ИММУНИТЕТ И ИНФЕКЦИЯ ДИНАМИЧНОЕ ПРОТИВОСТОЯНИЕ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Как защититься?
Многоклеточное в мире микробов и простейших

Встроенный в клеточные мембраны муцин – основной элемент гликокаликса –
создает преграду, трудно преодолимую для любых частиц, в том числе, микробов
Гликокаликс на клетках эпителия

Гликокаликс
~50-100 нм
Поверхность эпителия густо покрыта мембранными молекулами гликоконъюгатов – молекул с большим содержанием олигосахаридных цепочек

Внешний слой слизи
Внутренний слой слизи
Эпителий
Слизь образует гель. Вблизи эпителия – плотный и вязкий, подальше от эпителия - рыхлый

Муцин образует плотный слой (S – stratified) слизи
толщиной 50 мкм вблизи поверхности эпителия толстой кишки,
и еще 150 мкм более рыхлой слизи над этим слоем
Johansson M E V et al. PNAS 2011;108:4659-4665
A
B
Слизь в бокаловидных клетках и в просвете толстой кишки - зеленая,
микробы в просвете кишечника – оранжевые.

Молекулярные сенсоры инфекций и повреждений
Toll-like receptors
NOD-like receptors
RIG-like receptors
(helicase, POL-III)
C-type lectins
Scavenger
receptors
Несколько десятков типов молекулярных рецепторов позволяет нашим клеткам детектировать вирусы, бактерии, грибы и другие инфекции

Если инфекция обнаружена, наши клетки выбрасывают вещества, токсичные для микробов

Дефенсины
Кателицидины
Гистатины
Лактоферрин
Лизоцим
Псориазин
Дермцидин
и многие другие…
Эндогенные антибиотики –
защитные вещества белковой и пептидной природы
наиболее активно выделяются на границах нашего тела

Дефенсин-α5 (красный) и лизоцим (зеленый) в слизистой кишки.
Широкие стрелки указывают клетки, в которых обнаруживается только лизоцим.
Узкие стрелки – клетки Панета, в которых дефенсин-α5 и лизоцим.
Продукция альфа-дефенсина в стенке тонкой кишки здорового человека

Клетки эпителия, обнаружившие инфекцию,
сообщают соседним клеткам (под эпителием)
о том, что произошло вторжение инфекции
Сообщения отправляются в виде химических сигналов – небольших белков, которые называют «цитокины»

IL-1α
IL-1β
IL-6
IL-8
GM-CSF
Фибробласт
Макрофаг
Дендритная клетка
Тучная клетка
Сигналы SOS и Danger
Бактерии, грибы, вирусы

В кишечнике – под эпителием находятся макрофаги и дендритные клетки
20 мкм
20 мкм
50 мкм
Слева и посредине : синие - ядра эпителиоцитов., коричневые – дендритные клетки, светлые – макрофаги.
Справа : зеленые – дендритные клетки, красные – кровяные капилляры.
Чуть глубже, 10-20 мкм
Апикальная поверхность
ворсинки
Еще глубже, 30-40 мкм

Через 30 минут после внесения в просвет кишки инвазивных сальмонелл
дендритные клетки вышли на инфицированную поверхность эпителия

Макрофаги, встретив микробов или вещества микробной природы,
активируются и начинают усиленно секретировать
цитокины
(ФНО-α, ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-8 и др.)
Клетки, встретившиеся с инфекцией, зовут фагоцитов.
Сигналы – небольшие белки «хемокины»

Клетки-пожиратели (фагоциты), придя в очаг инфекции,
поглощают микробов
Макрофаг поглотил 3 клетки гриба Candida
Нейтрофил поглощает бактерии сибирской язвы (Anthrax)

Фагоциты, активированные при контакте с инфекцией, выделяют цитокины (ИЛ-1, ФНО, ИЛ-6, ИЛ-8).
Эти цитокины действуют на ближайшие тучные клетки и клетки стенки кровеносных сосудов
Тучные клетки высвобождают содержимое своих гранул (дегрануляция), в которых содержатся разные вещества, в том числе, гистамин.
Гистамин вызывает изменение свойств клеток эндотелия, выстилающих кровеносный сосуд изнутри. Контакты между клетками эндотелия становятся изменяются, проницаемость для крупных молекул возрастает за 1-2 минуты.
Цитокины фагоцитов тоже действуют на клетки эндотелия ближайших кровеносных сосудов. Активированные цитокинами клетки эндотелия выставляют на своей поверхности рецепторы , с помощью которых они отлавливают из кровотока лейкоциты.
Цепляясь за рецепторы клеток эндотелия, лейкоциты останавливаются, распластываются, проникают между клетками эндотелия и ползут в направлении большей концентрации хемокинов, исходящих из очага инфекции (хемотаксис).

Эндотелий
венулы
IL-1α
IL-1β
IL-6
IL-8
GM-CSF
Фибробласт
Макрофаг
Дендритная
клетка
Тучная клетка
Клетки, активированные в очаге инфекции (повреждения),
действуют на ближайшие кровеносные сосуды
Цитокины
IL-1β, TNFα, IL-8

Кровеносные сосуды всегда рядом с очагом инфекции,
на расстоянии нескольких клеточных размеров.

Два следствия активации эндотелия кровеносных
сосудов вблизи очага инфекции:
Повышение проницаемости стенки сосуда для крупных молекул
Выход лейкоцитов из кровотока – в очаг инфекции

Вещества, которые выделяют тучные клетки (гистамин), повышают проницаемость стенки кровеносных сосудов.
В течение нескольких минут через стенку сосудов начинают проникать крупные биополимеры
(например, полисахариды с мол массой 2 млн Дальтон)

Факторы, которые высвобождает тучная клетка
Содержимое гранул:
гистамин, гепарин,
хондроитин-сульфат,
протеазы
Синтез de novo:
Активация фосфолипазы
Арахидоновая кислота
Циклоксигеназа
простагландины
тромбаксаны
Липоксигеназа
Лейкотриены
LTB4
LTC4
LTD4
LTE4
SRS-A
Цитокины:
ФНО-α, ИЛ-4, ИЛ-5, ИЛ-6, ИЛ-8

Большое количество тучных клеток в непосредственной близости от мелких кровеносных сосудов (кожа, ухо мыши)
Голубые – тучные клетки (окраска по рецептору гистамина)
Красные – клетки эндотелия кровеносных сосудов (CD31)
Зеленые – лимфатические сосуды
Mast cell modulation of the vascular and lymphatic endothelium
Christian A. Kunder,1Ashley L. St John,1,2 and Soman N. Abraham1-4
Blood. 2011;118(20):5383-5393

(A) Microvasculature in the ear skin. Arteriole (red), capillaries (green), and post capillary venules (blue) are shown. (B) Sequential images after histamine injection. Elapsed time is shown in the bottom left of each image. Red arrows indicate initiation sites of leakage from postcapillary venules. Some areas of postcapillary venules became undetectable thereafter (yellow arrowheads). (C) Kinetics of the MFI in the area of arterioles (red), capillaries (green), and post capillary venules (blue) after histamine injection. Arrow denotes the timepoint of histamine injection.
Intravital analysis of vascular permeability in mice using two-photon microscopy
Gyohei Egawa et al
Scientific Reports, 3, 2013 doi:10.1038/srep01932
Гистамин повышает проницаемость пост-капиллярных венул

Крупные молекулы, выходя из кровотока в очаг инфекции,
защищают нас от инфекции.
Среди защитных молекул, имеющих крупные размеры – белки комплемента и антитела

вирусов и
Комплемент – защита, точно локализованная в пространстве и времени

С3
С1q
С8
С2
С1r
С6
С4
С1s
С3b
С2b
С4b
С5
С5a
С5b
С9
С7
I
С4bp
H
P
DAF
D
Bb
MCP
СD59
MASP-
1
MASP-
2
CR1
CR2
H
CR4
H
H
Функциональные блоки системы комплемента
С2a
MBP
CR1
С4a
С3a
С3u
Центральное звено
«ядерное устройство»
Функция 2
Хемотаксис
Запал 3
Функция 3
Цитолиз
Функция 4
Самозащита
Функция 1
Опсонизация
Экзогенные факторы X
(запал 1)
Запал 2
C3b
CR3

При спонтанном гидролизе тиоэфирной группы
домены TED и CUB отодвигаются от остальной части молекулы C3.
Открывается место для посадки фактора В. Протеаза D отщепляет один из доменов фактора B.
Образуется активный фермент C3u+Bb, он способен разрушать новые молекулы С3
фактор B
C3
C3u
(C3H20)
протеаза D
С3-конвертаза
(C3u+Bb)
Тиоэфирная группа не может пришиваться к поверхности, C3uBb остается в жидкой фазе, называется «жидкофазовая конвертаза С3»

С3
С3b
С3b-B
D
B
С3b-Bb
Размножение С3b
реализуется на доступной поверхности
Конвертаза С3 − это фермент, разрушающий С3
с образованием C3a и C3b

Три защитных действия комплемента:
1. ОПСОНИЗАЦИЯ ЧАСТИЦ (например, бактериальная частица), на которых активировался комплемент. Поверхность модифицируется химически (ковалентно пришитыми молекулами C3b)
2. ХЕМОТАКСИС. От поверхности частицы, на которой активировался комплемент, исходит поток небольших фрагментов C3a. Создается градиентное поле химического вещества, привлекающего фагоциты к месту, где активировался комплемент, то есть в очаг инфекции.
3. ЛИЗИС КЛЕТКИ, на поверхности которой произошла активация комплемента.

ФАГОЦИТОЗ ОПСОНИЗИРОВАННОЙ МИКРОБНОЙ ЧАСТИЦЫ
Рецепторы С3b
Фагоцит

Конвертаза C5 образует мембрану-атакующий комплекс и вскоре – пору, через которую из клетки вытекают соли и белки, а в клетку устремляется вода. Клетка набухает и разрывается – это лизис.

Второе следствие активации эндотелия кровеносных сосудов вблизи очага инфекции – это выход лейкоцитов из кровотока

Активированные макрофаги
Нейтрофил
Эндотелий
венулы
Лимфоцит
Моноцит
Последовательные волны миграции клеток в очаг инфекции.
Реакция воспаления.

вирусов и
Организм направляет в очаг инфекции
защитные молекулы и защитные клетки

Если микробы или вещества микробной природы с током тканевой жидкости проникли в лимфатический узел или еще дальше – в кровь,
то организм включает особую защиту – адаптивные иммунные реакции, которые осуществляют В- и Т-клетки.
Наивные лимфоциты, способные реагировать на вторгшийся антиген, размножаются и превращаются в клетки-эффекторы (плазматические клетки, Т-киллеры, Т-хелперы)
Клетки-эффекторы уходят из лимфатического узла в кровоток, а затем – в очаг инфекции.
Адаптивная иммунная защита

Внешняя среда
Макрофаг
Дендритная клетка
Фибробласт
Лимфатический узел
(миндалина, Пейерова бляшка)
Бактерии

В-клетки живут
в фолликулах
лимфатических узлов

В клетка Плазматическая клетка

Ig на клеточной Ig в цитоплазме
мембране

Макрофаг
Дендритная клетка
Фибробласт
Лимфатический узел
(миндалина, Пейерова бляшка)
Бактерии
Клетки-эффекторы уходят из лимфатического узла в кровоток,
а затем – в очаг инфекции

вирусов и
В очаг инфекции направляются три типа защиты:
Защитные молекулы – комплемент, антитела
Защитные лейкоциты (нейтрофилы, макрофаги, эозинофилы)
Защитные В и Т лимофциты-эффекторы
(плазматическая клетка, Т-хелпер, Т-киллер)

Инфекция не уступает нам в оснащенности.
Это – сильный, динамичный, умный и даже социально организованный противник

СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ЦЕЛИ ИНФЕКЦИИ
Использовать макроорганизм
в качестве среды обитания
Размножиться
Инфицировать следующий макроорганизм

ТАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ИНФЕКЦИИ
Проникнуть в макроорганизм
Избежать ударов иммунной защиты или защититься от них
Выжить и размножиться

СТРАТЕГИЧЕСКАЯ ЦЕЛЬ МАКРООРГАНИЗМА
Не допустить вторжения инфекции
Эффективно защититься от инфекции,
если вторжение произошло

ЗАДАЧИ ИММУНИТЕТА
В ОТНОШЕНИЯХ С ИНФЕКЦИЕЙ
Не впустить инфекцию
Убить инфекцию
Удалить инфекцию из организма
Залечить повреждения, нанесенные инфекцией

АРСЕНАЛ ИНФЕКЦИИ
Факторы, позволяющие проникать в клетки хозяина
Факторы, способные убивать клетки хозяина
Факторы, разрушающие тканевой матрикс
Факторы, позволяющие ускользнуть от иммунной атаки
Факторы, защищающие от иммунной атаки
Факторы, парализующие (повреждающие) иммунную защиту

АРСЕНАЛ ИММУННОЙ ЗАЩИТЫ
ОТ ИНФЕКЦИИ
Эндогенные антибиотики (около 100 веществ)
Комплемент
Интерфероны
Фагоциты
Натуральные киллеры (NK)
Т клетки-киллеры (более 108 вариантов)
Антитела (более 108 вариантов)
Динамические реакции защиты (хемотаксис, воспаление, гранулема, «зудящие» реакции)
Сочетания указанных инструментов защиты

ИММУННАЯ СИСТЕМА
1. Изобретает принципиальные виды защиты
в процессе эволюции биологических видов
2. Нарабатывает огромное разнообразие вариантов защитных средств
в течение жизни индивида (создание новых В клеток и Т клеток продолжается всю жизнь)
3. Значительно совершенствует защитные средства иммунитета
непосредственно во время инфекции (например, повышение аффинности антител в результате соматических гипермутаций)

Инфекция тоже активно генерирует
разнообразие факторов защиты,
чтобы ускользнуть от иммунной атаки

Вирусы против системы интерферонов

IFN a/b
IRF-3 phosphorylation
IRF-5
IRF-7
IRF-9
STAT1
STAT 2
STAT1
STAT 2
IRF-7
IRF-9
ISRE
GAS
PKR-kinase
2’,5’ OAS
Блок синтеза
вирусных белков
фосфорилир eIF-2
Деградация
вирусной РНК
IFN
СИСТЕМА ИНТЕРФЕРОНОВ
Вирусы способны блокировать
систему интерферонов
на разных уровнях:
(1)Транскрипционные факторы
(2) PKR-киназа
(3) Фактор элонгации eIF-2

БАКТЕРИИ УСКОЛЬЗАЮТ ОТ АНТИТЕЛ,
ИЗМЕНЯЯ АНТИГЕНЫ СВОЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
Streptococcus pneumoniae имеет
84 антигенных варианта капсульных полисахаридов
Серотип А
Антитела к серотипу А,
клиренс возбудителя
фагоцитами
Серотип В
Антитела
к серотипу А
Новые антитела к серотипу В,
клиренс возбудителя
Антитела к серотипу А
не эффективны против серотипа В

Быстрая смена антигенных вариантов VSG-белка
у трипаносом (более 1000 генов VSG)

Антигенный дрейф (drift) у вируса гриппа
Нейтрализующие антитела
против гемаглютинина
блокируют связывание
вируса с клеткой
Мутации изменяют
эпитопы гемаглютинина.
Нейтрализующие антитела
больше не связываются
2-3 года

Антигенный сдвиг (shift) у вируса гриппа
Обмен сегментами РНК (8)
между штаммами вируса
в организме вторичного хозяина
Имеющиеся антитела не эффективны
в отношении гемаглютинина
нового вируса гриппа

ИНФЕКЦИЯ И ИММУНИТЕТ
ИСПОЛЬЗУЮТ ИДЕНТИЧНЫЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНСТРУКТОР
ДЛЯ СОЗДАНИЯ СРЕДСТВ НАПАДЕНИЯ И ЗАЩИТЫ
1. Сегментарное устройство генов. Комбинаторика сегментов.
2. Гомологичные рекомбинации.
3. Мутации.
4. Множественные копии одного гена с небольшими
вариациями, последовательное использование разных копий одного гена.

Обе системы – иммунитет и инфекция – очень «интеллектуальны».
Они гибко и адекватно используют имеющиеся средства защиты и нападения, в точном соответствии с возникающей ситуацией и задачей.
Примеры:
Социальное поведение у бактерий Quorum sense и
манипулирование апоптозом

Бактерии, как люди, объединяются в коллективы
для достижения своей цели

Макроорганизм
БАКТЕРИИ СОБИРАЮТ КВОРУМ,
ДОСТАТОЧНЫЙ ДЛЯ УСПЕШНОГО НАПАДЕНИЯ

Синегнойная палочка - условный патоген,
проявляет агрессивные свойства только в поздней логарифмической фазе роста, когда плотность бактериальных клеток высока.
Агрессивность определяется экзопродуктами, синтез которых включается только при большой клеточной плотности.
Гемолизины
(фосфолипаза, рамнолипид)
Факторы вирулентности:
Токсины
(экзотоксин А и экзоферменты)
Протеазы
(эластаза, LasA протеаза,
щелочная протеаза)
Pseudomonas aeruginosa

КАК БАКТЕРИИ ОЩУЩАЮТ КВОРУМ

Каждая бактерия умеет «говорить» и «слышать».
Система Quorum sensing молчит при низкой плотности бактерий в среде обитания

Активация новых генов
продукция факторов вирулентности
Quorum sensing
при определенной плотности бактерий концентрация автоиндуктора
становится достаточной для активации сенсорного белка,
который, в свою очередь, включает транскрипцию новых генов

Система Quorum sensing у Грам- и Грам+ бактерий

Бактериальный язык общения представлен следующими химическими соединениями:
лактоны
хинолы
пептиды
фуранозилдиэфир
бора

«Механизмы QS позволяют патогенным бактериям очень рационально использовать свой болезнетворный потенциал. Бактрии не атакуют эукариотическую клетку хозяина, и не синтезируют факторы патогенности, до тех пор, пока нет полной уверенности в успехе.
Момент атаки определяется системой QS, которая включает гены факторов патогенности только после достижения бактериями определенной плотности, при которой синтезирующееся количество факторов патогенности гарантирует успешное развитие инфекционного процесса.»
А.Л.Гинцбург

Облигатные внутриклеточные бактерии хламидии, риккетсии, эрлихии
блокируют апоптоз, делая эукариотическую клетку бессмертной
на протяжении всего цикла размножения патогена.
Многие внеклеточные бактерии, например, шигеллы, сальмонеллы,
стафилококки индуцируют апоптоз клеток эпителия, М-клеток или
макрофагов, создавая условия для массивной инвазии.
БАКТЕРИИ МАНИПУЛИРУЮТ ЖИЗНЬЮ
КЛЕТОК МАКРООРГАНИЗМА В СВОИХ ИНТЕРЕСАХ
А ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ – ЕГО ИНДУЦИРУЮТ
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ БАКТЕРИИ БЛОКИРУЮТ АПОПТОЗ,

Для манипуляций с нашими клетками бактерии используют молекулярный шприц
(называется «секреторная система»)

Типы секреторных систем бактерий
The structural biology of type IV secretion systems
Rémi Fronzes, Peter J. Christie & Gabriel Waksman
Nature Reviews Microbiology 7, 703-714 (October 2009)

Просвет кишки
Стенка кишки
Salmonella enterica
typhimurium
Эпителиальная
клетка
ПРИНУДИТЕЛЬНЫЙ ЗАХВАТ САЛЬМОНЕЛЛ
КЛЕТКАМИ ЭПИТЕЛИЯ КИШЕЧНИКА

Эпителиальная
клетка
Просвет кишки
SopE
SopE2
Actin
Actin
Salmonella interica
typhimurium
G-proteins
(CDC42, Rac)
SopE
SopE2

Макрофаг
Salmonella enterica typhimurium
Shigella flexneri
IpaB
Caspase-1
Бактерия индуцирует апоптоз макрофага
Type III secretory
system

Динамическое противостояние двух живых систем
на примере взаимоотношений
вирусной инфекции и иммунитета

Стратегия вируса – спрятаться в наших клетках и стать недоступным
для средств иммунной защиты
Вирус
Клетка

MHC-I
Антиген
Т-киллер узнает вирусные
антигены в комплексе
с МНС-I на поверхности
инфицированной клетки
Клетка,
инфицированная
вирусом

Клетка, инфицированная
вирусом Эпштейна-Барр
в латентном состоянии
(нет репликации вируса)
Некоторые вирусы нарушают выход вирусных антигенов
на поверхность инфицированной клетки
Латентная инфекция вирусом Эпштейна-Барр
невидима для Т клеток
МНС-I
без антигена

Вновь синтезированная
молекула МНС-I
Вновь синтезированный
белок вируса
Фрагменты
антигена
Транспортная
везикула
TAP
Клеточная
мембрана
Представление вирусного антигена
на поверхности инфицированной клетки
Протеасома

Вновь синтезированная
молекула МНС-I
Вновь синтезированный
белок вируса
Транспортная
везикула
TAP
Клеточная
мембрана
Белок EBNA-1 вируса Эпштейна-Барр нарушает функционарование протеасомы.
Представления вирусных антигенов не происходит.
ВЭБ
EBNA-1

Клетка, инфицированная
вирусом
Нет МНС-I
на клеточной мембране
Многие вирусы нарушают экспрессию молекул МНС-I
на поверхности инфицированных клеток.
Т-киллеры не могут обнаружить скрытую инфекцию.

Клетка, инфицированная
вирусом
Нет МНС-I
на клеточной мембране
Если на клетке нет МНС-I,
то вместо Т-киллеров в бой идут
натуральные киллеры (NK-клетки)

Для блокирования NK-клеток
вирусы производят белки, похожие на МНС-I
(HCMV белок UL18, MCMV белок m144,
Molluscum contagiosum virus белок MC080R)
Нет МНС-I
на клеточной мембране
Клетка, инфицированная
вирусом

T-киллер
Белок nef вируса иммунодефицита человека
подавляет экспрессию молекул HLA-A и HLA-B,
не затрагивая молекулы HLA-C и HLA-E.
Это нарушает функцию T-киллеров и NK-клеток
NK
Есть
ингибирование
NK-клеток
HLA-C
HLA-E
Нет
презентации
антигенов

«ШАХМАТНАЯ ПАРТИЯ»

УРОКИ:
ИММУНИТЕТ И ИНФЕКЦИЯ - ДИНАМИЧНЫЕ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ, НЕПРЕРЫВНО ИЗМЕНЯЮЩИЕСЯ АДЕКВАТНО ВОЗНИКАЮЩИМ УСЛОВИЯМ.
ИНФЕКЦИЯ – СИЛЬНЫЙ, БИОЛОГИЧЕСКИ И СОЦИАЛЬНО
ВЫСОКООРГАНИЗОВАННЫЙ ПРОТИВНИК, СОВЕРШЕНСТВО КОТОРОГО НЕДООЦЕНИВАЛОСЬ ДО НЕДАВНЕГО ВРЕМЕНИ.
СИЛА ИММУНИТЕТА И ИНФЕКЦИИ - В РАЗНООБРАЗИИ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ И НАПАДЕНИЯ
ИСТОЧНИКИ РАЗНООБРАЗИЯ В ОБЕИХ СИСТЕМАХ ИДЕНТИЧНЫ – ЭТО ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНСТРУКТОР

ИНФЕКЦИЯ
ИММУНИТЕТ
ШАНСЫ ИММУНИТЕТА И ИНФЕКЦИИ
ПРИМЕРНО РАВНЫ
В ИХ БЕСКОНЕЧНОМ ПРОТИВОСТОЯНИИ

ИНФЕКЦИЯ
ИММУНИТЕТ
ЭТИОТРОПНОЕ
ЛЕЧЕНИЕ
ДЕЗИНТОКСИКАЦИЯ
ОСЛАБЛЕНИЕ
ИММУНИТЕТА
ВАКЦИНЫ