Как работает иммунитет

Как работает иммунитет
Екатерина Сергеевна Умнякова

Библиотека Гутенберга
Как различные живые организмы защищаются от инфекций? Можно ли укрепить иммунитет витаминами и закаливанием? Вредят ли прививки организму или они необходимы? Есть ли иммунитет у младенцев и как лучше оберегать их от инфекционных болезней? Как защищается от инфекций наш мозг? Хорошо ли, если иммунитет работает очень активно? Книга, которую вы, дорогие читатели, держите в руках, хранит ответы на эти и другие вопросы!

Для широкого круга читателей.

Екатерина Сергеевна Умнякова

Как работает иммунитет

© Умнякова, Е.С., текст, 2019

© ООО «Издательство АСТ», 2019

Вступление

Мы живем в мире, который не принадлежит человечеству. Вокруг нас обитает бессчетное множество бактерий, вирусов, микроскопических грибков, одноклеточных водорослей и простейших. Именно они – представители древнейших форм жизни – составляют большинство организмов и фактически господствуют на Земле. Многие из них представляют опасность для других живых существ. В том числе, могут нанести сокрушительный удар по здоровью человека. Например, бактерия Yersinia pestis спровоцировала три крупнейших в человеческой истории эпидемий чумы, которые в сумме унесли жизни более 130 млн человек. Другой опасный возбудитель – вирус натуральной оспы. По оценкам Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ), к середине XX века ежегодно около 50 миллионов человек заболевали оспой, а два миллиона инфицированных – умирали. К счастью, оспу удалось победить к 1980 году, но это вовсе не означает, что вспышки заболевания не смогут повториться в будущем.

Люди во все времена ежедневно контактировали с массой возбудителей инфекций. Чтобы противостоять самым разным угрозам – внешними и внутренними, а также обеспечить организму постоянство внутренней среды, эволюция создала защитную систему, которую сегодня мы называем иммунитетом. Изучением его работы занимается наука иммунология. Несмотря на то, что люди с древнейших времен имели некоторые представления об инфекционных заболеваниях и пытались теми или иными способами с ними бороться, как система знаний и раздел медицины иммунология сформировалась только около века назад благодаря трем основоположникам этого направления – Луи Пастеру, Паулю Эрлиху и Илье Мечникову. Около 120 лет назад они совершили важнейшие фундаментальные открытия в этой области.

Человечество сегодня не знает еще очень многого о работе иммунитета. Например, как иммунная система и ее отдельные компоненты связаны с другими системами нашего организма. Какие именно функции выполняют некоторые компоненты иммунной системы? Из-за чего происходит сбой в работе иммунитета, при котором он начинает атаку на клетки организма, а не на вредоносных возбудителей? Неизвестным до сих пор остается и механизм появления клеток памяти – лимфоцитов, которые «запоминают» патоген и при повторной встрече с ним молниеносно запускают иммунные реакции.

Идея книги заключается в том, чтобы максимально доступно, но без излишних упрощений рассказать о том, что сегодня наука знает об иммунитете. Как функционирует иммунная система и что может происходить при нарушении работы иммунитета? Как на самом деле защитить организм от заболеваний?

Кроме того, вы узнаете о самых распространенных заблуждениях, связанных с иммунитетом. Действительно ли прививки вредны, а для укрепления иммунной системы достаточно витаминов? Правда ли, что новорожденным следует создавать стерильные условия для того, чтобы дети выросли здоровыми? Могут ли иммуностимуляторы и витамин С остановить развитие инфекционных заболеваний?

Разберемся вместе. Приятного чтения!

Часть I

Общие представления о защитных механизмах организма человека

Как наше тело оберегает себя от внешних угроз?

Чтобы это понять, давайте представим себе средневековый замок: высокие покатые стены, ров с водой, который окружает здание с четырех сторон, котлы с кипятком или кипящим маслом, расположенные при входе над вратами для обороны.

Защитная система нашего организма по своим функциям напоминает средневековый замок. Ее «стены» – это покровные ткани или эпителии, которые в том числе мешают инфекциям проникнуть внутрь нашего тела. Жидкая защитная среда организма или воображаемый ров с водой – это слизь носоглотки, мочеполовых путей и желудочно-кишечного тракта. А котлами с кипящим маслом в организме служат антимикробные вещества, которые способны напрямую убивать бактерии и другие вредоносные патогены. Например, желудочный сок, растворяющий потенциально опасные микробы за счет высокого содержания кислоты и различных пищеварительных ферментов. Все перечисленные виды защиты— неспецифические. Их еще называют физиологическими барьерами для инфекций. Они защищают организм в любой момент без каких-либо специальных сигналов.

Кроме неспецифических защитных механизмов, существуют специализированные «инструменты» обороны нашего организма. Они напоминают стражников замка, которые ведут боевое дежурство и действуют в ситуациях нападения противника в соответствии со своей специализацией. Например, антимикробные пептиды – это клетки иммунитета, которые способны «расстреливать» потенциальных возбудителей заболеваний.

Защитная система организма человека действует комплексно на самых разных фронтах. С одной стороны, она при помощи покровных тканей, жидких сред организма и других неспецифических механизмов защиты создает фундаментальный барьер для проникновения и размножения вредоносных организмов, с другой – умеет распознавать угрозу и предпринимать различные по силе и направлению действия, чтобы ее ликвидировать. В крайнем случае – успешно обороняться, если не удается сразу справиться с угрозой. Каким образом работает иммунная система? Что нам известно о специфических и неспецифических способах защиты организма, и как они взаимодействуют друг с другом? Об этом речь пойдет в следующих главах, а пока более подробно остановимся на неспецифических механизмах защиты – физиологических барьерах.

Физиологические барьеры организма и инфекции

Наша система защиты включает в себя неспецифические механизмы или физиологические барьеры. Мы сравнивали их с замком – они защищают организм от вредоносных микроорганизмов без запуска определенных иммунных реакций. Такого рода защита подразумевает создание «экстремальных» условий для возбудителей заболеваний.

Наше тело снаружи и внутри выстилают различные эпителии— покровные ткани, состоящие из специализированных клеток. Разумеется, эпителиальные клетки кожи, воздухоносных путей и легких, желудочно-кишечного и мочеполового трактов различны по строению. И, тем не менее, все они плотно прилегают друг к другу и препятствуют проникновению каких-либо чужеродных организмов физически и химически – большинство эпителиальных клеток вырабатывают слизь, антибиотические или бактериостатические вещества. Это жирные кислоты, антимикробные белки, пептиды и многие другие. Поверхность некоторых эпителиальных тканей покрыта клетками с ресничками. Они обеспечивают постоянный ток воздуха или жидкости. Все эти и другие меры чаще всего не позволяют микробам и вирусам проникнуть в организм, закрепиться на тканях и оставить свое потомство. Но исключения все же бывают.

Инфекции развиваются только тогда, когда патоген колонизирует поверхности или преодолевает физиологические барьеры организма. Эти процессы происходят особенно стремительно при ожогах и ранах. Быстрее всего инфекции распространяются, если повреждены эпителиальные ткани внутренней среды организма. В подобных ситуациях инфекция часто становится одной из основных причин смерти, потому что инфекционные процессы в теле могут протекать незаметно и долго без яркой симптоматики.

При отсутствии ранений или ожогов некоторые патогены иногда прикрепляются к эпителиальным поверхностям, размножаются и заселяют доступные ткани. Они делают все это несмотря на создаваемые организмом препятствия. Патогены устанавливают в районах колонизации свои порядки – забирают питательные вещества и используют их в собственных интересах, мешают росту и нормальному функционированию клеток и тканей организма. Они могут нарушить или истребить нормальную микробиоту человека.

В норме всего этого не происходит. Бактерии организма препятствуют размножению патогенов и стимулируют выработку необходимых для организма человека полезных веществ. Например, некоторые виды лактобактерий кишечника могут синтезировать витамины группы B. Этот процесс очень важен для организма, ведь самостоятельно – без кишечных бактерий – он не может вырабатывать ни витамины, ни многие другие необходимые для жизни вещества.

Относительно низкий pH кожи (pH 4,0–7,0), довольно низкий pH желудочного сока (pH 1,5–2) также препятствуют размножению патогенных микроорганизмов. В желудке вырабатывается соляная кислота HCl. Она создает необходимые условия для переработки поступившей пищи, а также обеззараживает содержимое желудка.

За низкий уровень pH кожи ответственны сразу несколько кислот. В первую очередь, это лактат – молочная кислота, различные жирные кислоты, а также сульфаты холестерола. Сами по себе все эти вещества не оказывают такого сильного воздействия, как, например, соляная кислота, но в комплексе они создают непригодные условия для жизни болезнетворных микроорганизмов.

Ферменты, содержащиеся в желудочно-кишечном тракте, в слизистых, воздухоносных и мочеполовых путях, тоже обеспечивают неблагоприятные условия для жизни болезнетворных бактерий. Еще одним физиологическим барьером нашей защитной системы организма часто становятся постоянные токи жидкости, слизи и воздуха – все они мешают патогенным клеткам закрепиться на различных поверхностях тела и их колонизировать. Кроме того, защититься от возбудителей инфекций людям помогают безусловные рефлексы: кашель и чихание удаляют микробы из верхних дыхательных путей, рвота очищает от патогенов желудок, а диарея – кишечник. Согласно одной из гипотез, повышение температуры тела при лихорадке стимулирует иммунный ответ и ускоряет процесс ликвидации инфекций.

Физиологические барьеры и некоторые условные рефлексы – это неспецифические механизмы защиты организма, которые действуют в любое время дня и ночи без распознавания и создают препятствия разным возбудителям инфекций. Однако сам по себе такой «защитный бастион» не может уберечь организм человека от многих угроз, поэтому нам необходимы более специфические механизмы защиты.

Иммунитет и его составляющие

Специфические защитные реакции принято называть иммунитетом. Точного и общепринятого определения этого термина нет до сих пор, но функции защитной системы организма ученым более или менее понятны. Компоненты иммунной системы обнаруживают патоген и запускают физиологические процессы, которые приводят к его удалению из тела, а также ликвидируют последствия пребывания инфекционного агента. В крайних случаях, когда уничтожение невозможно, иммунная система осуществляет локализацию угрозы. Ключевое событие для запуска иммунного ответа – распознавание.

Традиционно считается, что прежде всего иммунитет оберегает нас от инфекций, которые могут вызываться различными вирусами, бактериями, простейшими, червями-паразитами. Для распознавания, уничтожения и локализации угроз иммунитет использует множество специальных клеток и молекул, которые выполняют все эти процессы в кратчайшие сроки, а во многих случаях помогают организму приобрести устойчивость к заражениям определенными инфекциями в будущем. Кроме того, иммунная система занимается сбором «клеточного мусора» – собственных клеток организма, которые разрушаются естественным образом. Их присутствие в теле человека увеличивает риск развития самых разных заболеваний, в том числе – аутоиммунных, при которых иммунная система атакует здоровые клетки организма вместо того, чтобы защищать их.

Как и любая другая жизненно важная система организма – дыхательная, пищеварительная, сердечно-сосудистая и другие, иммунитет состоит из определенных компонентов. Ученые условно делят иммунитет на врожденный и приобретенный. Врожденный иммунитет включается в борьбу с инфекцией, как только она попадает в организм. Компоненты этой системы распознают инфекционный агент и уничтожают его. Приобретенный работает иначе. После обнаружения источника инфекции формируется иммунный ответ, который может подразумевать образование антител и/или клеток-памяти против конкретного патогена. Только после этого включаются механизмы борьбы с инфекцией. И врожденный иммунитет, и приобретенный обладают специальными клетками и молекулами. У врожденного иммунитета есть свой арсенал клеток и молекул, а у приобретенного – свой. Иммунные клетки – это своего рода «солдаты», которые охраняют «замок», а молекулы – это «оружие», с помощью которого производится «залп» по инфекционным агентам. В некоторых случаях молекулы становятся сигналами и командами, которыми обмениваются «солдаты» разных подразделений.

Врожденный иммунитет – более древний способ защиты организма, чем приобретенный. Не только люди, но и другие животные обладают врожденным иммунитетом, который сразу реагирует на проникающие в организм патогены – бактерии, грибки, вирусы и многие другие. Получается, что к моменту возникновения у человека первых симптомов недомогания, врожденный иммунитет работает в полную силу уже несколько часов. С высокой степенью вероятности именно он через несколько дней избавит организм от инфекции – за исключением тех случаев, когда в теле оказывается не вирус простуды, а более опасный возбудитель. Для того, чтобы побороть простудное заболевание, необходимо только медикаментозное лечение симптомов. Как шутят иммунологи: «Если лечить простуду, то человек поправится за семь дней, а если не лечить, то – за неделю».

Клетки врожденного иммунитета распознают патогены при помощи соответствующих рецепторов – специальных молекулярных структур, которые находятся на поверхности или внутри клеток. Они работают как антенны и могут распознавать не только чужеродные микроорганизмы, но и собственные измененные умирающие клетки и поврежденные молекулы. После того, как распознавание произошло, рецепторы подают сигнал клеткам врожденного иммунитета, которые приступают к переработке клеточного и молекулярного «мусора».

Приобретенный иммунитет появился в природе гораздо позже врожденного. Первыми обладателем приобретенного иммунитета считаются древние рыбы. Приобретенный иммунитет усовершенствовал иммунный ответ организма, дополнил его, а в некоторых случаях даже «облегчил» работу врожденному иммунитету. В результате он оказался эволюционно выгоден, поэтому закрепился у разных видов живых существ. Приобретенному иммунитету свойственен феномен иммунологической памяти, представленный лимфоцитами, которые ранее встречались с патогеном и знают, как на него реагировать. Кроме того, клетки памяти хранят информацию о структуре антител, которые они вырабатывают при повторной встрече с патогенами. Антитела – молекулы иммунной системы, способные метить чужеродные клетки, сигнализируя таким образом другим иммунным клеткам об угрозе и необходимости уничтожить потенциальную опасность. Благодаря клеткам памяти иммунная система экономит время – процессы распознавания и уничтожения с их участием происходят намного быстрее. В некоторых случаях антитела и вовсе препятствуют проникновению инфекции в организм (об этих молекулах подробнее в разделе «Молекулы иммунитета»).

Органы иммунитета

В иммунологии принято делить органы иммунитета или лимфоидные органы на первичные и вторичные. В первичных лимфоидных органах – в тимусе и в костном мозге – происходит созревание T- и B-лимфоцитов, то есть клеток приобретенного иммунитета. Тимус или вилочковая железа – это небольшой орган, где происходит «обучение» T-лимфоцитов или Т-клеток. Тимус расположен за грудиной, в верхней части грудной клетки. Этот орган с возрастом неизбежно подвергается атрофии и замещается жировой тканью. В тимусе T-лимфоциты проходят отбор. В кровоток попадают только те из них, которые способны адекватно реагировать на инфекционные агенты и не поражать клетки организма. Остальные Т-лимфоциты – а их, как ни странно, большинство – уничтожаются с помощью программы клеточной гибели или апоптоза. Другой тип лимфоцитов – B-лимфоциты или B-клетки. Они также, как и все лимфоциты, образуются в костном мозге. В-клетки необходимы иммунной системе для того, чтобы запускать синтез антител против конкретного патогена, а также хранить информацию о том, какой именно тип антител может понадобиться при повторной встрече с конкретным возбудителем инфекции. В отличие от Т-клеток, В-лимфоциты не проходят строгий отбор и не гибнут массово. После образования B-лимфоцитов в костном мозге клетки переходят во вторичные лимфоидные органы – лимфатические узлы, селезенку и различные лимфоидные ткани слизистых, где происходит их созревание.

В костном мозге образуются все лейкоциты – белые кровяные тельца, которые осуществляют иммунные реакции. Лейкоциты – это потомки стволовых клеток крови, из которых в том числе развиваются красные кровяные тельца эритроциты, переносящие кислород, и кровяные пластинки тромбоциты, участвующие в каскаде свертывания крови под действием различных молекулярных факторов. Созревание и специализацию некоторые иммунные клетки завершают в иммунных органах – уже после выхода из органов кроветворения.

Лимфатические узлы – это органы округлой формы, которые располагаются вблизи лимфатических сосудов, соединяющих иммунные органы. Они играют роль своеобразных фильтров, которые собирают антигены – части чужеродных организмов. В этих узлах при взаимодействии антигенов с клетками приобретенного иммунитета происходит запуск образования антител – молекул-меток, при помощи которых иммунные клетки ликвидируют угрозы и оберегают организм от инфекций.

Работа лимфатической системы невозможна без соединительной ткани, которая циркулирует внутри системы. Лимфа – бесцветная прозрачная вязкая жидкость. Она движется по лимфатическим сосудам в сторону узлов системы за счет сокращения окружающих мышц. Лимфа содержит большое количество лимфоцитов, способных бороться с различными инфекциями. Здесь же B-лимфоциты секретируют антитела. Течение соединительной ткани внутри узла происходит достаточно медленно, и это дает лимфоцитам возможность взаимодействовать с другими лимфоцитами и дендритными клетками. Благодаря этому взаимодействию происходит запуск иммунного ответа со стороны приобретенного иммунитета.

Рисунок 1. Лимфатическая система

Селезенка – это самый крупный лимфоидный орган у позвоночных, который находится в брюшной полости. Его основная функция – быть фильтром для лимфы. В селезенке также происходит ее обогащение антителами. На ранних стадиях развития плода селезенка работает как орган кроветворения и производит в том числе самые первые иммунные клетки организма.

Клетки иммунитета

Прежде, чем переходить к описанию иммунных клеток, вспомним, что такое живая клетка и как она устроена.

Клетка – это структурно-функциональная элементарная единица строения и жизнедеятельности живого. Все живые организмы состоят из клеток. В некоторых случаях весь организм может быть представлен одной клеткой. Так, например, любая бактерия или микроскопический грибок, водоросль или простейшее является самостоятельной единицей живого.

Схема строения клетки животного