И. В. Домарадский

Перекрестный иммунитет: состояние, проблемы перспективы[1]

Иммунология, 1993, № 3, с. 6-9
Давно известно, что при иммунизации одним видом микроорганизма развивается устойчивости не только к вызываемому им заболеванию, но и к другим возбудителям. Именно данное явление получило название перекрестного или гетерологичного иммунитета. Принято считать, что перекрестный иммунитет слабее гомологичного. Однако иногда напряжен­ность гетерологичиого иммунитета бывает выше, чем гомологичного ("па­радоксальный" иммунитет, Громов,1958) К сожалению, значение перекрест­ной защиты для профилактики недооценивается. Это тем более странно, что уже сейчас перекрестная защита служит аффективным средством борь­бы с рядом инфекций. Классическим примером является оспа.

Может возникнуть вопрос, зачем нужна перекрестная иммунизация, ес­ли можно использовать прививки гомологичного возбудителя или его антигенов? Но дело как раз в том, что в отдельных случаях без перек­рестной иммунизации обойтись нельзя. Есть ряд заболеваний, при которых иммунитет или не развивается, или существует до тех пор, пока возбудитель находится в организме, Причину этого усматривают в том, что соответствующие возбудители не образует протективных антигенов ("иммуногенов”), или тем, что из-за особенностей патогенеза инфекций отсутствует стимул для эффективной иммунологической перестройки организма. В та­ких случая препятствия на пути достижения эффективного иммунитета могут быть преодолены благодаря использованию гетерологичных агентов, обладающих лучшими антигенными свойствами или изменяющих фон, на кото­ром развивается инфекционный процесс.

В создании перекрестного иммунитета возникает необходимость и тог­да, когда трудно получить живые вакцины, а убитые вакцины либо антигены возбудителя защиту не вызывают; находки родственных возбудителей, менее патогенных, чем данный, могут способствовать успешному решению подобной проблемы.

Сейчас наметилось еще одно показание к созданию именно перекрест­ной защиты. Я имею в виду больных с иммунодефицитами, активная иммуниза­ция которых малоэффективна (Доновитц,1990); профилактику вторичных инфекций у соответствующих больных пытаются осуществлять за счет ведения им антител к общим антигенам возбудителей наиболее частых заболеваний (пока грамотрицательных).

Наконец, применение ассоциированных или последовательных прививок не всегда проходит бесследно для человека, и тогда вред, наносимый ими, не перекрывается пользой, например, при неправильных комбинациях антигенов, дозировках или интервалах между их введением. Зная возможности перекрестного иммунитета, в наших силах набежать конкуренции или интерференции антигенов и в то же время, не "перегружая" ими организм, достичь определенной степени невосприимчивости к тем заболеваниям, для профилактики которых приходится использовать несколько препаратов, пусть даже уровень этой невосприимчивости не будет столь высок. В первую очередь, сказанное должно принимать­ся во внимание при разработке мер борьбы с внутрибольничными инфекциями.

В общем можно считать, что перекрестного иммунитета достичь лег­че, когда он носит гуморальный характер (или в нем доминируют гумора­льные компоненты). В таких случаях, исходя из химической структуры ан­тигенов соответствующего возбудителя, можно создать препараты, вызывающие образование защитных антител. Именно так дело обстоит при ряде вирусных инфекций, при которых роль гуморальных факторов сводится к защите чувствительных клеток от проникновения в них вирусов. Однако то же имеет место и в случае некоторых инфекций бактериальной этиологии, в частности, при риккетсиозах.

Сложнее решать проблему, если защита обусловливается клеточными факторами, многие из которых еще плохо изучены: активацией макрофагов или гранулоцитов, стимуляцией нормальных киллеров, действием кининов, включая медиаторы неизвестной природы, и др. Но все же добиться неспецифической защиты в подобных случаях вполне воз­можно. К сожалению, одних лишь сведений об антигенной структуре возбу­дителей здесь, в общем, явно недостаточно. К сказанному добавлю, что, по мнению Kaufmann (1989), не все механизмы защиты от бактерий и вирусов имеют "иммунологическую природу"[2].

Как я уже указывал, изучение перекрестного иммунитета сейчас поднято на новую ступень. Это связано, главным образом, с успехами иммуно­химии и существенным прогрессом в области иммунологии, а также достиже­ниями молекулярной биологии.

Первое дало возможность понять, от чего зависит антигенная специфи­чность и какова ее химическая сущность. Выяснилось, что в большинстве случаев специфичность зависит не от всей макромолекулы, а от отдель­ных группировок, которые ей присущи, или от их сочетаний (эпитопы). Этому в немалой степени способствовало введение в практику моноклональных антител. Именно сочетание новых физико-химических методов, обладающих мощной разрешающей способностью, с использованием моноклональных антител и позволило сделать рывок вперед. Особенно впечатляющие результаты по­лучены при изучении липополисахаридов (ЛПС), в частности их ядра, ряда белковых антигенов (М белки стрептококков, антиген 5 туберкулез­ного микроба, пили гонококков, риккеттсий — групповой белковый антиген, кандидат на "химическую вакцину") и токсинов, например, знтеротоксинов стафилококка и коклюша. Интересно отметить, что в последнем случае при­менение моноклональных антител дало возможность объяснить возникнове­ние эпитопов токсина за счет ассоциации его субъединиц (Frank и Parker, 1964) и, тем самым, подтвердить гипотезу Neurath и Rubin (1971) о возмо­жной причине ряда неудачных попыток по получению субъединичных вирус­ных вакцин. Число примеров можно увеличивать до бесконечности.

Чтобы больше не возвращаться к вопросу о моноклональных антителах, которые, кстати, способны только к перекрёсту первого типа (Берзовски и Берковер, 1989),упомяну о весьма успешных попытках борьбы с шоком, вызываемым грамотрицательными микробами (Kirkland и Ziegler,1984). Это- одно из новых следствий изучения перекрестных реакций.

Второе (прогресс в области иммунологии) позволяет теперь разобраться в механизмах перекрестной защиты, зависящей от клеточных, но не от гуморальных факторов. В частности, появилась возможность осуществлять адоптивную защиту, т.е. защиту за счет переноса Т-лимфоцитов, "подготов­ленных" чужеродными агентами (Bishop и Hinrich, 1987), или использовать их для индукции интерфероны (Edwards и сотр.,1981;Коgа и coтp.,1988; Czuprynski и Brown,1987).

Все вместе взятое дало ответ еще на один вопрос, а именно о происхождении "нормальных" антител к ряду инфекций бактериальной этиологии. Давно уже известно, что у многих детей с возрастом увеличивается частота появления антител к патогенным бактериям, образующим капсулу, даже если дети не были их носителями и не являются реконвалесцентами. Сейчас с большой долей вероятности можно утверждать, что это обусловливается постоянным воздействием на людей непатогенных видов назофарингеальных и кишечных бактерий, в первую очередь бактерий, дающих перекресты с менингококками, пневмококками, Н. influenzae типа b и другими патогенами.[3]

Значение достижений в области молекулярной биологии заключается в следующем.

Если какой-то детерминант индуцирует защитную реакцию ор­ганизма, хотя и является гетерологичным, но его трудно выделить, что бывает сплошь да рядом, то прибегают к "обходному маневру” - к пере­даче соответствующих генов другому, часто непатогенному, микробу. Такая же необходимость возникает и в тех случаях, когда микроб с нужным де­терминантом трудно аттенуировать, а мертвые клетки иммунитета не создают. Получая рекомбинантный штамм, мы как бы моделируем "гетерологичную" вакцину. Сказанное можно иллюстрировать серией ярких примеров, относящихся к дизентерии, холере и менингитам.

Убитые парентеральные вакцины против дизентерии оказались неэффек­тивными. Напротив, обнадеживающие результаты удалось получить с аттенуированными штаммами, используемыми как оральные вакцины. Предложено не­сколько таких вакцин, но каждой из них присущи те или иные недостатки. Поэтому работы по созданию более совершенных штаммов продолжаются. Одно из направлений связано с попытками создать штамм кишечной палочки, ко­торый бы обладал всеми атрибутами иммуногенности шигелл. Известно, что для "полной" вирулентности Sh.flexneri требуется наличие О антигена, образование которого зависит от генов, расположенных как на хромосоме, так и на 140 mDa-ной плазмиде. Установлено также, что гены, необходимые для проникновения шигелл в клетки зпителия кишечника, тоже располагают­ся на хромосоме. Основываясь на этом, Sansonetti и сотр. (1983),путем по­следовательной конъюгации передали кишечной палочке от Sh.flexneri 2a "большую" плазмиду и область хромосомы с частью генов кластера rfb и ге­нов, нужных для секреции жидкости. В итоге был создан рекомбинантный штамм, у морских свинок вызывающий кератоконъюнктивит, а у кроликов инвазию эпителиальных клеток и усиление секреции жидкости в изолированных петлях кишечника. Штамм оказался безвредным для добровольцев и, судя по предварительным данным (Formal и сотр., 1986), защищал обезьян от заболевания при пероральном заражении их вирулентным штаммом Sh.flexneri.

Второе направление реализуется за счет применения в качестве реципи­ента штамма S.typhi Ту21а, известного как "живая вакцина против брюш­ного тифа"(Germanier и Furer,1975) .Этому штамму передали 120-mDa-ную плазмиду Sh.sonnei, несущую часть генов синтеза О антигена. Полученный рекомбинантный штамм 5076-1С образует два О антигена: один сальмонеллезный, а второй гетерологичный, шигеллезный и индуцирует два типа антител. При пероральном применении штамм был безвредным для добровольцев в дозе 50 млрд. живых микробных тел (Levine и сотр., 1983). Рекомбинантный штамм был испытан в полевых условиях (Black и сотр.,1987), тремя дозами которого были вакцинированы per оs молодые люди. Вакцинированные и невакцинированные добровольцы бы­ли подвергнуты заражению вирулентным штаммом Sh.sonnei. У вакцинирован­ных добровольцев, в зависимости от серии вакцины зашита, достигала 40-53%.

Уже в ходе последней пандемии холеры начались попытки получения по­лноценных вакцин для ее профилактики. Однако до сих пор окончательно проблему решить не удалось. В связи с этим большой интерес представля­ет работа Clements и сотр.(1986), которые на основе стабильного ara his мутанта Salmonella dublin создали рекомбинантный штамм EL23 с геном, кодирующим образование субъединицы В термолабильного токсина E.coli(LT).У мышей, иммунизированных per оs живым штаммом EL23, выявлялись сы­вороточные и секреторные антитела к субъединеце В и ЛПС "вакцинного" штамма, причем секреторные антитела (IgA) in vitro нейтрализовали как LT, тaк и холерный токсин.

Еще один пример.

Между капсульными полисахаридами менингококков и некоторых серотипов кишечной палочки (К антигены) имеется большое сходство или даже иден­тичность. Структура полисахарида типа В хорошо изучена. Он представляет собой гомополимер N-ацетилнейраминовой кислоты. Хорошо изучен также механизм образования зтого полисахарида (Маsson и Holbein, 1983),протекающий в несколько стадий как в цитоплазме менингококка, так и на цитоплазматической мембране. Мы говорим об этом столь подробно потому, что полисахарид менингококка ти­па В оказался идентичным полисахариду E.coli K1 — возбудителю пример­но 80% всех случаев менингита у новорожденных. Однако эта идентичность свойственна лишь одному варианту E.coli K1, а именно тому, у которого сиаловая кислота не содержит О-ацетильных групп в положении 7 и 9. Тем не менее идентичность указанных полисахаридов вселяет надежду на возможность успешного решения проблемы профилактики менингита типа В за счет создания перекрестной защиты. Эта надежда подкрепля­ется тем, что оба полисахарида являются иммуногенами. Недавно удалось получить человеческие моноклональные антитела (Raff и сотр,1988),реа­гирующие с полисахаридом как менингококка типа В, так и E.coli К1,не содержащим О-ацетильных групп. In vitro моноклональные антитела прояв­ляли опсоно-фагоцитарную активность в присутствии только комплемента человека. Наряду с этим они защищали животных трех видов от заражения E.coli K1 (заражение кишечной палочкой проводилось потому, что до сих пор удовлетворительной модели для воспроизведения менингита не найдено). Выяснилось также (Lively и сотр.,1989),что потомство кроликов, ва­кцинированным комплексом полисахарида и мембранных белков (серотипа 6), было значительно более устойчиво к заражению E.coli K1,нежели потом­ство не иммунизированных животных. Остается напомнить еще один важный факт: все гены, участвующие в синтезе и секреции полисахарида менинго­кокков типа В, отклонированы в клетках кишечной палочки и экспрессируются в них (Frosch и сотр.,1989).

Здесь уместно еще раз подчеркнуть, что понятие "иммуногенность" гор­аздо шире и сложнее, чем понятие "антигенность", хотя часто между ними ставят знак равенства. Одна из возможных причин, вследствие которой не каждый антиген является иммуногеном, может заключаться в том, что даже незначительных изменений в структуре уже может быть достаточно, чтобы антиген терял свойств иммуногена.

.Выше указывалось, что причина перек­рестных реакций кроется в химической структуре антигенов. Сейчас это стало аксиомой. Тем не менее надо попытаться найти ответ еще на один вопрос — о происхождении антигенной общности и ее биологическом значении. По моему мнению, происхождение антигенной общности следует искать в принципах генетической организации всего живого, в её консерватизме. Одно из подтверждений этого я усматриваю в наличии почти у многих родственных белков, помимо вариабельных, консервативных (константных) областей. Классической иллюстрацией сказанного может служить структура антител. Каждая молекула иммуноглобулина состоит из легких и тяжелых цепей, причем у тех и других N-концавые остатки молекул являются вариабельными, а С-концевые — константными (Уотсон,1976; Альбертс и сотр.,1987).

Второй иллюстрацией являются данные о первичной структуре токсинов некоторых видов бактерий. Из их числа особого внимания заслуживают две группы токсинов:

1.Токсин холерного вибриона (СЕ) и термолабильные токсины (LT) кишечной палочки и

2. Термостабильные токсины возбудителя кишечного иерсиниоза (Yst)и кишечной палочки (ST).

Между токсинами первой группы выявлена значительная общность. Все они вызывают диарею, обусловленную повышением уровня цАМФ в эпителии кишечника за счет НАД-зависимого АДФ-рибозилирования мембранных белков, состоят из двух субъединиц, из которых субъединица А обладает каталитической активностью, а субъединица В служит для связывания с мембранными рецепторами. Соответственно этому выявлена существенная го­мология структурных генов и сходство организации их оперонов (Dallas и Falkow, 19801; Neill и сотр., 1983; Yamomoto и сотр., 1987). Несмотря на различную локалиацию генов (у холерных вибрионов на хромосо­ме, а у кишечной палочки на плазмидах), ген LT экспрессируется в клетках холерного вибриона и, что особенно важно, подобно SТ секретируется во внешнюю среду (Nai11 и сотр.,1983).

Иммуногенность СТ и LT связана, главным образом, с их В субъединицами. В случае СТ, например, почти весь антитоксин абсорбируется этими субъединицами (Levine и сотр.,!983). Сопоставление аминокислотного со­става субъединиц В обоих токсинов показало, что, как и в случае антител, гомология (на 79%) отмечается на С-концевой части молекул субъединиц. Неудивительно поэтому, что перекрестные реакции между СТ и LT приписывают именно этой гомологии (Dallas и Falkow,1988).Однако сходство в первичной структуре не ограничивается только субъединицами В. Оно выявлено при анализе также субъединиц А; различия оказались минимальны­ми и касались единичных аминокислот (Yamomoto и сотр.,1987). Все сказанное объясняет результаты, полученные Holgren и Svennerholm (1979) и Gillingan и Brown (1983),по перекрестным реакциям между субъединицами СТ и LT.

ST и Yst относятся к числу токсинов, действие которых разыгрывает­ся на поверхности или внутри мембран чувствительным к ним клеток, и также связаны с диареей у людей и домашних животных, но при этом они действуют через изменение уровня цГМФ (Stephen и Pietrowski, 1986). Вопреки различиям в молекулярных массах и в некоторых других свойствах, ST и Yst дают перекрестные реакции, в результате которых антитела к одному из них нейтрализуют действие второго (Okamoto и сотр.,1983). Идентичность тринадцати аминокислотных остатков в С-концевой части молекул обоих токсинов и существенные различия между N-концевыми час­тями объясняют причину сходства между токсинами (Takao и сотр.,1985), подтвержденную получением синтетических аналогов; из них активными были лишь те, которые моделировали структуру С-концевой части молек­улы (Inoue и сотр.,1986). Результаты недавних исследований о "консе­рвативности" строения активных доменов ST и Yst еще раз убеждают в этом.

Вкратце остановлюсь также на белках М стрептококков группы А, кото­рые относят к главным факторам вирулентности этих микробов. Белки М — фибриллярные макромолекулы, расположенные на поверхности клеток. В настоящее время насчитывается более 80 серотипов белков М, причем ус­тановлено, что антигенная вариабельность связана с N-концевой частью, тогда как С-терминальная половина их молекул является консервативной. Иммунитет, который развивается при введении С-концевой части молекулы белка М, носит "групповой" характер; предохраняет мышей от заболева­ния при нанесении им стрептококков группы А на слизистую оболочку но­соглотки (Bessen и Fischetti,1988).

Создается впечатление, что общие антигены отражают наличие общей функции, присущей представителям близких видов и родов. В процесс» эво­люции они оказались более консервативными, менее подверженными измен­чивости. Некоторые из них локализуются не на поверхности, а в более глубоким слоях клеточной стенки. Взять хотя бы ЛПС, имеющие общий план строения у всех грамотрицательных бактерий. Изменчивость обычно касается их боковых цепей, которые выстоят наружу. В то же время ядро ЛПС весьма сходно по структуре, во всяком случае, у представителей од­ного или даже нескольких семейств. То же отмечается у вирусов. Считается, что большинство специфических антигенов у них локализуется в наиболее удаленных от сердцевины участках вирусной частицы, а криптотопы (замаскированные эпитопы) являются общими для многих вирусов.

Еще одна причина антигенной общности может быть связана со способ­ность микроорганизмов к обмену генетической информацией. Первые указа­ния на это были получены еще в классических опытах Avery и сотр., 1944) по изменению типов пневмококков с помощью изолированной ДНК. Вторые принадлежат Freeman (1951), открывшему феномен фаговой кон­версии. Наконец, третьи стали известными сразу же после открытия у бак­терий процесса конъюгации (Lederberg и Tatum, 1946). Важно подчеркнуть, что возможность появления у бактерий новых антигенов и вызываемой ими способности давать перекрестные реакции ни в коей мере не противоре­чат моим взглядам на первопричину их возникновения. Генетический перенос лишь способствует их распространению в природе и выявлению у тех видов, которым они не свойственны. К сожалению, тема настоящего обзора не позволяет мне рассмотреть многочисленные аспекты возможной роли генетического обмена в изменчивости бактерий. Отмечу только, что наибо­льшее значение в ней принадлежит, по-видимому, бактериофагам, с которы­ми бактерии сталкиваются как in vivo,.так и во внешней среде (Reanney, 1976).

Попытаюсь сформулировать первоочередные задачи, решение которых расширит возможности перекрестного иммунитета и может способствовать более успешной борьбе с инфекционными заболеваниями:

— выяснение соотношения между различными факторами иммунитета при ин­фекциях с учетом экологических особенностей им возбудителей;

— всесторонний анализ механизма естественной резистентности к инфек­циям, в частности с позиций сравнительной иммунологии;

— критическая оценка серологических связей между инфекционными аген­тами и поиски критериев отбора их для испытания in vivo;

— дальнейшая расшифровка структуры эпитопов и поиски эффективных пу­тей получения искусственных ("неприродных") антигенов с нужными де­терминантами |

— выяснение причин возникновения идентичных антигенов и путей их био­синтеза, а также продолжение попыток по созданию живых "гетеровакцин";

— "оживление" интереса к природе нормальных антител и их роли в имму­нитете,

В заключение хотелось бы заметить, что ряд вопросов, поднятых сейчас, были сформулированы еще 30 лет назад (Домарадский,1973).3а эти годы многое удалось узнать и понять, однако еще больше предстоит сде­лать в будущем. И еще одно замечание. Почти все, о чем я говорил, отно­сится не только к микроорганизмам, но также к патогенным грибам, простейшим и гельминтам.
http://wwwdomaradsky.ru/