Иммунология: наука об иммунной системе

Введение

Иммунология – это раздел биологии и медицины, изучающий иммунную систему во всех организмах. Иммунология описывает, измеряет и анализирует физиологическое функционирование иммунной системы как в здоровом состоянии, так и при заболеваниях; нарушения в работе иммунной системы при иммунологических расстройствах (таких как аутоиммунные заболевания, гиперчувствительность, иммунодефициты и отторжение трансплантата); а также физические, химические и физиологические характеристики компонентов иммунной системы in vitro, in situ и in vivo. Иммунология находит применение во многих областях медицины, в частности, в трансплантологии, онкологии, ревматологии, вирусологии, бактериологии, паразитологии, психиатрии и дерматологии. Термин был предложен русским биологом Ильей Ильичем Мечниковым, который внес значительный вклад в изучение иммунологии и получил Нобелевскую премию в 1908 году совместно с Полом Эрлихом «в знак признания их работы в области иммунитета». Он прикреплял небольшие шипы к личинкам морских звезд и заметил необычные клетки, окружающие эти шипы. Это была активная реакция организма, направленная на поддержание его целостности. Именно Мечников впервые наблюдал феномен фагоцитоза, посредством которого организм защищается от чужеродных тел. Эрлих приучал мышей к ядам рицин и абрин. После кормления их небольшими, но постепенно увеличивающимися дозами рицина, он установил, что они стали устойчивы к нему. Эрлих интерпретировал это как иммунизацию и отметил, что она наступала быстро, в течение нескольких дней, и сохранялась в течение многих месяцев. До появления термина «иммунитет», происходящего от латинского корня immunis, означающего «свободный от», ранние врачи описывали органы, которые впоследствии были признаны важнейшими компонентами иммунной системы. К важным лимфоидным органам иммунной системы относятся тимус, костный мозг и основные лимфоидные ткани, такие как селезенка, миндалины, лимфатические сосуды, лимфатические узлы, аденоиды и печень. Однако многие компоненты иммунной системы имеют клеточную природу и не связаны с конкретными органами, а скорее находятся встроены в различные ткани или циркулируют по всему организму.

Branch of medicine studying the immune system

Immunology is a branch of biology and medicine that covers the study of immune systems in all organisms. Immunology charts, measures, and contextualizes the physiological functioning of the immune system in states of both health and diseases; malfunctions of the immune system in immunological disorders (such as autoimmune diseases, hypersensitivities, immune deficiency, and transplant rejection); and the physical, chemical, and physiological characteristics of the components of the immune system in vitro, in situ, and in vivo. Immunology has applications in numerous disciplines of medicine, particularly in the fields of organ transplantation, oncology, rheumatology, virology, bacteriology, parasitology, psychiatry, and dermatology. The term was coined by Russian biologist Ilya Ilyich Mechnikov, who advanced studies on immunology and received the Nobel Prize for his work in 1908 with Paul Ehrlich "in recognition of their work on immunity". He pinned small thorns into starfish larvae and noticed unusual cells surrounding the thorns. This was the active response of the body trying to maintain its integrity. It was Mechnikov who first observed the phenomenon of phagocytosis, in which the body defends itself against a foreign body. Ehrlich accustomed mice to the poisons ricin and abrin. After feeding them with small but increasing dosages of ricin he ascertained that they had become "ricin proof". Ehrlich interpreted this as immunization and observed that it was abruptly initiated after a few days and was still in existence after several months. Prior to the designation of immunity, from the etymological root immunis, which is Latin for 'exempt', early physicians characterized organs that would later be proven as essential components of the immune system. The important lymphoid organs of the immune system are the thymus, bone marrow, and chief lymphatic tissues such as spleen, tonsils, lymph vessels, lymph nodes, adenoids, and liver. However, many components of the immune system are cellular in nature, and not associated with specific organs, but rather embedded or circulating in various tissues located throughout the body.

Классическая иммунология

Классическая иммунология связана с эпидемиологией и медициной. Она изучает взаимосвязь между системами организма, патогенами и иммунитетом. Самое раннее письменное упоминание об иммунитете относится к афинской чуме 430 г. до н.э. Фукидид отметил, что люди, переболевшие этой болезнью, могли ухаживать за больными, не заражаясь повторно. Многие другие древние общества также содержат упоминания об этом явлении, однако концепция иммунитета как научной теории сформировалась лишь в XIX и XX веках. Центральной наукой иммунологии является изучение молекулярных и клеточных компонентов, составляющих иммунную систему, включая их функции и взаимодействие. Иммунная система подразделяется на более примитивную врожденную иммунную систему и, у позвоночных, на приобретенную или адаптивную иммунную систему. Последняя, в свою очередь, делится на гуморальный (или антительный) и клеточный компоненты. Иммунная система обладает способностью различать «свое» и «чужое». Антиген – это вещество, запускающее иммунный ответ. Клетки, участвующие в распознавании антигена, называются лимфоцитами. После распознавания они секретируют антитела. Антитела – это белки, нейтрализующие микроорганизмы, вызывающие заболевания. Антитела не убивают патогены напрямую, а идентифицируют антигены как мишени для уничтожения другими иммунными клетками, такими как фагоциты или NK-клетки. Иммунный ответ определяется как взаимодействие между антителами и антигенами. Антитела – это специфические белки, выделяемые определенным классом иммунных клеток, известных как B-лимфоциты, а антигены – это любые вещества, вызывающие выработку антител (антигенообразователи). Иммунология основывается на понимании свойств этих двух биологических сущностей и клеточного ответа на них. Сейчас становится все более очевидным, что иммунные реакции вносят вклад в развитие многих распространенных заболеваний, которые традиционно не считались иммунологическими, включая метаболические, сердечно-сосудистые, онкологические и нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера. Кроме того, иммунная система непосредственно участвует в развитии инфекционных заболеваний (туберкулез, малярия, гепатит, пневмония, дизентерия и гельминтозы). Следовательно, исследования в области иммунологии имеют первостепенное значение для прогресса в современной медицине, биомедицинских исследованиях и биотехнологиях. Иммунологические исследования продолжают специализироваться, изучая неклассические модели иммунитета и функции клеток, органов и систем, ранее не ассоциировавшихся с иммунной системой (Yemeserach 2010).

Classical immunology ties in with the fields of epidemiology and medicine. It studies the relationship between the body systems, pathogens, and immunity. The earliest written mention of immunity can be traced back to the plague of Athens in 430 BCE. Thucydides noted that people who had recovered from a previous bout of the disease could nurse the sick without contracting the illness a second time. Many other ancient societies have references to this phenomenon, but it was not until the 19th and 20th centuries before the concept developed into scientific theory. The study of the molecular and cellular components that comprise the immune system, including their function and interaction, is the central science of immunology. The immune system has been divided into a more primitive innate immune system and, in vertebrates, an acquired or adaptive immune system. The latter is further divided into humoral (or antibody) and cell mediated components. The immune system has the capability of self and non self recognition. An antigen is a substance that ignites the immune response. The cells involved in recognizing the antigen are Lymphocytes. Once they recognize, they secrete antibodies. Antibodies are proteins that neutralize the disease causing microorganisms. Antibodies do not directly kill pathogens, but instead, identify antigens as targets for destruction by other immune cells such as phagocytes or NK cells. The (antibody) response is defined as the interaction between antibodies and antigens. Antibodies are specific proteins released from a certain class of immune cells known as B lymphocytes, while antigens are defined as anything that elicits the generation of antibodies (antibody generators). Immunology rests on an understanding of the properties of these two biological entities and the cellular response to both. It is now getting clear that the immune responses contribute to the development of many common disorders not traditionally viewed as immunologic, including metabolic, cardiovascular, cancer, and neurodegenerative conditions like Alzheimer's disease. Besides, there are direct implications of the immune system in the infectious diseases (tuberculosis, malaria, hepatitis, pneumonia, dysentery, and helminth infestations) as well. Hence, research in the field of immunology is of prime importance for the advancements in the fields of modern medicine, biomedical research, and biotechnology. Immunological research continues to become more specialized, pursuing non classical models of immunity and functions of cells, organs and systems not previously associated with the immune system (Yemeserach 2010).

Диагностическая иммунология

Специфичность связывания антитела с антигеном сделала антитела отличным инструментом для обнаружения веществ различными диагностическими методами. Антитела, специфичные к целевому антигену, могут быть конъюгированы с изотопной (радиоактивной) или флуоресцентной меткой, либо с ферментом, образующим окраску, для его выявления. Однако сходство между некоторыми антигенами может приводить к ложноположительным результатам и другим ошибкам в подобных тестах из-за перекрестной реактивности антител с антигенами, не являющимися точными соответствиями.

Иммунотерапия

Использование компонентов иммунной системы или антигенов для лечения заболевания или расстройства известно как иммунотерапия. Иммунотерапия наиболее часто применяется для лечения аллергии, аутоиммунных заболеваний, таких как болезнь Крона, тиреоидит Хашимото и ревматоидный артрит, и определенных видов рака. Иммунотерапия также часто используется для пациентов с иммунодефицитом (например, при ВИЧ) и людей с другими нарушениями иммунитета. Это включает в себя регуляторные факторы, такие как IL-2, IL-10, GM-CSF, IFN-α.

Клиническая и патологическая иммунология

Когда состояние здоровья ухудшается до критического, части органов иммунной системы, включая тимус, селезенку, костный мозг, лимфатические узлы и другие лимфоидные ткани, могут быть хирургически удалены для исследования у живых пациентов.

Теоретическая иммунология

Иммунология сильно опирается на эксперимент в повседневной практике, но также характеризуется постоянным теоретическим подходом. В иммунологии с конца девятнадцатого века и до настоящего времени было предложено множество теорий. Конец XIX и начало XX века ознаменовались противостоянием между "клеточными" и "гуморальными" теориями иммунитета. Согласно клеточной теории иммунитета, представленной, в частности, Эли Мечниковым, за иммунные реакции отвечали клетки – точнее, фагоциты. В отличие от этого, гуморальная теория иммунитета, которую поддерживали Роберт Кох и Эмиль фон Беринг, среди прочих, утверждала, что активными иммунными агентами являются растворимые компоненты (молекулы), содержащиеся в "гуморах" организма, а не в его клетках. В середине 1950-х годов Макфарлейн Бернет, вдохновленный предложением Нильса Джерна, сформулировал теорию клонального отбора (ТКО) иммунитета. На основе ТКО Бернет разработал теорию того, как запускается иммунный ответ, основанную на различении "собственного" и "чужого": "собственные" компоненты (составляющие организма) не вызывают деструктивных иммунных реакций, в то время как "чужие" агенты (например, патогены, аллотрансплантат) провоцируют деструктивный иммунный ответ. Позднее теория была модифицирована с учетом новых открытий в области гистосовместимости или сложного "двухсигнального" механизма активации Т-клеток. Теория различия "собственного" и "чужого" и соответствующая терминология подвергались критике, но остаются весьма влиятельными. В последнее время в иммунологии было предложено несколько теоретических подходов, включая "автопоэтические" концепции, "когнитивные" взгляды на иммунитет и "модель опасности" (или "теорию опасности"). Модель опасности, предложенная Полли Матцингер и ее коллегами, оказала значительное влияние, вызвав множество комментариев и дискуссий.

Иммунология развития

Способность организма реагировать на антигены зависит от возраста человека, типа антигена, материнских факторов и места презентации антигена. Новорожденных считают находящимися в состоянии физиологической иммунной недостаточности, поскольку как врожденные, так и адаптивные иммунологические реакции значительно подавлены. После рождения иммунная система ребенка хорошо реагирует на белковые антигены, но менее эффективно – на гликопротеины и полисахариды. Фактически, многие инфекции, приобретаемые новорожденными, вызываются микроорганизмами с низкой вирулентностью, такими как стафилококки и псевдомонады. У новорожденных опсоническая активность и способность активации каскада комплемента сильно ограничены. Например, средний уровень C3 у новорожденного составляет приблизительно 65% от уровня, наблюдаемого у взрослого человека. Фагоцитарная активность также значительно снижена у новорожденных. Это обусловлено более низкой опсонической активностью, а также уменьшенной регуляцией экспрессии рецепторов интегранов и селектинов, что ограничивает способность нейтрофилов взаимодействовать с молекулами адгезии в эндотелии. Их моноциты медлительны и демонстрируют сниженную продукцию АТФ, что также ограничивает фагоцитарную активность новорожденного. Хотя общее количество лимфоцитов значительно выше, чем у взрослых, клеточный и гуморальный иммунитет также нарушены. У новорожденных клетки, представляющие антиген, обладают сниженной способностью активировать Т-клетки. Кроме того, Т-клетки новорожденных плохо пролиферируют и производят очень небольшое количество цитокинов, таких как IL-2, IL-4, IL-5, IL-12 и IFN-γ, что ограничивает их способность активировать гуморальный ответ, а также фагоцитарную активность макрофагов. В-клетки развиваются еще во время беременности, но не полностью функциональны. Материнские факторы также играют роль в иммунном ответе организма. При рождении большая часть присутствующих иммуноглобулинов – это материнский IgG. Эти антитела передаются от матери к плоду через плаценту посредством FcRn (неонатальный Fc-рецептор). Поскольку IgM, IgD, IgE и IgA не проникают через плаценту, они практически не обнаруживаются при рождении. Некоторое количество IgA поступает с грудным молоком. Эти пассивно приобретенные антитела могут защищать новорожденного до 18 месяцев, но их ответ обычно кратковременен и характеризуется низкой аффинностью. В период полового созревания в организме человека происходят различные физические, физиологические и иммунологические изменения, вызванные и опосредованные гормонами, наиболее значимыми из которых у женщин является 17β-эстрадиол (эстроген), а у мужчин – тестостерон. Эстрадиол обычно начинает действовать примерно в возрасте 10 лет, а тестостерон – через несколько месяцев. Существуют данные, свидетельствующие о том, что эти стероиды не только непосредственно влияют на первичные и вторичные половые признаки, но также оказывают воздействие на развитие и регуляцию иммунной системы, включая повышенный риск развития аутоиммунитета в пубертатном и постпубертатном периодах. Также есть некоторые данные о том, что клеточные рецепторы на В-клетках и макрофагах могут распознавать половые гормоны в организме. Показано, что женский половой гормон 17β-эстрадиол регулирует уровень иммунного ответа, в то время как некоторые мужские андрогены, такие как тестостерон, подавляют стрессовую реакцию на инфекцию. Однако другие андрогены, такие как ДГЭА, усиливают иммунный ответ. Как и у женщин, мужские половые гормоны, по-видимому, оказывают больший контроль над иммунной системой в период полового созревания и после него, чем в остальное время жизни мужчины. Физические изменения в период полового созревания, такие как инволюция тимуса, также влияют на иммунный ответ.

The body's capability to react to antigens depends on a person's age, antigen type, maternal factors and the area where the antigen is presented. Neonates are said to be in a state of physiological immunodeficiency, because both their innate and adaptive immunological responses are greatly suppressed. Once born, a child's immune system responds favorably to protein antigens while not as well to glycoproteins and polysaccharides. In fact, many of the infections acquired by neonates are caused by low virulence organisms like Staphylococcus and Pseudomonas. In neonates, opsonic activity and the ability to activate the complement cascade is very limited. For example, the mean level of C3 in a newborn is approximately 65% of that found in the adult. Phagocytic activity is also greatly impaired in newborns. This is due to lower opsonic activity, as well as diminished up regulation of integrin and selectin receptors, which limit the ability of neutrophils to interact with adhesion molecules in the endothelium. Their monocytes are slow and have a reduced ATP production, which also limits the newborn's phagocytic activity. Although, the number of total lymphocytes is significantly higher than in adults, the cellular and humoral immunity is also impaired. Antigen presenting cells in newborns have a reduced capability to activate T cells. Also, T cells of a newborn proliferate poorly and produce very small amounts of cytokines like IL 2, IL 4, IL 5, IL 12, and IFN g which limits their capacity to activate the humoral response as well as the phagocitic activity of macrophage. B cells develop early during gestation but are not fully active. Maternal factors also play a role in the body's immune response. At birth, most of the immunoglobulin present is maternal IgG. These antibodies are transferred from the placenta to the fetus using the FcRn (neonatal Fc receptor). Because IgM, IgD, IgE and IgA do not cross the placenta, they are almost undetectable at birth. Some IgA is provided by breast milk. These passively acquired antibodies can protect the newborn for up to 18 months, but their response is usually short lived and of low affinity. During adolescence, the human body undergoes various physical, physiological and immunological changes triggered and mediated by hormones, of which the most significant in females is 17 β estradiol (an estrogen) and, in males, is testosterone. Estradiol usually begins to act around the age of 10 and testosterone some months later. There is evidence that these steroids not only act directly on the primary and secondary sexual characteristics but also have an effect on the development and regulation of the immune system, including an increased risk in developing pubescent and post pubescent autoimmunity. There is also some evidence that cell surface receptors on B cells and macrophages may detect sex hormones in the system. The female sex hormone 17 β estradiol has been shown to regulate the level of immunological response, while some male androgens such as testosterone seem to suppress the stress response to infection. Other androgens, however, such as DHEA, increase immune response. As in females, the male sex hormones seem to have more control of the immune system during puberty and post puberty than during the rest of a male's adult life. Physical changes during puberty such as thymic involution also affect immunological response.

Экоиммунология и поведенческий иммунитет

Экоиммунология, или экологическая иммунология, исследует взаимосвязь между иммунной системой организма и его социальной, биотической и абиотической средой. Более поздние экоиммунологические исследования сосредоточены на защитных механизмах хозяина против патогенов, традиционно считавшихся "неиммунологическими", таких как избегание патогенов, самолечение, защита, опосредованная симбионтами, и компромиссы в репродуктивном успехе. Поведенческий иммунитет, термин, введенный Марком Шаллером, конкретно относится к психологическим механизмам избегания патогенов, таким как отвращение, вызываемое стимулами, связанными с инфицированными особями, например, запахом рвоты. В более широком смысле, "поведенческий" экологический иммунитет был продемонстрирован у множества видов. Например, бабочка монарх часто откладывает яйца на определенные токсичные виды молочая, когда заражена паразитами. Эти токсины снижают рост паразитов у потомства зараженной бабочки монарх. Однако, если незараженные бабочки монарх вынуждены питаться исключительно этими токсичными растениями, они несут затраты в виде сокращения продолжительности жизни по сравнению с другими незараженными бабочками монарх. Это указывает на то, что откладывание яиц на токсичные растения – затратное поведение у бабочек монарх, которое, вероятно, эволюционировало для снижения тяжести паразитарной инфекции. Следовательно, симбионт, успешно обеспечивающий защиту от паразита, с большей вероятностью будет передаваться потомству хозяина, что позволит ему коэволюционировать с паразитами, атакующими хозяина, подобно традиционному иммунитету. Сохраненные иммунные ткани вымерших видов, таких как тилацин (Thylacine cynocephalus), также могут предоставить информацию об их биологии.

Иммунология рака

Изучение взаимодействия иммунной системы с раковыми клетками может привести к разработке диагностических тестов и методов терапии для выявления и борьбы с раком. Иммунология изучает физиологические реакции, характерные для иммунного состояния.

Репродуктивная иммунология

Эта область иммунологии посвящена изучению иммунологических аспектов репродуктивного процесса, включая принятие плода организмом матери. Этот термин также используется клиниками репродуктивной медицины для решения проблем с зачатием, рецидивирующих выкидышей, преждевременных родов и опасных осложнений, таких как преэклампсия.