Иммунология — раздел биологии и медицины [1] , занимающийся изучением иммунных систем [2] всех организмов .
Иммунология картирует, измеряет и контекстуализирует физиологическое функционирование иммунной системы в состояниях как здоровья, так и болезней; нарушения иммунной системы при иммунологических расстройствах (таких как аутоиммунные заболевания , гиперчувствительность [3] , иммунодефицит [ 4] и отторжение трансплантата [5] ); а также физические, химические и физиологические характеристики компонентов иммунной системы in vitro , [6] in situ и in vivo . [7] Иммунология применяется во многих дисциплинах медицины, особенно в области трансплантации органов, онкологии, ревматологии, вирусологии, бактериологии, паразитологии, психиатрии и дерматологии.
Термин был придуман русским биологом Ильей Ильичом Мечниковым [8] , который продвинул исследования в области иммунологии и получил Нобелевскую премию за свою работу в 1908 году вместе с Паулем Эрлихом «в знак признания их работы по иммунитету». Он прикалывал небольшие шипы к личинкам морских звезд и заметил необычные клетки, окружающие шипы. Это была активная реакция организма, пытающегося сохранить свою целостность. Именно Мечников первым наблюдал явление фагоцитоза [9] , при котором организм защищает себя от инородного тела. Эрлих приучил мышей к ядовитым рицину и абрину. После кормления их небольшими, но увеличивающимися дозами рицина он убедился, что они стали «устойчивыми к рицину». Эрлих интерпретировал это как иммунизацию и заметил, что она резко начиналась через несколько дней и все еще существовала через несколько месяцев.
До обозначения иммунитета [ 10] от этимологического корня immunis , что на латыни означает «освобожденный», ранние врачи характеризовали органы, которые позже были доказаны как существенные компоненты иммунной системы. Важными лимфоидными органами иммунной системы являются тимус [ 11] , костный мозг и главные лимфатические 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 встроены или циркулируют в различных тканях, расположенных по всему телу.
Классическая иммунология связана с областями эпидемиологии и медицины . Она изучает взаимосвязь между системами организма, патогенами и иммунитетом. Самое раннее письменное упоминание об иммунитете можно проследить до чумы в Афинах в 430 г. до н. э. Фукидид отмечал, что люди, выздоровевшие от предыдущего приступа болезни, могли ухаживать за больными, не заражаясь болезнью повторно. [12] Во многих других древних обществах есть ссылки на это явление, но только в 19 и 20 веках эта концепция превратилась в научную теорию.
Изучение молекулярных и клеточных компонентов, составляющих иммунную систему, включая их функции и взаимодействие, является центральной наукой иммунологии. Иммунная система была разделена на более примитивную врожденную иммунную систему и, у позвоночных , приобретенную или адаптивную иммунную систему . Последняя далее делится на гуморальные (или антитела ) и клеточно-опосредованные компоненты. [ необходима цитата ]
Иммунная система обладает способностью к само- и несамораспознаванию. [13] Антиген — это вещество, которое запускает иммунный ответ. Клетки, участвующие в распознавании антигена, — это лимфоциты. После распознавания они выделяют антитела. Антитела — это белки, которые нейтрализуют болезнетворные микроорганизмы. Антитела не убивают патогены напрямую, а вместо этого идентифицируют антигены как цели для уничтожения другими иммунными клетками, такими как фагоциты или NK-клетки.
(Антительный) ответ определяется как взаимодействие между антителами и антигенами . [14] Антитела — это специфические белки, высвобождаемые определенным классом иммунных клеток, известных как В-лимфоциты , в то время как антигены определяются как все, что вызывает выработку антител ( генераторов антител ) . Иммунология основывается на понимании свойств этих двух биологических сущностей и клеточного ответа на них обоих.
В настоящее время становится ясно, что иммунные реакции способствуют развитию многих распространенных расстройств, которые традиционно не рассматриваются как иммунологические, [15] включая метаболические, сердечно-сосудистые, онкологические и нейродегенеративные состояния, такие как болезнь Альцгеймера. Кроме того, существуют прямые последствия иммунной системы при инфекционных заболеваниях (туберкулез, малярия, гепатит, пневмония, дизентерия и глистные инвазии). Следовательно, исследования в области иммунологии имеют первостепенное значение для достижений в областях современной медицины, биомедицинских исследований и биотехнологии.
Иммунологические исследования продолжают становиться все более специализированными, изучая неклассические модели иммунитета и функции клеток, органов и систем, ранее не связанных с иммунной системой (Yemeserach 2010).
Специфичность связи между антителом и антигеном сделала антитело прекрасным инструментом для обнаружения веществ с помощью различных диагностических методов. Антитела, специфичные для нужного антигена, могут быть конъюгированы с изотопной (радио) или флуоресцентной меткой или с цветообразующим ферментом для его обнаружения. Однако сходство между некоторыми антигенами может привести к ложноположительным результатам и другим ошибкам в таких тестах из-за перекрестной реакции антител с антигенами, которые не являются точными совпадениями. [16]
Использование компонентов иммунной системы или антигенов для лечения заболевания или расстройства известно как иммунотерапия . Иммунотерапия чаще всего используется для лечения аллергии, аутоиммунных заболеваний, таких как болезнь Крона , тиреоидит Хашимото и ревматоидный артрит , а также некоторых видов рака . Иммунотерапия также часто используется для пациентов с иммунодефицитом (например, больных ВИЧ ) и людей с другими иммунодефицитами. Сюда входят регулирующие факторы, такие как IL-2, IL-10, GM-CSF B, IFN-α.
Клиническая иммунология — это изучение заболеваний, вызванных нарушениями иммунной системы (недостаточность, аберрантное действие и злокачественный рост клеточных элементов системы). Она также охватывает заболевания других систем, где иммунные реакции играют роль в патологии и клинических проявлениях.
Заболевания, вызванные нарушениями иммунной системы, делятся на две большие категории:
К другим нарушениям иммунной системы относятся различные виды гиперчувствительности (например, при астме и других видах аллергии ), которые неадекватно реагируют на безвредные соединения .
Наиболее известным заболеванием, которое поражает непосредственно иммунную систему, является СПИД — иммунодефицит, характеризующийся подавлением CD4+ («хелперных») Т-клеток , дендритных клеток и макрофагов вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).
Клинические иммунологи также изучают способы предотвращения попыток иммунной системы разрушить аллотрансплантаты ( отторжение трансплантата ). [17]
Клиническая иммунология и аллергия обычно являются подспециализацией внутренней медицины или педиатрии . Стипендиаты по клинической иммунологии обычно сталкиваются со многими различными аспектами специальности и лечат аллергические состояния, первичные иммунодефициты и системные аутоиммунные и аутовоспалительные состояния. В рамках своего обучения стипендиаты могут проходить дополнительные ротации в ревматологии , пульмонологии , оториноларингологии , дерматологии и иммунологической лаборатории. [18]
Когда состояние здоровья ухудшается до состояния чрезвычайной ситуации, части органов иммунной системы, включая тимус, селезенку, костный мозг, лимфатические узлы и другие лимфатические ткани, могут быть хирургически удалены для исследования, пока пациент еще жив.
Иммунология в значительной степени экспериментальна в повседневной практике, но также характеризуется постоянным теоретическим подходом. Многие теории были предложены в иммунологии с конца девятнадцатого века до настоящего времени. Конец девятнадцатого века и начало двадцатого века стали свидетелями битвы между «клеточной» и «гуморальной» теориями иммунитета. Согласно клеточной теории иммунитета, представленной, в частности, Эли Мечниковым , именно клетки — точнее, фагоциты — были ответственны за иммунные реакции. Напротив, гуморальная теория иммунитета, которой придерживались Роберт Кох [19] и Эмиль фон Беринг [20] среди других , утверждала, что активные иммунные агенты были растворимыми компонентами (молекулами), обнаруженными в «гуморах» организма, а не в его клетках. [21] [22] [23]
В середине 1950-х годов Макфарлейн Бернет , вдохновленный предложением Нильса Джерне , [24] сформулировал теорию клонального отбора (CST) иммунитета. [25] На основе CST Бернет разработал теорию того, как иммунный ответ запускается в соответствии с различием «свой»/«чужой»: «свой» компонент (компоненты тела) не запускают деструктивный иммунный ответ, в то время как «чужие» сущности (например, патогены, аллотрансплантат) запускают деструктивный иммунный ответ. [26] Позднее теория была изменена, чтобы отразить новые открытия, касающиеся гистосовместимости или сложной «двухсигнальной» активации Т-клеток. [27] Свой/чужой теория иммунитета и словарь «свой/чужой» подвергались критике, [23] [28] [29] но остаются очень влиятельными. [30] [31]
Совсем недавно в иммунологии было предложено несколько теоретических основ, включая « аутопоэтические » взгляды, [32] «когнитивно-иммунные» взгляды, [33] « модель опасности » (или «теорию опасности»), [28] и теорию «прерывности». [34] [35] Модель опасности, предложенная Полли Матцингер и коллегами, оказалась очень влиятельной, вызвав множество комментариев и дискуссий. [36] [37] [38] [39]
Способность организма реагировать на антигены зависит от возраста человека, типа антигена, материнских факторов и области, где представлен антиген. [40] Говорят, что новорожденные находятся в состоянии физиологического иммунодефицита, потому что как их врожденные, так и адаптивные иммунологические реакции значительно подавлены. После рождения иммунная система ребенка положительно реагирует на белковые антигены, но не так хорошо на гликопротеины и полисахариды . Фактически, многие инфекции, приобретенные новорожденными, вызваны низковирулентными организмами, такими как Staphylococcus и Pseudomonas . У новорожденных опсоническая активность и способность активировать каскад комплемента очень ограничены. Например, средний уровень C3 у новорожденного составляет приблизительно 65% от того, что обнаруживается у взрослого. Фагоцитарная активность также значительно нарушена у новорожденных. Это связано с более низкой опсонической активностью, а также с уменьшением регуляции рецепторов интегрина и селектина , что ограничивает способность нейтрофилов взаимодействовать с молекулами адгезии в эндотелии . Их моноциты медленные и имеют сниженную продукцию АТФ , что также ограничивает фагоцитарную активность новорожденного. Хотя общее количество лимфоцитов значительно выше, чем у взрослых, клеточный и гуморальный иммунитет также нарушен. Антигенпрезентирующие клетки у новорожденных имеют сниженную способность активировать Т-клетки. Кроме того, Т-клетки новорожденного плохо пролиферируют и продуцируют очень небольшое количество цитокинов, таких как ИЛ-2, ИЛ-4, ИЛ-5, ИЛ-12 и ИФН-g, что ограничивает их способность активировать гуморальный ответ, а также фагоцитарную активность макрофагов. В-клетки развиваются на ранних стадиях беременности , но не полностью активны. [41]
Материнские факторы также играют роль в иммунном ответе организма. При рождении большая часть присутствующего иммуноглобулина — это материнский IgG. Эти антитела передаются от плаценты к плоду с помощью FcRn (неонатальный Fc-рецептор). [42] Поскольку IgM, IgD, IgE и IgA не пересекают 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 реакция обычно кратковременна и имеет низкое сродство . [41] Эти антитела также могут вызывать отрицательный ответ. Если ребенок подвергается воздействию антитела к определенному антигену до того, как подвергнется воздействию самого антигена, то у ребенка будет ослабленный ответ. Пассивно приобретенные материнские антитела могут подавлять реакцию антител на активную иммунизацию. Аналогично, реакция Т-клеток на вакцинацию отличается у детей по сравнению со взрослыми, и вакцины, которые вызывают реакции Th1 у взрослых, не всегда вызывают те же реакции у новорожденных. [41] Между шестью и девятью месяцами после рождения иммунная система ребенка начинает сильнее реагировать на гликопротеины , но обычно не наблюдается заметного улучшения в их реакции на полисахариды , пока им не исполнится по крайней мере один год. Это может быть причиной различных временных рамок, обнаруженных в графиках вакцинации . [43] [44]
В подростковом возрасте организм человека претерпевает различные физические, физиологические и иммунологические изменения, вызванные и опосредованные гормонами , из которых наиболее значимым у женщин является 17-β-эстрадиол ( эстроген ), а у мужчин — тестостерон . Эстрадиол обычно начинает действовать примерно в возрасте 10 лет, а тестостерон — несколько месяцев спустя. [45] Имеются данные о том, что эти стероиды не только действуют непосредственно на первичные и вторичные половые признаки , но и оказывают влияние на развитие и регуляцию иммунной системы, [46] включая повышенный риск развития аутоиммунитета в пубертатном и постпубертатном периодах. [47] Имеются также некоторые данные о том, что рецепторы клеточной поверхности на В-клетках и макрофагах могут обнаруживать половые гормоны в системе. [48]
Было показано, что женский половой гормон 17-β-эстрадиол регулирует уровень иммунологического ответа, [49] в то время как некоторые мужские андрогены, такие как тестостерон, по-видимому, подавляют реакцию на стресс при инфекции. Однако другие андрогены, такие как ДГЭА , усиливают иммунный ответ. [50] Как и у женщин, мужские половые гормоны, по-видимому, в большей степени контролируют иммунную систему во время полового созревания и после полового созревания, чем в течение остальной части взрослой жизни мужчины.
Физические изменения в период полового созревания, такие как инволюция тимуса, также влияют на иммунологический ответ. [51]
Экоиммунология, или экологическая иммунология, изучает взаимосвязь между иммунной системой организма и его социальной, биотической и абиотической средой.
Более поздние экоиммунологические исследования были сосредоточены на защите патогенов хозяина, традиционно считающейся «неиммунологической», такой как избегание патогенов , самолечение, симбионт -опосредованная защита и компромиссы плодовитости. [52] Поведенческий иммунитет, фраза, придуманная Марком Шаллером , конкретно относится к психологическим факторам избегания патогенов, таким как отвращение , вызванное стимулами, встречающимися вокруг инфицированных патогенами особей, такими как запах рвоты . [ 53] В более широком смысле, «поведенческий» экологический иммунитет был продемонстрирован у нескольких видов. Например, бабочка Монарх часто откладывает яйца на определенные токсичные виды молочая при заражении паразитами. Эти токсины снижают рост паразитов у потомства инфицированной бабочки Монарх. Однако, когда неинфицированные бабочки Монарх вынуждены питаться только этими токсичными растениями, они страдают от потери приспособленности, поскольку продолжительность их жизни сокращается по сравнению с другими неинфицированными бабочками Монарх. [54] Это указывает на то, что откладывание яиц на токсичных растениях является дорогостоящим поведением у монархов, которое, вероятно, развилось в ходе эволюции для снижения тяжести заражения паразитами. [52]
Симбионт-опосредованная защита также наследуется между поколениями хозяев, несмотря на негенетическую прямую основу для передачи. Тли , например, полагаются на несколько различных симбионтов для защиты от ключевых паразитов и могут вертикально передавать своих симбионтов от родителя к потомству. [55] Таким образом, симбионт, который успешно обеспечивает защиту от паразита, с большей вероятностью будет передан потомству хозяина, допуская коэволюцию с паразитами, атакующими хозяина способом, аналогичным традиционному иммунитету.
Сохранившиеся иммунные ткани вымерших видов, таких как тилацин ( Thylacine cynocephalus ), также могут дать представление об их биологии. [56]
Изучение взаимодействия иммунной системы с раковыми клетками может привести к диагностическим тестам и методам лечения, с помощью которых можно обнаружить и бороться с раком. Иммунология занимается физиологической реакцией, характерной для иммунного состояния. Воспаление — это иммунный ответ, который наблюдается при многих типах рака. [57]
Эта область иммунологии посвящена изучению иммунологических аспектов репродуктивного процесса, включая принятие плода . Термин также использовался клиниками по лечению бесплодия для решения проблем с фертильностью, повторных выкидышей, преждевременных родов и опасных осложнений, таких как преэклампсия .