Иммунология — раздел биологии и медицины [1] , занимающийся изучением иммунной системы [2] всех организмов .
Иммунология отображает, измеряет и контекстуализирует физиологическое функционирование иммунной системы как в состоянии здоровья, так и при заболеваниях; сбои в работе иммунной системы при иммунологических нарушениях (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 находит применение во многих областях медицины, особенно в области трансплантации органов, онкологии, ревматологии, вирусологии, бактериологии, паразитологии, психиатрии и дерматологии.
Термин был придуман русским биологом Ильей Ильичем Мечниковым [8] , который продвинул исследования в области иммунологии и получил Нобелевскую премию за свою работу в 1908 году с Паулем Эрлихом «в знак признания их работы по иммунитету». Он приколол маленькие шипы к личинкам морских звезд и заметил необычные клетки, окружающие шипы. Это была активная реакция организма, пытающегося сохранить свою целостность. Именно Мечников впервые наблюдал явление фагоцитоза , [9] при котором организм защищается от инородного тела. Эрлих приучил мышей к ядам рицину и абрину. Накормив их небольшими, но увеличивающимися дозами рицина, он установил, что они стали «устойчивыми к рицину». Эрлих интерпретировал это как иммунизацию и заметил, что она была внезапно начата через несколько дней и все еще существовала через несколько месяцев.
До обозначения иммунитета [10] от этимологического корня immunis , что в переводе с латыни означает « освобожденный», ранние врачи характеризовали органы, которые позже были доказано как важные компоненты иммунной системы. Важными лимфоидными органами иммунной системы являются тимус , [11] костный мозг и основные 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 встроены или циркулируют в различных тканях, расположенных по всему телу.
Классическая иммунология тесно связана с областями эпидемиологии и медицины . Он изучает взаимосвязь между системами организма, возбудителями и иммунитетом. Самое раннее письменное упоминание об иммунитете относится к периоду чумы в Афинах в 430 году до нашей эры. Фукидид отмечал, что люди, выздоровевшие от предыдущего приступа болезни, могут выхаживать больных, не заражаясь болезнью во второй раз. [12] Многие другие древние общества упоминают об этом явлении, 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 подразделяется на более примитивную врожденную иммунную систему и, у позвоночных , приобретенную или адаптивную иммунную систему . Последний далее делится на гуморальный (или антитела ) и клеточно-опосредованный компоненты. [ нужна цитата ]
Иммунная система обладает способностью самораспознавания и не-самораспознавания. [13] Антиген – это вещество, которое запускает иммунный ответ. Клетки, участвующие в распознавании антигена, представляют собой лимфоциты. Как только они узнают, они выделяют антитела. Антитела – это белки, которые нейтрализуют болезнетворные микроорганизмы. Антитела не убивают патогены напрямую, а идентифицируют антигены как мишени для разрушения другими иммунными клетками, такими как фагоциты или NK-клетки.
Ответ (антитела) определяется как взаимодействие между антителами и антигенами . [14] Антитела — это специфические белки, высвобождаемые определенным классом иммунных клеток, известных как В-лимфоциты , а антигены определяются как все, что вызывает выработку антител ( генераторы антител ). Иммунология основана на понимании свойств этих двух биологических объектов и клеточной реакции на оба.
Сейчас становится ясно, что иммунные реакции способствуют развитию многих распространенных заболеваний, которые традиционно не рассматриваются как иммунологические, [15] включая метаболические, сердечно-сосудистые, раковые и нейродегенеративные состояния, такие как болезнь Альцгеймера. Кроме того, имеются и прямые последствия иммунной системы при инфекционных заболеваниях (туберкулезе, малярии, гепатите, пневмонии, дизентерии, глистных инвазиях). Следовательно, исследования в области иммунологии имеют первостепенное значение для достижений в области современной медицины, биомедицинских исследований и биотехнологий.
Иммунологические исследования продолжают становиться более специализированными, преследуя неклассические модели иммунитета и функций клеток, органов и систем, ранее не связанных с иммунной системой (Yemeserach 2010).
Специфичность связи между антителом и антигеном сделала антитела отличным инструментом для обнаружения веществ с помощью различных диагностических методов. Антитела, специфичные для желаемого 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 ослабленным иммунитетом (например, ВИЧ- инфицированных ) и людей с другими иммунодефицитами. Сюда входят регулирующие факторы, такие как IL-2, IL-10, GM-CSF B, IFN-α.
Клиническая иммунология — наука о заболеваниях , вызванных нарушениями иммунной системы (отказ, аберрантное действие и злокачественный рост клеточных элементов системы). Оно также включает заболевания других систем, в патологии и клинических особенностях которых играют роль иммунные реакции.
Заболевания, вызванные нарушениями иммунной системы, делятся на две большие категории:
Другие нарушения иммунной системы включают различные виды гиперчувствительности (например, астма и другие аллергии ), которые неадекватно реагируют на безобидные соединения .
Наиболее известным заболеванием, поражающим саму иммунную систему, является СПИД , иммунодефицит, характеризующийся подавлением CD4+ («помощников») Т-клеток , дендритных клеток и макрофагов вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).
Клинические иммунологи также изучают способы предотвращения попыток иммунной системы уничтожить аллотрансплантаты ( отторжение трансплантата ). [17]
Клиническая иммунология и аллергия обычно являются узкой специализацией внутренних болезней или педиатрии . Стипендиаты в области клинической иммунологии, как правило, знакомятся со многими различными аспектами специальности и лечат аллергические состояния, первичные иммунодефициты, а также системные аутоиммунные и аутовоспалительные состояния. В рамках своего обучения стажеры могут проводить дополнительные ротации в ревматологии , пульмонологии , оториноларингологии , дерматологии и иммунологической лаборатории. [18]
Когда состояние здоровья ухудшается до критического состояния, части органов иммунной системы, включая тимус, селезенку, костный мозг, лимфатические узлы и другие лимфатические ткани, могут быть удалены хирургическим путем для исследования, пока пациенты еще живы.
Иммунология в повседневной практике является строго экспериментальной, но для нее также характерен постоянный теоретический подход. С конца XIX века до настоящего времени в иммунологии было предложено множество теорий. В конце XIX и начале XX веков произошла битва между «клеточной» и «гуморальной» теориями иммунитета. Согласно клеточной теории иммунитета, представленной, в частности, Эли Мечниковым , именно клетки, точнее, фагоциты, отвечают за иммунные реакции. Напротив, гуморальная теория иммунитета, которой придерживались, среди прочего, Роберт Кох [19] и Эмиль фон Беринг [20] , утверждала, что активные иммунные агенты представляют собой растворимые компоненты (молекулы), обнаруженные в «гуморах» организма, а не в его клетках. . [21] [22] [23]
В середине 1950-х годов Макфарлейн Бернет , вдохновленный предложением Нильса Йерна , [24] сформулировал теорию клонального отбора (ТКТ) иммунитета. [25] На основе CST Бернет разработал теорию того, как иммунный ответ запускается в соответствии с различием «свой» и «чужой»: «собственные» составляющие (компоненты тела) не вызывают деструктивных иммунных реакций, в то время как «чужие» сущности (например, патогены, аллотрансплантат) вызывают деструктивный иммунный ответ. [26] Позже теория была модифицирована, чтобы отразить новые открытия, касающиеся гистосовместимости или сложной «двухсигнальной» активации Т-клеток. [27] Теория иммунитета «я/чужой» и словарь «я/чужой» подвергались критике, [23] [28] [29] , но остаются очень влиятельными. [30] [31]
Совсем недавно в иммунологии было предложено несколько теоретических концепций, в том числе « аутопоэтические » взгляды, [32] «когнитивно-иммунные» взгляды, [33] « модель опасности » (или «теория опасности»), [28] и «теория прерывистости». "теория. [34] [35] Модель опасности, предложенная Полли Матцингер и ее коллегами, оказала большое влияние, 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 антиген представлен. [40] Говорят, что новорожденные находятся в состоянии физиологического иммунодефицита, поскольку их врожденные и адаптивные иммунологические реакции сильно подавлены. После рождения иммунная система ребенка положительно реагирует на белковые антигены, но не на гликопротеины и полисахариды . Фактически, многие инфекции, приобретенные новорожденными, вызваны микроорганизмами с низкой вирулентностью, такими как стафилококк и псевдомонада . У новорожденных опсоническая активность и способность активировать каскад комплемента очень ограничены. Например, средний уровень С3 у новорожденного составляет примерно 65% от уровня у взрослого. Фагоцитарная активность у новорожденных также сильно нарушена. Это происходит из-за более низкой опсонической активности, а также снижения активации рецепторов интегрина и селектина , которые ограничивают способность нейтрофилов взаимодействовать с молекулами адгезии в эндотелии . Их моноциты медленные и имеют сниженную выработку АТФ , что также ограничивает фагоцитарную активность новорожденного. Хотя количество общих лимфоцитов значительно выше, чем у взрослых, клеточный и гуморальный иммунитет также нарушен. Антигенпрезентирующие клетки новорожденных имеют пониженную способность активировать Т-клетки. Кроме того, Т-клетки новорожденного плохо пролиферируют и производят очень небольшое количество цитокинов, таких как IL-2, IL-4, IL-5, IL-12 и IFN-g, что ограничивает их способность активировать гуморальный ответ, а также фагоцитарная активность макрофагов. В-клетки развиваются на ранних сроках беременности , но не полностью активны. [41]
Материнские факторы также играют роль в иммунном ответе организма. При рождении большая часть присутствующего иммуноглобулина представляет собой материнские IgG. Эти антитела передаются от плаценты к плоду с помощью FcRn (неонатальный рецептор Fc). [42] 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 на срок до 18 месяцев, но их реакция обычно кратковременна и имеет низкую аффинность . [41] Эти антитела также могут давать отрицательный ответ. Если ребенок подвергается воздействию антитела к определенному антигену до того, как подвергся воздействию самого антигена, у ребенка будет наблюдаться ослабленная реакция. Пассивно приобретенные материнские антитела могут подавлять гуморальный ответ на активную иммунизацию. Аналогичным образом, реакция Т-клеток на вакцинацию у детей различается по сравнению со взрослыми, а вакцины, индуцирующие ответы Th1 у взрослых, не всегда вызывают такие 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 реакции на полисахариды , пока ему не исполнится хотя бы один год. Это может быть причиной различных временных рамок 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 10 лет, а тестостерон – через несколько месяцев. [45] Есть данные, что эти стероиды не только действуют непосредственно на первичные и вторичные половые признаки , но также влияют на развитие и регуляцию иммунной системы, [46] включая повышенный риск развития пубертатного и постпубертатного аутоиммунитета. . [47] Есть также некоторые свидетельства того, что рецепторы клеточной поверхности В-клеток и макрофагов могут обнаруживать половые гормоны в организме. [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 стрессовую реакцию на инфекцию. 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 в период 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, исследует взаимосвязь между иммунной системой организма и его социальной, биотической и абиотической средой.
Более поздние экоиммунологические исследования были сосредоточены на защите хозяина от патогенов, традиционно считающейся «неиммунологической», такой как избегание патогенов , самолечение, симбионтная защита и компромисс между плодовитостью. [52] Поведенческий иммунитет, фраза, придуманная Марком Шаллером , конкретно относится к психологическим факторам избегания патогенов, таким как отвращение , вызываемое раздражителями, встречающимися вокруг инфицированных патогеном людей, такими как запах рвоты . [53] В более широком смысле, «поведенческий» экологический иммунитет был продемонстрирован у многих видов. Например, бабочка Монарх часто откладывает яйца на некоторые токсичные виды молочая при заражении паразитами. Эти токсины уменьшают рост паразитов у потомства зараженного Монарха. Однако, когда неинфицированные бабочки-монархи вынуждены питаться только этими токсичными растениями, они страдают от потери физической формы в виде сокращения продолжительности жизни по сравнению с другими неинфицированными бабочками-монархами. [54] Это указывает на то, что откладка яиц на токсичных растениях является дорогостоящим поведением для монархов, которое, вероятно, развилось для уменьшения тяжести паразитарной инфекции. [52]
Защита, опосредованная симбионтами, также передается по наследству от поколения к хозяину, несмотря на негенетическую прямую основу передачи. Тля , например, использует несколько разных симбионтов для защиты от ключевых паразитов и может 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, что позволяет коэволюцию с паразитами, атакующими хозяина, аналогично 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 разработке диагностических тестов и методов лечения, с помощью которых можно будет обнаруживать рак и бороться с ним. Иммунология занимается физиологическими реакциями, характерными для иммунного состояния.
Это направление иммунологии посвящено изучению иммунологических аспектов репродуктивного процесса, в том числе зачатия плода . Этот термин также использовался клиниками репродуктивной медицины для решения проблем бесплодия, привычных выкидышей, преждевременных родов и опасных осложнений, таких как преэклампсия .