Вирусы и эпидемии в истории мира. Прошлое, настоящее и будущее - Румянцев Дмитрий О. 5 стр.

1,2

+

+

3–5

3–5

5,6

7

3-5

Главными силами в сражении с вирусами являются антитела и T-лимфоциты. Для борьбы с вирусами оспы, кори, желтой лихорадки, полиомиелита, геморрагической лихорадки и гриппа антитела, CD4

+

+

Четко определить, кто победит в гонке между вирусом и организмом-хозяином, часто можно менее, чем за 10–14 дней. Если побеждает иммунный ответ, вирусы элиминированы и инфицированный субъект выживает, часто получив стойкий иммунитет к данному вирусу. Однако если иммунная системаповержена, острая фаза заболевания либо приводит к смерти хозяина, либо переходит в устойчивую хроническую форму. Во время хронической устойчивой инфекции сроки заболевания увеличиваются и непрерывная репликация вируса может продолжаться, несмотря на реакцию иммунной системы, которая в данной ситуации по определению не положила и уже не может положить конец инфекции или ликвидировать вирус. В отличие от относительно короткого протекания острой формы инфекционного заболевания, этот долгосрочный сценарий разыгрывается, например, при ВИЧ и гепатитных инфекциях.

Инфекция ВИЧ развивается следующим образом: вскоре после того, как она проникает в хозяйскую клетку и реплицирует там, цитотоксические CD8

+

+

Вакцинация – это медицинская стратегия, призванная стимулировать иммунную систему на защиту от конкретного болезнетворного микроорганизма до столкновения с этой инфекцией в реальной жизни. В действительности она подготавливает составляющие иммунной системы к немедленному запрограммированному ответу на вирусную инфекцию, когда организм хозяина впервые ей подвергнется

1

Исторически разработка противовирусных вакцин проходила по трем направлениям. Первый путь использует «живые» вирусы». Их приготавливают, пропуская вирусы через лабораторных животных (вводя их путем инъекций в организм подопытных животных, а затем снова выделяя) и тканевые культуры, или только культуры клеток, что снижает патогенность вируса для человека. Этот процесс, известный как аттенуация (ослабление), приводит к появлению нового штамма вируса с достаточным потенциалом для того, чтобы вызвать реакцию иммунной системы, но не болезнь. Ослабленный вирус затем проверяется на подопытных животных, а после этого – на волонтерах, чтобы убедиться в его безопасности и способности создавать иммунитет, то есть эффективности. Такой метод был использован при успешной разработке действенных вакцин против оспы, кори, желтой лихорадки и вакцины Сейбина от полиомиелита. Второй путь – это подавление активности опасного вируса, по сути его убийство, при помощи какого-нибудь химиката, например формалина. Затем убитый вирус проверяют на способность вызывать иммунный ответ. Вакцина Солка от вируса полиомиелита – удачный пример такого подхода. Третья опция – создание вирусной субъединицы, рекомбинанта, или ДНК-вакцины. Удачным примером такой вакцины является рекомбинантная вакцина против гепатита B; другие субъединицы и ДНК-вакцины в настоящее время подвергаются экспериментальной проверке.

Клетки реагируют на живые и убитые вирусы по-разному. Преобразование вирусных антигенов клетками идет двумя различными путями, а именно MHC I класса и MHC II класса

1

+

+

Что представляют собой CD8

+

+

+

+

+

+

+

+

+

1

+

+

1,6–14

+

1,2

+

T-лимфоциты используют свои рецепторы на поверхности клетки для взаимодействия с белковыми фрагментами или пептидами вирусных антигенов, прикрепленными к MHC на поверхности инфицированных клеток. Эти белки MHC в действительности переносят вирусные пептиды на поверхность клеток. Таким образом, T-лимфоциты ищут чужеродные антигены (в данном случае вирусные антигены – пептиды, произведенные из вирусного антигена) на поверхности зараженных клеток, на которых данный вирус паразитирует. Цитотоксические T-клетки, опознав инфицированную клетку как «чужеродную» (содержащую вирус), активируются и немедленно уничтожают зараженную клетку и/или высвобождают хемокины и цитокины, предупреждающие об опасности и вооружающие другие клетки организма хозяина на борьбу с вирусом. Кроме того, некоторые из этих цитокинов способны непосредственно препятствовать репликации вирусов. Такими средствами распространение вируса ингибируется, и очаг инфекции ликвидируется.

Иммунный ответ антител и цитотоксических T-клеток зависит от количества лимфоцитов, которые производятся кроветворными стволовыми клетками во время процесса образования крови. Антитела и CTL представляют две составляющие специфических реакций иммунной системы на антигены; оба они играют важную роль в борьбе с инфекцией. На самом деле вся иммунная система обладает врожденной гибкостью, благодаря которой соответствующий вклад каждой из ее составляющих варьируется в зависимости от природы инфицирующего вируса. Антитела в основном воздействуют на вирусы в жидкостных средах тела, и, соответственно, наиболее эффективно ограничивают их распространение в крови или цереброспинальных жидкостях, которые омывают головной и спинной мозг. Посредством этого антитела уменьшают содержание вирусов и снижают их способность инфицировать клетки, а следовательно, и количество зараженных клеток. Однако уничтожение инфицированных вирусом клеток и их удаление из организма – дело главным образом CTL. Расправляясь с инфицированными клетками, T-лимфоциты ликвидируют производство вирусного потомства. По мере того, как число вирионов сокращается, работа антител становится проще.

Прежде чем продолжить рассказ о T-лимфоцитах, я сделаю отступление, чтобы описать антитела, которые являются большими белковыми молекулами. Антитела производятся В-лимфоцитами, названными так из-за их источника – костного мозга

1,2

Антитела захватывают и нейтрализуют вирусы, используя один из нескольких механизмов

1,16

1) антитела могут предотвратить заражение, обволакивая внешний шиповидный белок вируса, который закрепляется на рецепторе клетки и дает возможность вирусу проникнуть внутрь;

2) антитела могут собрать вирусы вместе, в комок, так что количество нетто инфекционных частиц сократится;

3) с помощью комплемента/подкрепления – группы белков в крови – антитела могут лизировать (разрушать) вирусы

16

4) антитела могут воздействовать на вирусные антигены на внешней мембране инфицированной клетки, чтобы ограничить производство или транскрипцию вирусных молекул внутри клетки, а следовательно, сократить количество создаваемых вирусов

17

Каждая молекула антитела воздействует на конкретный антиген или определенную вирусную молекулу-мишень. С помощью генов, дающих указания синтезу разнообразных антител, организм-хозяин может синтезировать их миллиарды. Развитие и поддержание в рабочем состоянии антивирусных антител и T-клеток происходило для того, чтобы они действовали согласованно для сдерживания вирусных инфекций. Однако при определенных вирусных заболеваниях (корь, грипп, ВИЧ, и т. д.) основная роль ложится на T-клетки, тогда как при взаимодействии с семейством энтеровирусов (полиомиелит, вирусы Коксаки) главная роль оказывается у антител. Трансфер антител может ограничить развитие текущей инфекции, например, при ВИЧ

18

Теперь, возвращаясь к T-клеткам, следует отметить, что CD4

+

+

+

+

19

РИСУНОК 3.1. Стадии уничтожения инфицированной вирусом клетки Т-лимфоцитами (a – c): (а) стрелка указывает на Т-лимфоцит, прикрепившийся к зараженной клетке; (с) инфицированная вирусом клетка сжалась, на ней появились волдыри или вздутия, и она погибла. Все эти стадии проходят менее, чем за две минуты. Бар, 14 мк; (d – f) прикрепление Т-лимфоцита к клетке-мишени, которую лимфоциты уничтожить не могут. Продолжительность всего процесса от (d) до (f) – более 30 минут. Бар, 8 мк. Микрофотография Клауса Хана и Майкла Б. А. Олдстоуна.

Когда организм впервые сталкивается с инфицирующим его вирусом или подвергается воздействию вакцины, содержащей вирусные антигены, он генерирует специфические антитела, а также цитотоксические лимфоциты, реагирующие именно на этот вирус. (Рисунок 3.2.) Реакция CTL-лимфоцитов начинается в первый день заражения и увеличивается в 10

5

6

РИСУНОК 3.2. С помощью дополнительных белков (протеинов) в крови или без них антитела могут обволакивать вирусы: (а) антитело воздействует на коронавирус, собирая вирусные части вместе в один ком; (в) антитело при помощи комплементарных агентов немедленно разрушает вирус; (с, вверху) ретровирус, (с, внизу) аренавирус. В процессе разрушения ретровируса в нем образуются дыры (стрелки на рисунке), однако лизис (разрушение/растворение) аренавируса запускает цепочку событий, которые в конечном итоге приводят к выходу вирусных нуклеиновых кислот во внешнее по отношению к вирусу пространство и за пределы защитной вирусной оболочки. Микрофотография из лаборатории Майкла Б. А. Олдстоуна

После этого количество клеток сокращается и удерживается на уровне 1–2 % всех генерируемых; такие клетки превращаются в клетки иммунной памяти

1,11–13

20,21

22

+

1,23–27

Когда вирусная инфекция, такая как ВИЧ, затягивается, значит иммунный ответ не справился с ликвидацией вируса. Гены, которыми обладают все вирусы, несут одну из двух главных функций. Одна группа генов гарантирует репликацию вирусного потомства. Она кодирует белки, защищающие вирусы от жестких тяжелых условий при переносе от одного организма-хозяина к другому; иными словами, геены защищают вирус, когда он проходит через внешнюю окружающую среду. Кодируются также вирусные белки, которые связывают вирус с рецепторами на клетках, способствуют проникновению вируса внутрь клетки, обеспечивают соответствующее оповещение его к началу репликации, сборки и выходу вирусного потомства из клетки, на которой он паразитирует. Среди главных целей второй группы генов – модуляция иммунной системы организма-хозяина. С помощью таких методов вирус может манипулировать нормальной работой иммунной системы, чтобы избежать отслеживания и уничтожения как его самого, так и инфицируемых им клеток. Результатом становится устойчивость существования вирусов в живом организме-хозяине.

Прорывом в изучении иммунной реакции на вирусы, инфицирующие только человека, при котором используется экспериментальная мышиная модель, стало создание человеческой иммунной системы в организме мыши – так называемой очеловеченной (гуманизированной) мыши. Такие гуманизированные мыши могут дать ответы на вопросы, необходимые для изучения человеческого организма (например, использование такого вируса, как ВИЧ, для инфицирования человека) и на которые нельзя ответить при помощи других экспериментальных моделей. Организм таких лабораторных мышей подвергается генетической манипуляции, в результате которой их иммунная система перестает вырабатывать мышиные T- и В-клетки. А затем им трансплантируют эмбриональную иммунную систему человека

28

Часть II. История успеха

Глава четвертая. Оспа: влияние на геополитику

Оспа, убившая почти 300 миллионов людей только в XX веке, – в три раза больше, чем погибло за все войны этого века, – наконец уничтожена

1,2

11 сентября 2001 года изменило Америку и весь мир. Заговор с целью намеренно направить два коммерческих самолета на столкновение с башнями-близнецами Всемирного торгового центра на Манхэттене указал всем странам земного шара на их уязвимость перед фанатиками, ценящими смерть дороже жизни и не считающимися с ни в чем не повинным гражданским населением. Еще раньше были устроены взрывы террористами-смертниками, и этот сценарий продолжает разыгрываться на Ближнем Востоке, в Африке, Азии и Европе.

С пониманием того, что нападения террористов-смертников могут стать причиной гибели большого числа людей, пришел страх перед биологическим терроризмом. Из нескольких имеющихся биологических возбудителей инфекции вирус оспы стоит если не наверху списка, то близко к его началу. Этот вирус прошел полевые испытания и доказал свою эффективность еще в конце 1700-х годов в битвах между французами и англичанами, известных в США как Война между французами и индейцами; затем во время Американской революции (Войны за независимость); и еще позднее – во Вторую мировую войну

1–7

8

Когда биологический агент начинают рассматривать как оружие, в первую очередь исследуется его вирулентность: она указывает на способность микроба (в данном случае – вируса оспы) вызывать заболевание. Факторы вирулентности зашифрованы внутри генов вируса, и современная технология позволяет ими манипулировать, чтобы увеличить силу его воздействия до такого уровня, до которого природа еще не доходила. До 11 сентября вирус оспы был известен в двух видах: оспа серьезная (мажор), от которой умирал каждый третий, и оспа малая (минор) – природный штамм оспы, от которого умирал всего один человек из 100. Вирус оспы – один из наиболее известных вирусов человека, большинство его генов сходны в обоих его вариантах. Итак, лишь малое число отличий в последовательностях генов определяет, будет количество вызванных им смертей значительным или нет. Нет никаких сомнений, что вирус оспы мажор в своей природной форме или измененный для увеличения вирулентности был бы выбран в качестве биотеррористического оружия.

Восприимчивость относится к предрасположенности хозяина (в данном случае человека) заражаться инфекцией. В природе вирус оспы заражает только людей. До введения вакцины двое из трех инфицированных оспой выживали. И все же, так как человеческий геном состоит примерно из 20 000–25 000 кодирующих генов, мы обладаем лишь фрагментарными знаниями относительно того, какие гены или факторы определяют, кто выживет, а кто умрет.

Самая первая разработанная вакцина была призвана защитить людей от оспы. После длительной борьбы за применение вакцинации ВОЗ в итоге преодолела сопротивление с разных сторон, в результате чего вирус оспы больше не наносит вред человечеству. Такой успех покорился лишь вакцине от оспы. В конце концов, так как оспа была элиминирована во всем мире, программа вакцинации была завершена, что принесло колоссальную экономию средств, выделяемых правительствами на здравоохранение и медицинское обслуживание. Также удалось избежать пусть немногих, но постоянно сопутствующих вакцинации неблагоприятных последствий. С 1980-х годов, а в некоторых странах, таких как США, с 1960-х вакцинация от оспы среди населения, за исключением некоторых государственных служащих и военного персонала, не проводилась. Вследствие этого большинство современного населения мира не было привито от оспы и, соответственно, восприимчиво к этому заболеванию, случись вирусу оспы появиться опять.