История развития иммунобиотехнологии

1. История развития иммунобиотехнологии

Иммунобиотехнология- наука  о защитных реакциях организма, направленных на сохранение его структурной и  функциональной целостности и биологической  индивидуальности. Иммунология —  быстро развивающаяся дисциплина широкого биологического профиля, выросшая как  отрасль медицинской микробиологии. Теоретические направления в  Иммунобиотехнологии — изучение на клеточном и молекулярном уровне механизма образования антител, их патогенетической роли, филогенеза и онтогенеза иммунной системы —  всё чаще объединяют термином иммунобиология.

Иммунология берёт своё начало из следующего наблюдения: люди, перенёсшие заразное заболевание, обычно могут  без опасности для себя ухаживать  за больными во время эпидемий данного  заболевания. В 1796 Э. Дженнер разработал способ искусственной иммунизации против оспы путём заражения человека коровьей оспой. Начало И. как самостоятельной науке положило открытие Л. Пастера (1880), обнаружившего, что иммунизация кур старой холерной культурой создаёт у них устойчивость к заражению высоковирулентным возбудителем куриной холеры. Пастер сформулировал основной принцип создания вакцин и получил вакцины против сибирской язвы и бешенства. И. И.Мечников (1887) открыл феномен Фагоцитоза и создал клеточную (фагоцитарную) теорию иммунитета. К 1890 работами немецкого бактериолога Э. Беринга и его сотрудников было показано, что в ответ на введение микробов и их ядов в организме вырабатываются защитные вещества — Антитела. Немецкий учёный П. Эрлих (1898, 1900) выдвинул гуморальную теорию иммунитета. В 1898—99 бельгийский учёный Ж. Борде и русский учёный Н. Н. Чистович обнаружили образование антител в ответ на введение чужеродных эритроцитов и сывороточных белков. Это открытие положило начало неинфекционной И. В 1900 австрийский иммунолог К. Ландштейнер открыл Группы крови человека и создал основу учения о тканевых изоантигенах .Новое, предсказанное австралийским учёным Ф. Бёрнетом направление в иммунологии — учение об иммунологической толерантности — возникло после экспериментального воспроизведения этого феномена английским учёным П. Медаваром (1953).        

 Начало отечественной  И. положили работы И. И. Мечникова,  А. А. Безредки, Г. Н. Габричевского,  Н. Ф. Гамалеи, Л. А. Тарасевича. Советская И. 20—30-х гг. наряду  с решением практических вопросов  плодотворно занималась теоретическими  исследованиями (работы И. Л. Кричевского,  В. А. Барыкина, В. А. Любарского, С. И. Гинзбург-Калининой). В 40—60-е  гг. проблемы И. успешно решались  под руководством Л. А. Зильбера, П. Ф. Здродовского, Г. В. Выгодчикова,  М. П. Покровской, В. И. Иоффе,  А. Т. Кравченко, П. Н. Косякова  и др.

2. Направления и связь с другими науками.

Иммунобиотехнология развивается  очень быстрыми темпами, особенно на стыках с химией, генетикой, физиологией, радиобиологией и др. отраслями биологии и медицины. Иммунология  состоит  из ряда более или менее четко  определившихся направлений.  Иммуноморфология изучает анатомию, гистологию и цитологию иммунной системы организма. В ней используются гистологические и цитологические методы исследования, культивирование клеток вне организма, световая, флуоресцентная и электронная микроскопия, авторадиография и др. В последние годы весь процесс первичного иммунного ответа лимфоидных клеток удалось воспроизвести в пробирке. Установлено, что специфический иммунный ответ, а отчасти и естественная устойчивость организма обеспечиваются функцией его лимфоидной системы и рассеянных по всем тканям фагоцитирующих клеток .Свойством захватывать антиген обладают нейтрофильные и эозинофильные гранулоциты, моноциты и тромбоциты в крови; гистиоциты в соединительной ткани; микроглия в мозге; синусные клетки печени, селезёнки, надпочечников, костного мозга и передней доли гипофиза; ретикулярные клетки селезёнки, лимфатических узлов, костного мозга, тимуса (вилочковой, или зобной, железы) и небольшая часть циркулирующих лимфоцитов. Основная масса введённого во внутреннюю среду организма антигена захватывается, разрушается и устраняется этими клетками. Лишь доли процента антигенных молекул сохраняются долгое время, вызывая специфические иммунологические реакции. Особо важную роль приписывают тем молекулам антигена, которые оседают на поверхности ретикулярных клеток в лимфатических узлах. Иммунный ответ происходит при взаимодействии, по крайней мере, двух типов малых лимфоцитов ,которые постоянно мигрируют в тканях, циркулируя по лимфатическим и кровеносным путям.        

 Клетки одного типа (В-клетки) происходят из костного  мозга и при встрече с антигеном  превращаются в клетки, образующие  антитела (плазматические клетки). Клетки  другого типа (Т-клетки) происходят  из тимуса. Им свойственна способность  специфически реагировать на  антигенные молекулы и обеспечивать  взаимодействие В-клеток с антигеном.         

 В иммунологически  зрелом (иммунокомпетентном) организме  фагоцитирующие клетки и Т-  и В-лимфоциты осуществляют все  формы специфического ответа: образуют  циркулирующие антитела, относящиеся  к разным классам иммуноглобулинов, реализуют иммунные реакции клеточного  типа — замедленную повышенную  чувствительность, отторжение трансплантата  и др. Так организм отвечает  на ряд бактериальных и паразитарных  инвазий (туберкулёз, бруцеллёз,  лейшманиоз), а также на пересадку  клеток и тканей от другого  организма .Дифференцировка и взаимодействие этих клеток под влиянием антигена могут привести к возникновению иммунологической «памяти» или специфической иммунологической толерантности.        

 Сравнительная иммунология  изучает иммунный ответ у разных видов животных. Эволюционное толкование явлений иммунитета помогает выяснить их механизмы. Лимфоидная система и способность к образованию специфических антител впервые появляются только у позвоночных. Например, морская минога имеет примитивный лимфоэпителиальный тимус, лимфоидные островки в селезёнке и костном мозге и циркулирующие лимфоциты; у неё образуются антитела и возникает иммунологическая память, но ассортимент антигенов, на которые отвечает минога, очень ограничен. У примитивных хрящевых рыб (акул, скатов) лимфоидная система более развита; они способны реагировать на большее число антигенов. Типичные плазматические клетки появляются у хрящевых, лучепёрых и костистых рыб. У этих животных вырабатывается несколько типов иммуноглобулинов. У земноводных впервые в филогенетическом ряду образуется система плазматических клеток, синтезирующих высоко- и низкомолекулярные иммуноглобулины, различающиеся по антигенным свойствам. Весьма похожая система имеется у пресмыкающихся. Система Комплемента (состоящая из различных белков нативной сыворотки), по-видимому, очень древняя, так как в сходной форме имеется как у низших, так и у высших позвоночных.         

 У большинства млекопитающих  иммунные реакции развиваются  в полной мере только после  рождения. Во время эмбрионального  развития, когда зародыш защищен  от действия антигенов, функционирует  система избирательного переноса  иммуноглобулинов от матери к  плоду. Однако к 4—5 месяцам  плод человека самостоятельно  образует иммуноглобулины М и  G. Птицы и млекопитающие, в  том числе человек, обладают  одинаковым спектром иммунологических  реакций. Степень иммунореактивности  связана с возрастом и заметно  снижается по мере старения  организма.        

 Физиология иммунных  реакций изучает механизмы, с  помощью которых организм обнаруживает  и удаляет «чужое» — вещества, не являющиеся нормальными компонентами  его собственных тканей: мёртвые  и злокачественно перерожденные  клетки, собственные поврежденные  молекулы, чужеродные клетки и  молекулы, бактерии, вирусы, простейшие, гельминты и их яды и т.  п. Функциональным выражением  чужеродности антигена является  его способность вызывать образование  специфических антител и соединяться  с ними. Природа антигенности, вопрос  о том, почему организм, не вырабатывая  антитела на громадное множество  собственных молекул, образует  антитела к бесконечному числу  чужеродных антигенов, сущность  специфического иммунного ответа, в частности синтеза антител,  являются главными вопросами  так называемой теории образования  антител. Предполагают, что образование  антител, т. е. биосинтез высокоспециализированных  белковых молекул, осуществляется  подобно синтезу других белков  плазмы крови .

3.Теория иммунологических  реакций

         Общая теория иммунологических  реакций должна объяснить физико-химическую  природу антигенности, описать молекулярные  механизмы синтеза антител и  расшифровать иммунохимическую  специфичность. Создание такой  теории возможно при последовательном  решении трёх важнейших и взаимосвязанных  проблем иммунного ответа: 1) генетические  основы разнообразия иммуноглобулинов; 2) вопросы о том, сколько различных  по специфичности антител может  синтезировать клетка, о межклеточных  взаимодействиях и о том, на  каком уровне, клеточном или субклеточном, осуществляется действие антигена; 3) механизм специфической иммунологической  толерантности (отсутствие специфического  ответа на антиген). Первая попытка  химической интерпретации иммунологических  реакций была предпринята П.  Эрлихом (1900). Он полагал, что  каждая антителообразующая клетка  обладает преформированной «боковой  цепью», случайно пространственно  соответствующей антигену. «Боковые  цепи», отделившиеся от клетки-носителя  и попавшие в кровоток, отождествлялись  с антителами. Эта гипотеза поразительно  близка к современным представлениям  о биосинтезе белка тем, что  в ней предполагается предсуществование  (до воздействия антигена) генетического  кода для каждого вида антител. Антигенные молекулы должны только «выбрать» (произвести селекцию) предсуществующую структуру и усилить её воспроизведение. Популярность селекционной идеи Эрлиха была поколеблена открытием К. Ландштейнера (1936), который показал, что большое количество искусственных антигенов, полученных синтетическим путём, может вызвать образование специфических антител. В связи с этим американские учёные Ф. Брейнль и Ф. Гауровиц, Д. Александер и С. Мадд (1930) предположили, что преформированных антител не существует. Антиген вмешивается в процесс образования молекулы глобулина, нарушая её сборку. В результате образуется антитело со специфичной для данного антигена структурой. Действие антигена в этом случае является инструктивным, что легко объясняет беспредельное разнообразие синтезируемых организмом антител. Американский учёный Л. Полинг (1940) приписывал антигену роль «матрицы», на которой складываются полипептидные цепи антитела. Новым этапом в развитии И. было появление концепции австралийских учёных Ф. Бёрнета и Ф. Феннера (1941), рассматривавших синтез антител как частный случай адаптивного белкового синтеза, подобный синтезу индуцируемых ферментов у бактерий. Предполагалось, что антиген в клетке осуществляет косвенное инструктивное действие, вызывая изменения в комплексе ферментов, участвующих в синтезе молекулы антитела. Впоследствии эта концепция была дополнена гипотезой о существовании особых «меток» для собственных антигенов организма, что объясняло естественную толерантность к ним. Согласно представлению американских учёных Р. Швита и Р. Оуэна (1957), антиген, подобно мутагену, вызывает соответствующие изменения дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), следствием которых является биосинтез молекул антител. Американский учёный Д. Голдштейн (1960) предположил аналогичное действие антигена на информационную рибонуклеиновую кислоту (и-РНК). В 1950 немецкий учёный Н. Ерне выдвинул новую гипотезу специфического иммунного ответа, основанную на селекционной идее Эрлиха. Гипотеза «натуральной селекции» Ерне сводилась к тому, что в эмбриональном периоде в тимусе образуются различные по специфичности молекулы антител. Комплекс антигена с соответствующим антителом попадает в синтезирующую антитела клетку, которая использует антитело как модель для образования подобных молекул. Ерне постулировал отсутствие антител к собственным антигенам организма и «распознавание» только чужеродных конфигураций. Дальнейшим развитием селекционной идеи была клонально-селекционная теория приобретённого иммунитета, выдвинутая Ф. Бёрнетом (1957). Клоном называют группу клеток, происшедших путём деления от одной клетки-предшественницы. По Бёрнету, лимфоидная система иммунологически зрелого организма содержит множество (не менее 10⁴—10⁵) клонов клеток, способных специфически отвечать на различные антигены. Природа генетического разнообразия иммуноглобулинов неизвестна. Однако именно клонально-селекционная теория представляется наиболее правдоподобной и соответствующей современным представлениям о биосинтезе белка. Отсутствие реакции на собственные антигены Бёрнет объяснил устранением «запрещенных клонов» (способных синтезировать антитела к «своему») в эмбриональном периоде. Согласно этой теории, антиген, попадая в организм, «выбирает» клетку, которая способна образовать соответствующее антитело, и стимулирует её к размножению с последующим синтезом антитела. Как происходит этот выбор — на уровне клеточных клонов (как полагает Бёрнет) или субклеточных единиц, — зависит от того, сколько различных по специфичности молекул антител способна синтезировать клетка. Можно думать, что клетка несёт генетическую информацию для синтеза более чем 10⁵ различных иммуноглобулинов. Однако в результате дифференцировки её способность синтезировать антитела практически подавлена. Антиген вызывает дерепрессию синтеза соответствующих антител, в результате чего синтезируются антитела только одной специфичности. Это положение лежит в основе гипотезы «репрессии-депрессии», выдвинутой американским учёным Л. Силардом, австралийским — И. Финчем и советским учёными В. П. Эфроимсоном, А. Е. Гурвичем и Р. С. Незлиным.        

 Физиология иммунных  реакций изучает также факторы,  регулирующие количественные характеристики  иммунного ответа, в том числе  роль нервной системы (преимущественно  гипоталамуса), гормонов, возраста, питания,  состояния организма (в частности,  степени утомления) и внешних  воздействий. Теперь известно, что  не только гормоны гипофиза  и надпочечников могут изменять  иммунологическую реактивность, но  и плацента выделяет особый  гормон, который в значительной  степени тормозит иммунные реакции  организма матери на антигены  плода.        

 Иммунопатология изучает  не только чрезмерные или повреждающие  организм иммунные реакции, но  и заболевания, сопровождающиеся  дефектами иммунной системы: наследственные  и приобретённые агаммаглобулинемии  и иммуноглобулинопатии при опухолях  лимфо-ретикулярной ткани, при  нефрозах, после применения цитостатических  лекарственных препаратов и после  облучения. В иммунопатологии  особое внимание уделяется методам  торможения и стимуляции иммунного  ответа. Усиление иммунного ответа  неспецифическими стимуляторами  (так называемыми адъювантами)  или трансплантацией активных  лимфоидных тканей перспективно  при инфекционных заболеваниях  и при дефектах иммунной системы.  И наоборот, торможение иммунного  ответа — лечебный приём при  заболеваниях с чрезмерной или  нежелательной активностью иммунной  системы. Торможения достигают,  повреждая лимфоидные клетки  облучением, азотистыми ипритами, антиметаболитами, кортикостероидными гормонами, антилимфоцитарной  сывороткой. Иммунный ответ подавляют  также пассивным введением антител,  например введением матери антирезусных  антител для предотвращения гемолитической  желтухи новорождённых.        

 В последние годы  интенсивно изучаются реакции  организма на клетки и макромолекулы  индивидуумов того же или другого  вида. Эту отрасль называют неинфекционной иммунологии. Каждый многоклеточный организм обладает некоторыми уникальными, неповторимыми особенностями строения белков и клеточных мембран. Отличие одного индивидуума от другого обусловлено генетическими механизмами. Именно по этой причине введённые в организм извне клетки и молекулы распознаются как чужеродные и вызывают комплекс иммунных реакций, направленных на их удаление. Поэтому, несмотря на самую совершенную хирургическую технику, пересаженные органы и ткани обычно отторгаются, будучи не в состоянии преодолеть барьер тканевой несовместимости; её изучением занимается трансплантационная И. Другой раздел неинфекционной иммунологии. — иммунология опухолей — изучает опухолевые антигены и механизмы распознавания и удаления злокачественно перерожденных клеток. В круг проблем неинфекционной И. входит также разработка способов создания специфической иммунологической толерантности, которые в будущем позволят сделать трансплантацию органов практически применяемым методом лечения всевозможных заболеваний. Получаемые данные служат основой для развития прикладной, клинической И. и таких её основных направлений, как Иммунопрофилактика, Иммунотерапия, Иммунодиагностика.