Автор: Гинка Николова, магистър по генно и клетъчно инженерство, Биологически факултет, СУ “Св. Климент Охридски”
Ключови думи: имунна система, имунитет, инфекция, антиген, фагоцити, бактерии, вируси, лимфоцити, антитела, ваксини, рак
Всичко започва с една кихавица. Болка в гърлото и повишена температура. Стомашно неразположение. Ухапване от комар или одраскване на кожата. Инфекциите винаги са били неотменен спътник на човека. Ние сме в непрекъснат контакт с патогени – организми, причиняващи инфекция и заболяване, като бактерии, вируси, гъбички и паразити. Задавали ли сте си въпроса защо точно вие не се разболяхте от грип тази зима? Или защо възпаленото гърло е зачервено и боли? Или защо се ваксинираме? Всеки от нас има на разположение лична армия – имунната система, която ни предпазва от редица заболявания, включително ракови.
Имунната система на човека представлява стройна организация от специализирани клетки, тъкани и молекулни процеси, чиято основна роля е да отключи имунен отговор след навлизането на чужди за организма структури. Друга важна функция на имунната система е поддържането на имунологична толерантност – това е разпознаването на собствени и чужди молекули.
Клетките на имунната система са левкоцитите, или белите кръвни клетки. Те се формират и узряват в първичните органи на имунната система – костния мозък и тимусната жлеза, а активирането им се осъществява във вторичните органи на имунната система – лимфните възли, далака и лимфоидните тъкани. Лимфните възли са с формата на бобчета и са сборен пункт на имунните клетки. Лимфните възли са свързани помежду си с лимфни съдове. Левкоцитите се придвижват с кръвта и лимфата – тъканна течност в лимфните съдове, но някои водят уседнал начин на живот, разположени в кожата ни и в лигавиците на тялото. Имунните клетки действат като добре обучена бойна единица, която комуникира с помощта на химични сигнали, за да синхронизира действията си.
Още от раждането разполагаме с готов набор от защитни клетки и механизми, предпазващи ни от патогени – вродения имунитет. Той действа незабавно на мястото на инфекция, като атакува без да подбира чуждите нашественици, и поддържа активна отбрана през времето, необходимо за изработване на втората линия на защита – адаптивния или придобит имунитет. Придобитият имунитет се развива през целия ни живот и, за разлика от вродения, е насочен към точно определени чужди за организма молекули, или антигени.
Бързата и съвместна атака е най-добрата защита
Белите кръвни клетки се делят на няколко групи в зависимост от функцията си. Клетките, които са се специализирали в поглъщане на патогена, се наричат фагоцити. Това са лакомниците на вродения имунитет – тъканно разположени макрофаги и неутрофили, чиято функция е да разпознаят чуждия микроорганизъм и да отключат възпалителен имунен отговор.
Представете си, че сте одраскали коляното си при падане от колело. Обикновено промивате раната с вода и дезинфектант, като по този начин механично отстранявате замърсяването. Но какво се случва, ако раната не се лекува навреме? Тогава с пълна сила се задейства първата ни линия на защита срещу бактериите, които навлизат през наранената кожа.
Фагоцитите засичат нашествениците с помощта на рецептори по клетъчната си повърхност и ги поглъщат.
Неутрофил (в жълто) поглъща антраксни бактерии. Снимка със сканиращ електронен микроскоп. Бялата линя за размер е равна на 5 микрометра.
Едновременно с това, активираните фагоцити подават сигнал за помощ, отделяйки белтъчни молекули – цитокини. Те предизвикват разширяване на кръвоносните съдове, което води до повишен пренос на кръв и тъканна течност. Нараненото място се зачервява, затопля и подува – класически симптоми на възпаление. Разширените кръвоносни съдове улесняват преминаването на повече левкоцити, които допринасят за по-бърза фагоцитоза. Болката по време на възпаление е в резултат от действието на друг тип цитокини – брадикинини, които дразнят нервните окончания на рецепторите за болка, разположени в кожата.
Дендритните клетки са “свързващо звено” между вродения и придобития имунитет. Те са помощниците на фагоцитите в битката срещу бактериите. Наречени са така поради наличието на разклонения на клетъчната си мембрана.
Дендритни клетки (в зелено), разположени сред епителни клетки на роговица.
Фагоцитите и дендритните клетки поглъщат бактериите и ги надробяват, като представят на повърхността си техни частички. Затова тези клетки се наричат антиген-представящи. Докато макрофагите и неутрофилите остават на мястото на инфекция и поддържат отбраната, дендритните клетки го напускат и поемат по лимфните съдове към най-близкия лимфен възел. В лимфния възел клетките на придобития имунитет – Б- и Т-лимфоцитите, разпознават бактериалните частици по дендритните клетки и също се включват в битката, като се насочват към нараненото място и помагат на макрофагите и неутрофилите да премахнат бактериите.
Сензорните оръжия на имунната система – антителата
Б-лимфоцитите се произвеждат и зреят в костния мозък. Наречени са така, защото са описани за първи път в бурса на Фабриций – орган на имунната система при птиците. Разпознават специфично с помощта на клетъчните си рецептори определени антигени. Когато рецепторът на Б-лимфоцитите не е свързан с клетъчната им мембрана, а е в свободна форма и се намира в серума, се нарича антитяло или още имуноглобулин (Ig). Антителата са биологично активни молекули с формата на латинската буква Y.
Модел на антитяло, създаден по данни от рентгенова дифракция. Credit: David S. Goodsell, RCSB Protein Data Bank. Wellcome Images, (Credit: CC BY 2.0)
Описани са за първи път през 1890 г. от японския физик и бактериолог Китасато Шибасабуро (Kitasato Shibasaburo), който открива вещества в кръвният серум, способни да неутрализират дифтериен токсин. Терминът “антитяло” е въведен една година по-късно от немския учен Пол Ерлих (Paul Ehrlich), който получава през 1908 година Нобелова награда по физиология и медицина за изследванията си в областта на имунологията.
Антителата са едни от най-важните помощници на имунната система, които ни предпазват от инфекции. Разполагаме с пет типа антитела – IgG, IgM, IgA, IgE и IgD.
IgG неутрализират токсини, произвеждани от болестотворни бактерии или съдържащи се в отровата след ухапване от змия или ужилване от пчела. Всеки ден в нашето тяло остарели или увредени клетки умират и се заменят с нови. IgG разпознават и се свързват с умиращите клетки, като подават сигнал за изчистването им към фагоцитите.
Когато бактерии попаднат в кръвната плазма, IgG, IgA И IgM задействат системата на комплемента, който е част от вродения ни имунитет. Комплементът представлява група от над 30 серумни молекули, които действат на каскаден принцип – предходната молекула активира и усилва функцията на следващата. Целта на системата на комплемента е да образува пори по повърхността на бактериалната клетъчна мембрана, което води до разрушаване и смърт на бактерията.
Aнтителата от тип IgE имат способността да се свържат за рецептори по клетъчната мембрана на мастоцитите, базофилите и еозинофилите – клетки на вродения имунитет, които са активни по време на паразитни инфекции, алергична реакция и астма. Алергията е състояние, при което имунната система реагира свръхчувствително към неща от заобикалящата ни среда, наречени алергени. Все още не е напълно изяснено защо имунната система на някои хора възприема цветния прашец, фъстъчения протеин или домашния прах като безвредни, а на други – като възможна заплаха. След разпознаването на алергените IgE подават сигнал за нашественика. Безрезервната вяра на мастоцитите и базофилите към преценката на IgE-антителата за наличието на опасност се изразява в отделяне на химичните вещества – хистамин, хепарин и протеолитични ензими, причиняващи възпаление.
Антителата от тип IgD са разположени на клетъчната мембрана на зрелите Б-клетки. IgD са една от загадките в имунната ни система и тяхната роля все още не е напълно ясна. В последните години изследванията са установили, че IgD участват в защитата срещу респираторни инфекции, като активират базофилите и други имунни клетки да произвеждат анти-възпалителни и анти-микробни вещества [1].
Да помагаш безусловно на другите
Т-лимфоцитите се произвеждат от костния мозък, но доузряват в тимусната жлеза, откъдето и идва буквата Т в наименованието им. Те не произвеждат антитела. Имунната ни система разполага с Т-клетки-помощници или Th-клетки (от англ. T-helper cells) и цитотоксични Т-клетки или Tc-клетки (от англ. Cytotoxic T cells). До 2017 година са описани 8 различни групи Тh-клетки, които подпомагат и контролират действията на другите имунни клетки по време на бактериални, гъбични и паразитни инфекции. Една определена група помощници – регулаторни Т-клетки, поддържaт имунната толерантност в организма, за да може имунната ни система да различава „свои“ от „чужди“. Нарушената имунна толерантност води до развитието на автоимунитет. При това състояние клетките на имунната система от приятел се превръщат във враг и атакуват собствени тъкани и молекули. Автоимунните болести са хронични, с тежка клинична изява и все още нелечими. Причините за отключването им могат да бъдат генетични, инфекциозни или хормонален дисбаланс.
Друга група Т-клетки, наречени гама-делта клетки (от англ. Gamma delta, γδ T cells), се задействат при бактериални инфекции. За тези клетки е установено също, че ни предпазват от ракови заболявания, като специфично разпознават и убиват раковите клетки [2].
Убийци по природа – кои имунни клетки атакуват вирусите?
Риновирусите, които причиняват настинка, и инфлуенца вирусите, които ни разболяват от грип, са неприятна част от ежедневието ни през есента и зимата.
Тези вируси се предават по въздушно-капков път, като входната врата за навлизането им в организма е носният епител и лигавицата на устната кухина. Кихането е естествен начин да се освободим от вирусните частици. През 2016 година учени в Масачузетския технологичен институт провеждат опит, при който гъделичкат носовете на трима здрави доброволци и заснемат кихавиците им с високоскоростна камера [3]. Установено е, че водните капчици могат да изминат разстояние до 70 сантиметра, или две крачки. Кихането в кърпичка спира потока на капчиците, носещи вируси, като по този начин предпазвате хората около себе си от заразяване.
Инфектираните с вирус клетки не могат да бъдат излекувани и трябва да се премахнат от организма. За да се спре разпространението на вирусната инфекция, заразените клетки се жертват в името на общото благо. Те отделят сигнални молекули – хемокини и цитокини, които привличат естествените клетки убийци, или NK-клетки (от англ. Natural Killer cells), и цитотоксичните Т клетки. И двата типа клетки съдържат в цитоплазмата си гранули с протеините перфорин и гранзим. Перфоринът, както подсказва името му, прави пори по мембраната на инфектираната клетка, през които навлизат гранзимите – молекулни хакери със способността да програмират клетката да се самоубие чрез апоптоза, или насочена (програмирана) клетъчна смърт.
Твърде е вероятно много от вас по време на грипната епидемия да са вдишали грипни вируси, но да не са се разболели. Тайната може би се намира във вашите гени. Група учени от Университета в Мичиган провеждат изследване през 2011 година, при което заразяват 17 доброволци с грипни вируси [4]. Девет от тях се разболяват, докато останалите не проявяват симптоми на грипна инфекция. Резултатите от кръвните им изследвания показват повишени нива на два гена, свързани с антиоксидантната защита. Предполага се, че важен фактор, свързан с устойчивостта към грипните вируси, е начинът ни на живот и нивото на стрес в ежедневието ни.
Учителите на имунната система – ваксините
По време на чумна епидемия през 450 г. пр. Хр. гръцкият историк и военачалник Тукидид забелязва, че хора, оцелели след заболяването, не се разболяват повторно от него, въпреки че са в контакт с болни хора. През 16 век китайският лекар Wan Quan описва в книгата си Douzhen xinfa метод за лечение на дребна шарка – пренасяне на секрет от пустулите на заразен върху направени драскотини по кожата на здрав човек. Това е и най-ранното ни известно сведение за прилагането на ваксини. Терминът ваксина е въведен от Едуард Дженър (Edward Jenner) през 1798 г., след като две години по-рано разработва и успешно прилага ваксинирането срещу едра шарка. Френският учен Луи Жан Пастьор има значителен принос за развитието на ваксинирането, като създава първите ваксини за предпазване от антракс и бяс. Ваксините са биологични препарати, съдържащи частички от инфекциозните патогени, или техни отслабени (атенюирани) форми. Сами по себе си, ваксините не предизвикват заболяване, но активират и обучават имунната система да разпознае чуждите молекули и да ги запомни. При повторна среща с тях, клетките на имунната памет реагират бързо и ефективно изчистват болестотворните микроорганизми.
Магически куршуми за лечение на рак
По последни данни на Световната здравна организация, раковите заболявания са на второ място по смъртност след сърдечните[5]. Съвременната антиракова терапия е насочена към създаването на “магически куршуми” (на англ. Magic Bullet) – специален клас антитела, които разпознават точно определени молекули върху раковите клетки. Тези антитела могат да се натоварят с радиоактивен изотоп или токсин и да се внесат в тялото на раковоболен. Заредените антитела доставят дозата радиация или токсичните вещества единствено в раковата тъкан, без да се засяга здравата. Друг терапевтичен подход е внасянето на антитела, които активират цитотоксичните Т-клетки и NK-клетките да разпознаят и унищожат раковите клетки.
Цитотоксични Т клетки (в зелено и синьо) обграждат ракова клетка (в центъра). На снимката са отбелязани с червен цвят гранулите с перфорин и гранзим. Credit: Alex Ritter, Jennifer Lippincott Schwartz and Gillian Griffiths, National Institutes of Health. (Credit CC BY-NC 2.0)
В последните няколко години се разработват индивидуални антиракови ваксини. От раковоболен се изолират дендритни клетки, които се натоварват с частички от туморните клетки и се инжектират обратно в тялото. Цитотоксичните Т-клетки разпознават тези частички и целенасочено атакуват раковата тъкан.
Всеки ден имунната ни система се грижи за нас. Тя ни предпазва от бактериални инфекции. Отстранява остарели или заразени с вирус клетки. Поддържа имунологична памет, за да се задейства бързо при повторна среща с патогените. Способна е да ни защити от ракови заболявания. Може би точно днес имунната ви система се е преборила с някой болестотворен причинител и за пореден път се е погрижила да бъдете здрави. Бъдете благодарни на вашия невидим защитник и се грижете добре за него!
Използвана литература
[1]https://www.unitypoint.org/peoria/article.aspx?id=36461a77-2f0e-48c5-92af d275b108d3cf
[2] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26449179
[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3109135/
[4] https://www.sciencenews.org/article/genes-may-explain-who-gets-sick-flu
[5] http://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/cancer
