Імунна система

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 66

Про авторів

Золтан Фегерварі (Zoltan Fehervari) і Сімон Сакагучі (Shimon Sakaguchi) почали спільну діяльність в 2000 р., коли Фегерварі після захисту докторської дисертації отримав місце в лабораторії Сакагучі в Інституті перспективних медичних досліджень в Кіотському університеті в Японії. Зараз Фегерварі працює у відділі патології в Кембриджському університеті, де готується до захисту дисертації в галузі імунології. Професор Сакагучі зараз завідує відділом експериментальної патології в Кіото.

Регуляторні Т-клітини утримують імунну систему організму від нападу на власні тканини. Їх використання дозволить лікувати різні захворювання і, можливо, вирішити проблему відторгнення трансплантованих органів.

Як тільки імунна система починає застосовувати свою зброю не за призначенням, регуляторні Т-клітини (T-reg) встають у неї на шляху (зображення з сайту www.sciam.ru)

«Важкий аутотоксикоз» — такий термін був введений близько ста років тому відомим німецьким лікарем-бактеріологом Паулем Ерліхом для опису патологічного стану, при якому імунна система людини «атакує» його ж власні органи і тканини. Ерліх вважав, що з біологічної точки зору в аутоімунності (ще одне введене ним визначення) немає нічого абсурдного, коли вона знаходиться під найсуворішим контролем. Однак медична спільнота не прийняла такої неоднозначної ідеї. Справді, навіщо природі вбудовувати в організм людини механізм, здатний руйнувати свого носія?

Однак лікарі час від часу стикалися із захворюваннями, які потрапляли під концепцію Ерліха. Серед них розсіяний склероз, інсулінозалежний діабет, ревматоїдні артрити. З’ясувалося, що у подібних хворих зазвичай порушена функція особливих лейкоцитів, відомих як CD4 + -T-лімфоцити (вони названі так тому, що дозрівають в тимусі — залізі, розташованій в грудній клітці трохи вище серця, і несуть на своїй поверхні молекули глікопротеїну CD4). У нормі вони грають роль «старших офіцерів», які віддають команду іншим клітинам імунної системи до наступу на ворогів — хвороботворних мікроорганізмів, які вторглися в організм, але іноді направляють зброю проти органів і тканин власного тіла.

Ерліх виявився правий і в іншому: нещодавно ідентифіковані клітини, що спеціалізуються на поверненні на шлях істинний вийшла з підкорення імунної системи. Вони отримали назву регуляторних Т-клітин. Будучи частиною популяції CD4 + -T-клітин, вони підтримують мир і злагоду між імунною системою і організмом. Крім того, з’ясувалося, що їм властива не тільки миротворча функція: вони також впливають на реакцію імунної системи на інфекційні агенти, пухлинні клітини, трансплантовані органи, клітини плоду при настанні вагітності тощо. Якщо вдасться з’ясувати, як вони виконують свої обов’язки, і чому їх робота іноді дає збій, дослідники отримають можливість контролювати діяльність цих регуляторів і при необхідності придушувати імунну активність.

Ненадійна система оборони

Багатьох людей сьогодні лякає свідомість того, що імунна система в будь-який момент може вийти з-під контролю і спровокувати аутоімунне захворювання. Найнеприємніше те, що такий «імунологічний дамоклів меч» не так вже й важко привести в дію. Наприклад, при введенні мишам білків їх власної центральної нервової системи разом з якимось ад’ювантом (неспецифічним стимулятором імуногенезу) виникає деструктивна імунна реакція, яка в основному проявляється як розсіяний склероз, що викликає руйнування головного і спинного мозку.

Вводячи тваринам їхні власні білки різного походження, можна викликати й інші аутоімунні реакції. Така ж небезпека підстерігає і людину. Принаймні, з крові цілком здорових людей виділені аутореактивні клітини імунної системи, які в пробірці поводяться вкрай агресивно щодо тканин свого рідного організму.

Чому ж за наявності постійної загрози з боку власної імунної системи більшість з нас не страждає на аутоімунні захворювання? Як наш внутрішній захист відрізняє небезпечних мікробів від нормальних клітин свого організму? Дослідники виявили, що для забезпечення самотолерантності (здатності утримувати імунну систему в рамках) вживається безліч запобіжних заходів. Перша лінія оборони, у всякому разі, в тому, що стосується Т-клітин, розташовується в тимусі. Тут дозрілі Т-клітини проходять серйозний «курс навчання» і налаштовуються на вкрай слабку реакцію на здорові клітини організму-господаря. Клітини, які не піддаються «дресируванню», відбраковуються. Однак жодна система не застрахована від помилок, і деяка кількість аутоагресивних Т-клітин вислизає від контролю. Потрапляючи в кровотік і лімфу, вони створюють загрозу запуску аутоімунної реакції.

Кров і лімфа — це друга лінія оборони. Тут використовується кілька прийомів. Деякі тканини, в тому числі головного і спинного мозку, огороджені від аутоагресивних клітин імунної системи тим, що до них веде невелике число судин, що йдуть углиб цих органів. Однак така самоізоляція не може бути повною. Через певні обставини (наприклад, при пошкодженні тканин) аутореактивні клітини все ж можуть проникнути всередину. Інші способи захисту носять попереджувальний характер. Імунні клітини, що виявляють підозрілий інтерес до здорових тканин і органів, атакуються іншими компонентами імунної системи і руйнуються або інактивуються ними.

Мабуть, серед «підрозділів», що беруть участь у попереджувальних діях, ключова роль належить регуляторним Т-клітинам. Більшість з них (а можливо, і всі) навчаються майстерності в тимусі, а потім поширюються по всьому організму у вигляді спеціалізованої субпопуляції Т-клітин.

Історія відкриття регуляторних Т-клітин

У 1969 р. Ясуакі Нісідзука (Yasuaki Nishizuka) і Тере Сакакура (Teruyo Sakakura) з японського Центру дослідження раку в м. Нагоя виявили, що видалення тимуса у новонароджених мишат жіночої статі призводить до серйозних наслідків — руйнування яєчників. Спочатку вчені припустили, що тимус секретує гормони, необхідні для розвитку і збереження даних органів. Однак пізніше з’ясувалося, що тканини яєчників у мишат, позбавлених тимуса, буквально наповнені імунними клітинами, що свідчило про наявність аутоімунного захворювання, що виникло в результаті виходу з ладу якогось регуляторного механізму. Варто було ввести гризунам нормальні Т-клітини, як хвороба відступала. Все вказувало на те, що в популяції Т-клітин є система самоконтролю.

Так виглядає T-reg-клітина миші (фото з сайту cmbi.bjmu.edu.cn)

На початку 1970-х рр. аналогічні результати в ході дослідів на дорослих щурах отримав Джон Пенхейл (John Penhale) з Единбурзького університету, а Річард Гершон (Richard Gershon) з Єльського університету вперше припустив, що існує якась група Т-клітин, здатних придушувати імунну реакцію, в тому числі і спрямовану проти тканин власного організму. Гіпотетичні клітини були названі супресорними, але в той час ніхто не міг знайти пояснення їхній поведінці.

Основні надії покладалися на виявлення особливих структур на поверхні Т-клітин — маркерів, за якими супресорні Т-клітини можна було б відрізнити від інших складових імунної системи. Починаючи з середини 1980-х рр. багато молекул були випробувані на роль потенційного маркера. Зрештою в 1995 р. один з нас (Сакагуті) виявив такий — ним виявилася молекула, названа CD25. Коли у мишей були видалені CD4 + -T-клітини, що несуть даний маркер, імунній атаці піддалося відразу кілька органів: шлунок, статеві, слинні, щитовидна і підшлункова залози. До них спрямувалися лейкоцити і зруйнували їх.

Огляд: імунні регулятори

• Довгий час імунологи не вірили в існування клітин, що спеціалізуються на придушенні зайвої активності імунної системи. Однак такі дійсно є — вони отримали назву регуляторних Т-клітин (T-reg).
• T-reg-клітини не тільки пригнічують аутоімунну реакцію, а й допомагають організму протистояти повторному зараженню патогенними мікробами, захищають від знищення корисні бактерії, що населяють кишечник, сприяють нормальному протіканню вагітності. Однак у них є і негативні властивості: вони допомагають раковим клітинам уникнути атаки з боку імунної системи.
• Результати останніх досліджень дають надію на створення нових методів лікування аутоімунних захворювань і раку. Можливо також, що T-reg-клітини позбавлять пацієнтів, які перенесли трансплантацію органів або тканин, від довічного прийому імуносупресантів.

Важливим підтвердженням того, що ми знаходимося на правильному шляху, став наступний експеримент. Ми виділили популяцію Т-клітин нормальної миші, видалили з неї більшу частину CD4 + -CD25 + —T-клітин, а потім залишився матеріал ін’єціювали гризунам з нефункціонуючою імунною системою, що призвело до розвитку у них аутоімунного захворювання. Чим менше CD4 + -CD25 + -T-клітин залишалося в Т-клітинній популяції, що вводиться лабораторною твариною, тим ширше ставало коло аутоімунних розладів, що призводили до загибелі піддослідних. При ^{введенні} CD4 + -CD25 + -T-клітин навіть у невеликих кількостях імунітет відновлювався і захищав організм від саморуйнування. Імунологи стали називати CD4 + -CD25 + -T-клітини регуляторними (або просто T-reg), мабуть, бажаючи усунути плутанину, яку викликало визначення «супресорні».

Як працюють T-reg-клітини?

Механізм придушення аутоімунної активності клітинами T-reg залишається загадкою. Мабуть, вони здатні впливати на різні кліті імунної системи, блокуючи їх ампліфікацію і такі процеси, як секреція сигнальних молекул — цитокінів. Фахівці схильні думати також, що T-reg-клітини активуються прямою міжклітинною взаємодією. У всьому іншому картина залишається неясною.

Механізм самопотолерантності (зображення: «У світі науки»)

Однак нещодавно співробітники нашої лабораторії в Кіотському університеті, а також Олександр Руденський (Alexander Rudensky) з колегами з Вашингтонського університету і група Фреда Рамсдела (Fred Ramsdell) з компанії CellTech R&D в шт. Вашингтон незалежно один від одного отримали результати, що піднімають завісу таємниці над освітою і механізмом дії T-reg. Виявилося, що вони містять у надзвичайно великій кількості специфічні молекули під назвою Foxp3, які служать одним з факторів транскрипції, що регулюють роботу певних генів і тим самим — синтез кодованих ними білків. Зміна експресії будь-якого клітинного гена може вплинути на функціонування всієї клітини. Що стосується дії фактора Foxp3, то він, мабуть, переналаштовує клітинні гени таким чином, що Т-клітини перетворюються на T-reg. Насправді, введення Foxp3 в звичайні Т-клітини призводить до того, що вони набувають таку ж здатність до імуносупресії, як і початково повноцінні T-reg-клітини, що утворилися в тимусі. Нещодавно з’ясувалося, що миші, які належать до лабораторної лінії Scurfy, синтезують тільки неактивну, мутантну форму білка Foxp3, але в їх організмі немає і сліду T-reg. Імунна система у таких тварин розхитана до межі, вони страждають від множинних запалень різних органів і рано гинуть.

Чи є якісь дані про те, що людині також необхідні T-reg-клітини? І чи є вони в нашому організмі? Дослідники з’ясували, що молекулярні особливості, характерні для T-reg-гризунів, притаманні також якійсь субпопуляції Т-клітин людини. На поверхні цих клітин присутні молекули CD25, а всередині міститься надзвичайно багато білка Foxp3. Вони мають імуносупресивні властивості — принаймні, такі результати дослідів in vitro.

Як T-reg-клітини придушують аутоімунну реакцію (зображення: «У світі науки»)

Кращим свідченням того, що дані клітини життєво важливі і для нас, служить наступне спостереження. Існує рідкісне генетичне захворювання під назвою IPEX (Immune dysregulation, Polyendocrinopathy, Enteropathy, X-linked syndrome), яке пов’язане з мутацією в одному з генів Х-хромосоми і вражає немовлят чоловічої статі (на відміну від дівчаток, вони наслідують тільки одну Х-хромосоми) Його наслідком стає аутоімунна реакція, що тягне за собою поразку багатьох органів і смерть у немовляті. Як з’ясувалося нещодавно, дана мутація локалізована в тому самому гені, який кодує білок Foxp3. Таким чином, IPEX — це аутоімунне захворювання людини, аналогічне такій у мишей лінії Scurfy.

Не тільки самотолерантність

Отже, є вказівки на те, що T-reg-клітини дійсно запобігають розвитку аутоімунних захворювань у людини, проте їх роль виявилася ще значнішою. Так, вони беруть участь у реакції організму на проникнення мікробів.

У 1990-х рр. Фіона Паурі (Fiona Powrie) з DNAX, дослідницького інституту в Пало-Альто, шт. Каліфорнія, проводила експерименти з введення популяції Т-клітин, збідненої T-reg, мишам з нефункціонуючою імунною системою. В одній із серій експериментів у тварин розвинулося гостре запалення кишечника. Але аберрантна імунна реакція була спрямована в першу чергу не на клітини самого органу.

У кишківнику як гризунів, так і людини присутні безліч мікроорганізмів. Нерідко їх число перевищує трильйон на кожен грам тканини. Більшість з них не тільки нешкідливі, але навіть необхідні: вони покращують травлення і витісняють патогенні бактерії (наприклад, сальмонели), які в іншому випадку заселили б кишечник. В нормі імунна система ніяк не реагує на присутність корисних, хоча і чужорідних тіл. Але у мишей, які використовувала в своїх дослідах Паурі, все було не так. Введені імунні клітини атакували не тільки мікроорганізми, але і стінки кишечника реципієнта. Однак при ін’єкції клітин T-reg подібних проблем не виникало. І якби останні вводилися разом з іншими Т-клітинами з самого початку, то ніякого запального процесу в кишечнику не виникло б. Підбиваючи підсумки, можна сказати, що імунна система являє собою спусковий механізм, готовий в будь-яку хвилину атакувати мікрофлору кишечника, і стримують її тільки T-reg-клітини.

Відповідь імунної системи на хвороботворні чужорідні агенти може контролюватися аналогічним чином. З одного боку, T-reg-клітини здатні блокувати занадто сильну реакцію, з іншого — запобігати знищенню якогось чужорідного тіла, дозволяючи йому існувати в організмі господаря. Є свідчення того, наприклад, що неможливість повністю знищити бактерію Helicobactor pilori, що живе в шлунку, пов’язана з «умиротворюючою» дією T-reg-клітин на імунну систему.

T-reg сама пригнічує активність інших T-клітин (зображення: «У світі науки»)

Роботи Девіда Сакса (David Sacks) і його колег з Національних інститутів здоров’я проілюстрували всю складність даної ситуації. Справа в тому, що, на думку авторів, неповне знищення в організмі патогенів має позитивну сторону. Був поставлений наступний досвід: мишей інфікували безпечними для них паразитами. Навіть якщо імунна система тварин була здорова, в їхньому організмі залишалося невелике число мікроорганізмів, і тоді повторна інфекція отримувала гідну відсіч. Якщо ж популяція Т-клітин була бідна клітинами T-reg, то паразити знищувалися всі до одного, проте при повторному зараженні імунна реакція була настільки слабкою, ніби організм гризунів ніколи раніше з цими паразитами не зустрічався. T-reg-клітини, мабуть, покращують імунологічну пам’ять, яка забезпечує несприйнятливість організму до повторних заражень і лежить в основі дії вакцин.

Є вказівки і на те, що клітини T-reg сприяють нормальному (з імунологічної точки зору) протіканню вагітності, яка завжди виявляється викликом імунній системі. Оскільки плід успадковує від матері тільки половину генів, а другу отримує від батька, він генетично не ідентичний матері і по суті може вважатися імплантованим органом. Від відторгнення плід захищає цілий ряд механізмів, що функціонують в трофобласті (плацентарної тканини, що з’єднує зародок зі стінкою матки). Трофобласт — не просто фізіологічний бар’єр для речовин, що містяться в материнській крові, шкідливих для плоду: у ньому продукуються молекули-імуносупресанти.

При вагітності імунна система майбутньої матері зазнає змін. Є дані, що у жінок з таким аутоімунним захворюванням, як розсіяний склероз, в період вагітності T-reg-клітини проявляють велику активність. Нещодавно отримано додаткові дані: Александр Бетц (Alexander Betz) з Кембриджського університету виявив, що у вагітних мишей підвищено число материнських клітин T-reg. Причому у генетично модифікованих особин, що не мають T-reg, при виношуванні потомства спостерігається масове проникнення імунних клітин через плацентарний бар’єр. Є підстави вважати, що причиною спонтанних абортів у деяких жінок виявляється низька активність T-reg-клітин.

Використання T-reg-клітин у медицині

Отже, T-reg-клітини є потужним природним регулятором імунної системи. Навчившись впливати на його роботу, ми зможемо лікувати різні захворювання. Очікувати негайного практичного впровадження подібного способу боротьби з недугами, звичайно, не доводиться, але наявні дані дозволяють сподіватися, що введення в організм самих T-reg-клітин або препаратів, що впливають на їх активність, вже незабаром зможе полегшити стан деяких хворих.

Йдеться, насамперед, про аутоімунні захворювання. Можливо, за допомогою T-reg-клітин вдасться впоратися також з різними видами алергії. А легкість, з якою клітини T-reg «втихомирюють» імунну систему, передбачає, що вони можуть стати незамінними при операціях з пересадки органів.

Майбутнє трансплантології (зображення з сайту www.sciam.ru)

Альтернативний метод міг би полягати у виборчому усуненні певних компонентів з популяції T-reg-клітин для придушення небажаної імуносупресії і, отже, для посилення реакції, спрямованої на потрібну мішень. Оптимальним було б видалення тільки тих T-reg-клітин, які блокують специфічну імунну реакцію. Така стратегія може бути незамінна в боротьбі з інфекційними захворюваннями, при яких імунна система, надана самій собі, часто діє не зовсім адекватно, наприклад, при туберкульозі та СНІДі.

Зменшення активності T-reg-клітин можна було б використовувати і при лікуванні онкології. Компоненти імунної системи, циркулюючи в крові і лімфі, пильно стежать за появою в організмі клітин, що перетворилися на ракові. Вони розпізнають їх за певними морфологічними ознаками і зараховують до чужорідних агентів. Заважаючи «патрульним» клітинам імунної системи виконувати роботу, T-reg мимоволі сприяють утворенню і зростанню пухлини. При деяких онкологічних захворюваннях уражені клітини навіть допомагають у цьому клітинам T-reg: вони секретують сигнальні молекули, здатні залучати T-reg і ініціювати перетворення не-T-reg в T-reg. За спостереженнями деяких лікарів, у хворих на рак аномально високий вміст активних T-reg-клітин як у крові, так і в самій пухлині.

Технічні труднощі

Досі не було жодних спроб створити препарати, що збільшують або зменшують чисельність популяції T-reg-клітин безпосередньо в організмі людини. Будь-які засоби, які можна було б використовувати, повинні мати здатність впливати тільки на ті субпопуляції T-reg-клітин, які відіграють роль у розвитку конкретного захворювання. Але як розпізнати такі клітини, фахівці поки не знають.

Варіанти T-reg-терапії
Перелічені тут методи вже проходять клінічні випробування або знаходяться на стадії підготовки. Більшість тестованих речовин, що діють на T-reg-клітини, спрямовані на їх знищення або придушення активності. Введення таких речовин в організм вимагає особливої обережності — при передозуванні можливий розвиток аутоімунного захворювання
Маніпуляції з T-reg-клітинами	Захворювання	Принцип дії
Придушення активності або знищення (для посилення імунної реакції)	Рак шкіри (меланома), яєчників, нирок	Токсин приєднують до інтерлейкину-2, який забезпечує його проникнення в T-reg-клітку. Вводять моноклональні антитіла, здатні знищувати T-reg-клітини або блокувати їх проникнення в пухлину
Проліферація в організмі пацієнта (для придушення імунної реакції)	Розсіяний склероз, псоріаз, хвороба Крона, інсулінозалежний цукровий діабет	Готують вакцину, що містить компоненти Т-клітинного рецептора, з тим, щоб стимулювати проліферацію T-reg-клітин
Проліферація in vitro і введення в організм пацієнта	Реакція «трансплантат проти господаря» (імунні клітини пересадженого кісткового мозку атакують тканини реципієнта)	Культивують T-reg-клітини донора зі специфічними антитілами і факторами зростання. Вводять популяцію T-reg-клітин до пересадки кісткового мозку або під час неї (щоб запобігти відторгненню) або при загрозі виникнення реакції «трансплантат проти господаря»

Розробка методів, заснованих на впливі на T-reg in vitro, теж становить серйозну проблему. Найважче — отримати достатню кількість клітин. Незважаючи на те, що деякі T-reg-клітини можуть повноцінно працювати, навіть перебуваючи в значній меншості щодо тих, на які вони надають супресорну дію, для ефективного лікування аутоімунного захворювання можуть знадобитися десятки мільйонів T-reg-клітин. Виділення такої кількості цих рідкісних елементів з крові пацієнта є неможливим. І, схоже, без розробки методу ампліфікації T-reg in vitro тут не обійтися.

На щастя, проблему «великих чисел» можна вирішити іншим способом. Різними дослідницькими групами встановлено, що клітини з імунносупресивною дією можна створити у відносно великих кількостях, обробивши звичайні T-клітини сумішшю певних хімічних речовин. Чи ідентичні такі клітини, названі Tr1, шуканим T-reg-клітинам — поки неясно, але вони безсумнівно володіють яскраво вираженими імуносупресивними властивостями.

Тепер, коли фахівцям відомо, що Foxp3 служить ключовою молекулою, що контролює розвиток і функціонування T-reg, можна спробувати отримати потрібне число регуляторних клітин, використовуючи стандартний лабораторний метод перенесення гена Foxp3 в більш численні, а тому видобуваються з меншими труднощами Т-клітини іншого типу. Зараз над цим методом працюють багато дослідників, в тому числі і я. Насамперед нас цікавить, які молекулярні процеси ініціюють синтез білка Foxp3 під час розвитку T-reg. Можливо, розібравшись у цьому питанні, вдасться створити лікарські речовини, прийом яких зробить непотрібним виділення відповідних клітин, їх модифікацію і введення в організм.

Що стосується трансплантації органів, то тут розробляється інший спосіб отримання T-reg-клітин з потрібними властивостями. Він передбачає видалення T-reg з організму хворого, якому належить трансплантація, і культивування їх разом з клітинами відповідного органу донора. Мета подібної процедури — отримання T-reg-клітин з унікальними здібностями придушувати відторгнення. Один з нас (Сакагуті) довів, що одноразового введення таких клітин під час пересадки шкіри достатньо для того, щоб трансплантований лоскут повністю прижився. Слід також зазначити, що описана процедура залишає в недоторканності імунну систему реципієнта, анітрохи не знижуючи її здатності протистояти інфекційним та іншим захворюванням.

За останні десять років уявлення про те, як працює захисна система організму, зазнали істотних змін. Зокрема, стало ясно, що хоча вона допускає циркуляцію в крові і лімфі потенційно аутодеструктивних Т-клітин, нею ж передбачено утворення Т-клітин, що контролюють останні. З’ясувавши, як з’являються такі клітини-регулятори і чому вони мають таку високу імуносупресивну активність, ми зможемо використовувати їх для лікування багатьох смертельно небезпечних недуг. Дозволяючи руйнувати «чуже» і суворо охороняючи «своє», T-reg-клітини служать справжніми миротворцями імунної системи.