-лимфоциты). Хотя по большинству свойств макрофаги и дендритные клетки относятся к клеткам врожденного иммунитета, без их участия невозможна индукция адаптивного иммунного ответа на большинство чужеродных антигенов.
Кроме того, большую роль в созревании и регуляции функций лимфоцитов играют клетки микроокружения, в первую очередь – клетки стромы лимфоидных органов (клетки эпителия и фибробласты, синтезирующие коллагеновые и эластиновые волокна).
Лимфоциты
В организме взрослого здорового человека содержится около 1013 лимфоцитов, т.е. примерно каждая 10-я клетка тела – лимфоцит.
Все лимфоциты имеют общий источник – лимфоидную стволовую клетку, которая образуется из полипотентной стволовой клетки, и проходит начальные этапы развития в костном мозге (в эмбриональном периоде – в желточном мешке и печени). Лимфоциты представляют собой округлые клетки диаметром 7-9 мкм с круглым или бобовидным ядром и узкой цитоплазмой, бедной цитоплазматическими гранулами.
При своем формировании в центральных лимфоидных органах эти клетки проходят особый, только им присущий этап: на определенной стадии развития на поверхности лимфоцитов появляются рецепторы для распознавания антигена. На каждой клетке образуется уникальные по специфичности рецепторы, передающиеся дочерним клеткам. В результате возникают клоны лимфоцитов (клон – это потомство одной клетки), отличающиеся по специфичности рецепторов. Каждый клон «узнает» единственный антиген, а все клоны лимфоцитов в совокупности «узнают» все возможные антигены. Затем следуют процессы селекции клонов, которые приводят к сохранению клонов, рестриктированных по антигенам МНС, с последующим уничтожением аутореактивных (т.е. потенциально агрессивных в отношении собственных тканей) клонов. В результате сохраняются лишь те клоны лимфоцитов, которые способны распознавать чужеродные антигены.
Созревшие клетки со сформированными рецепторами и функциями расселяются в периферических лимфоидных органах. В отсутствие контакта с антигенами лимфоциты представляют собой покоящиеся клетки: они не делятся, не секретируют активных продуктов, их метаболическая активность минимальна. Для их окончательного созревания в норме требуется поступление извне или образование внутри (вследствие патологического процесса) антигенов. Лимфоциты, распознавшие антиген и прошедшие ряд этапов антигензависимой дифференцировки, превращаются в клетки-эффекторы, которые являются конечными стадиями их развития и осуществляют адаптивный иммунный ответ против данного антигена.
Представление о том, что специфичность антител предопределена существованием клонов лимфоцитов, легла в основу клонально-селекционной теории иммунитета Ф. Бернета. Эта теория в настоящее время является общепризнанной и подтверждается всеми современными данными молекулярной биологии, биохимии и молекулярной иммунологии.
Центральная аксиома теории Ф. Бернета гласит: «отличать свое от чужого – главное условие жизни». Теория селекции клонов Ф. Бернета основана на 4 основных постулатах:
Обширность популяции лимфоидных клеток.
Гетерогенность популяции лимфоидных клеток.
Малое количество антигена стимулирует клон лимфоцитов к размножению, дифференцировке в плазмоциты и последующей продукции антител против данного антигена.
Большой избыток антигена не вызывает иммунного ответа, а приводит к гибели (или анергии) соответствующего клона лимфоцитов.
Клонально-селекционная теория предполагает, что в организме до всякого контакта с антигеном предсуществует очень большой набор различных по специфичности лимфоцитов. Лимфоциты одной определенной антигенной специфичности формируют клон. Весьма существенным является то, что клонированность лимфоцитов генетически детерминирована, то есть до взаимодействия с антигенами в процессе формирования адаптивной иммунной системы образуется количество клонов, обеспечивающих иммунный ответ на все известные антигены, причем даже на синтезированные и ранее в природе не существовавшие. Согласно сути этой теории, антиген выступает лишь в качестве фактора отбора и единственная его функция заключается в том, что своим присутствием он включает в размножение и дифференцировку только те клоны лимфоцитов, которые специфически распознали соответствующие им антигены. Это приводит к последующему синтезу соответствующих по специфичности иммуноглобулинов.
При попадании в организм антигена на него специфически реагирует (при контакте антигенраспознающего рецептора лимфоцита с антигенной детерминантой) только один клон лимфоцитов. В процессе этого контакта (распознавания) лимфоцит получает от антигена первый – специфический сигнал. Получение этого сигнала является необходимым, но недостаточным условием ответа данного лимфоцита на антиген. Необходим еще второй – пролиферативно-дифференцировочный сигнал. Этот сигнал, как правило, лимфоцит получает от других иммунокомпетентных клеток (Т-хелперов), участвующих в кооперации в процессе распознавания антигена. Получив два этих сигнала, лимфоцит вступает в пролиферацию и дифференцировку. В результате, на 5-7 день формируется многочисленный пул зрелых дифференцированных лимфоцитов, осуществляющих определенную реакцию против данного антигена (синтез антител, цитотоксические реакции и др.). Указанная последовательность событий лежит в основе антигензависимой дифференцировки лимфоцитов и является проявлением клональной селекции.
Схема, иллюстрирующая процесс клональной селекции при антигензависимой дифференцировке В-лимфоцитов, приведена на рис. 16.
Гипотетические построения, касающиеся феномена иммунологической специфичности, помимо селективной теории, нашли отражение в инструктивных теориях.
Рисунок 16. Клональная селекция в процессе антигензависимой дифференцировки В-лимфоцитов
Инструктивные теории признавали ведущую роль антигена в формировании иммунных реакций определенной специфичности. При этом считалось, что антиген является матрицей, по которой синтезируются антитела. Согласно этой теории, иммунокомпетентные клетки синтезируют иммуноглобулины с идентичной последовательностью аминокислотных остатков, т.е. все антитела в организме исходно одинаковы. При контактах с разными антигенами антитела приобретают различия в пространственной структуре «приспосабливаясь» по форме к молекуле антигена. Это противоречит данным молекулярной биологии и биохимии о том, что специфичность белка строго закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК в хромосоме, а третичная структура белковой молекулы определяется главным образом ее первичной структурой и не может существенным образом свободно меняться под влиянием факторов внешней среды без нарушения или полной потери функции.
В настоящее время инструктивные теории иммунитета имеют, в основном, лишь исторический интерес.
Т-лимфоциты. Название этих клеток определило то, что ключевые этапы их созревания и формирования клонов осуществляются в тимусе. Это самая многочисленная популяция клеток адаптивной иммунной системы, они составляют 60-80% всех лимфоцитов крови и лимфатических узлов, содержатся во всех тканях организма. Данный тип клеток – основной участник клеточной формы реагирования.
Т-лимфоциты распознают чужеродные клетки с помощью антигенраспознающих Т-клеточных рецепторов, или ТКР, экспрессирующихся на их поверхности. Т-лимфоциты способны распознавать не свободный антиген как таковой, а «измененное свое» - фрагменты антигена (Т-клеточные эпитопы), ассоциированные со специализированными молекулами поверхности клеток организма – молекулами главного комплекса гистосовместимости (МНС, от англ. Major Нistocompatibility Сomplex). Молекула МНС служит как бы эталоном «своего», и все отклонения от эталона распознаются рецепторами Т-лимфоцитов. В результате распознавания Т-клетки активируются и дифференцируются в эффекторные CD8+ цитотоксические Т-лимфоциты (киллеры), два основных типа CD4+ хелперов (Тх1 и Тх2) и CD4+ регуляторные Т-лимфоциты.
В-лимфоциты составляют вторую основную популяцию лимфоцитов. Основная эффекторная функция этих клеток – участие в формировании гуморального адаптивного иммунного ответа, состоящего в выработке антител, способных связать и нейтрализовать антигены, проникшие в организм.
В-лимфоцит проходит созревание в костном мозге, где на его поверхности формируются иммуноглобулиновые рецепторы для антигенов. Антигенраспознающий рецептор В-лимфоцитов обозначается как ВКР (B – клеточный рецептор). Его основой является молекула иммуноглобулина, встроенная в плазматическую мембрану В-лимфоцита (поверхностные иммуноглобулины обычно сокращенно обозначают sIg – от surfase Ig). На поверхности одного В-лимфоцита находится 200-500 тыс. рецепторных иммуноглобулиновых молекул одинаковой специфичности. В отличие от Т-лимфоцита, который может взаимодействовать с антигеном только после его «представления» в иммуногенной форме антигенпредставляющей клеткой, В-лимфоцит самостоятельно распознает свободный антиген. Взаимодействие В-лимфоцита с антигеном приводит к его антигензависимой дифференцировке по двум направлениям – образование активно продуцирующих антитела плазмоцитов и формирование В-клеток памяти.
Плазматические клетки (плазмоциты) – это эффекторные антителопродуцирующие клетки, которые образуются из зрелых В-лимфоцитов после их контакта с антигеном, они относятся к короткоживущим клеткам. Плазмоциты не имеют на наружной мембране рецепторов для антигена. Они являются конечным этапом дифференцировки В-лимфоцитов. Интенсивность синтеза иммуноглобулинов одной плазматической клеткой достигает 1 млн. молекул в час. После завершения фазы активной продукции антител плазмоциты прекращают свое существование.
NK-клетки, или натуральные киллеры. Морфологически они представляют собой большие гранулярные лимфоциты. Популяция NK –клеток не имеет клональной структуры. Особенность, обусловившая название этих клеток (от англ. natural killer-естественный киллер), состоит в том, что они способны лизировать определенные клетки-мишени без предварительного контакта с ними и без прохождения этапа антигензависимой дифференцировки, который характерен для специфического адаптивного иммунного ответа. Поэтому, несмотря на лимфоидное происхождение, они относятся к клеткам врожденного иммунитета. Подробнее функции этих клеток описаны в разделах «Клетки врожденного иммунитета и их функции», а также «Субпопуляции специализированных лимфоцитов».