Иммунитет к бактериальным инфекциям

Защитные механизмы, действующие при той или иной бактериальной инфекции, соответствуют структуре клеток возбудителя и факторам его патогенности.

Некоторые общие для разных бактерий структурные компоненты распознаются определенными молекулами плазмы крови и клеточными рецепторами. Это распознавание вызывает альтернативную активацию комплемента, нейтрофилов, макрофагов и НК-клеток с выделением цитокинов, дегрануляцию тучных клеток, обеспечивающую усиление местного капиллярного кровотока, и стимуляцию адгезии циркулирующих клеток крови и фибрина к эндотелию. Действие этих механизмов и повреждение тканей бактериями вызывают локальное свертывание крови, а образовавшийся фибрин создает преграду для распространения бактерий.

ИММУНИТЕТ К БАКТЕРИЯМ

Первая линия обороны от бактерий не связана с распознаванием антигенов. Самую первую линию защиты от патогенных бактерий создает барьер, образуемый наружными покровами тела, он препятствует проникновению микроорганизмов или развитию инфекции. Так, кожа и находящиеся в контакте с внешней средой слои эпителия снабжены неспецифическими, или врожденными, механизмами защиты от внедрения микробов. Неповрежденная кожа непроницаема для большинства бактерий. Кроме того, для многих из них токсичны выделяемые кожей жирные кислоты. Патогенность некоторых штаммов бактерий коррелирует с их способностью выживать на коже. Эпителиальные покровы очищаются от бактерий благодаря, например, движению ресничек в трахее и току мочи в мочевыводящих путях. Во влагалище и желудке многие бактерии погибают вследствие кислой реакции среды. Влагалищный эпителий секретирует гликоген, который ряд бакте- рий-комменсалов метаболизирует с образованием молочной кислоты. Вообще комменсалы способны препятствовать инвазии патогенных бактерий, продуцируя антибактериальные белки, названные колици- нами. Поэтому нарушение нормальной микрофлоры антибиотиками может привести к инфекциям, вызываемым Candida или Clostridium.

В действительности лишь ничтожной части окружающих нас потенциально патогенных микробов в редких случаях удается проникать в ткани организма.

82

Действие второй линии обороны связано с распознаванием общих для разных бактерий клеточных компонентов. Множество компонентов бактериальных клеток иммунная система распознает без участия ан- тигенспецифичных рецепторов В- или Т-клеток, благодаря действию филогенетически древних механизмов грубого распознавания, появившихся в эволюции раньше антигенспецифичных Т-клеток и иммуноглобулинов. Многие бактерии, например непатогенные кокки, устраняются из тканей организма в результате действия именно таких механизмов, без формирования специфического (адаптивного) иммунного ответа.

Механизм иммунитета зависит от типа поверхности бактериальных клеток. Существует четыре основных типа строения бактериальной клеточной стенки (рис. 5.1), и по этому признаку бактерии распадаются на следующие группы: грамположительные бактерии; грамотрица- тельные бактерии; микобактерии; спирохеты.

Рис. 5.1. Типы клеточных стенок микроорганизмов

Существуют различные иммунологические механизмы разрушения клеточных стенок различных микроорганизмов. Микробы всех типов обладают цитоплазматической мембраной и пептидогликановой клеточной стенкой. Грамотрицательные бактерии, кроме того, имеют наружную мембрану, внешний слой которой содержит л ипополисаха- рид (ЛПС). Лизосомные ферменты и лизоцим разрушают структуру пептидогликана, а катионные белки и комплемент — наружную мемб-

83

рану грамотрицательных бактерий. Клеточная стенка микобактерий чрезвычайно устойчива к различным воздействиям; по-видимому, ее разрушение возможно только при участии действующих изнутри ферментов самой бактериальной клетки. Некоторые бактерии имеют фимбрии и жгутики, компоненты которых могут служить мишенями для антител. Часть бактерий обладает наружной капсулой, повышающей устойчивость к фагоцитозу или комплементзависимому лизису. Компоненты клеточных стенок, обозначенные на рис. 5.1 звездочкой, обладают иммуноадъювантными свойствами, т.е. воспринимаются иммунной системой как неспецифический сигнал, усиливающий иммунный ответ.

Механизмы иммунитета соответствуют факторам патогенности бактерий. Двумя крайними формами патогенности бактерий можно считать: токсигенность без инвазивности и инвазивность без токси- генности (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Механизмы патогенности бактерий

• 1. Некоторые бактерии способны вызывать болезнь, не проникая из очага инфекции в ткани организма. Их патогенность обусловлена выделением одного токсина, как, например, у Clostridium tetani.
• 2. Другие бактерии не обладают токсигенностью, но вызывают заболевание в результате проникновения в ткани, а иногда и в клетки организма, повреждая их в результате интенсивного размножения. Для уничтожения бактерий, проникших в клетки, действуют механизмы клеточного иммунитета.
• 3. Большинство бактерий обладают одновременно локальной инва- зивностью, локальной токсигенностью и ферментами, разрушающими внеклеточный матрикс (примеры: Staphilococcus aureus и Clostridium perfringens). В защите против них принимают участие как антитела, так и механизмы клеточного иммунитета.

Однако в реальности по характеру патогенности большинство бактерий занимает промежуточное положение между этими полюсами, например, проявляя в некоторой степени инвазивность, обусловленную, как правило, локальным действием своих токсинов и разрушением тканей ферментами (факторы распространения).

Примером бактерий, которые считаютсятоксигенными, но не инвазивными, могут служить Corynebacterium diphtheriae и Vibrio cholerae. Поскольку патогенность этих возбудителей почти полностью обусловлена образованием токсина, для защиты от них, вероятно, вполне достаточно действия антител, нейтрализующих токсин, хотя при этом могут быть важны и антитела, которые связываются с бактериями и предотвращают таким образом их прикрепление к эпителию. Патогенность высокоинвазивных бактерий, напротив, не обусловлена, как правило, каким- либо одним токсином, поэтому механизмы иммунитета против них направлены на уничтожение самих клеток возбудителя.

Известны не токсигенные, но инвазивные штаммы С. diphtheriae, вызывающие тяжелую патологию. В некоторых случаях С. diphtheriae и V cholerae проникают из очага первичной колонизации через кровоток в другие внутренние органы; обнаружены присущие этим бактериям факторы инвазивности. Все это едва ли позволяет называть возбудителей дифтерии и холеры неинвазивными в строгом смысле слова.

Механизм реакции на Л ПС. Он включает нейтрализацию Л ПС (путем связывания липопротеиновыми частицами) и, кроме того, перенос этого бактериального продукта на клеточную мембрану лейкоцитов, а также, вероятно, эндотелиальных клеток. Взаимодействуя с молекулами их поверхности, ЛПС может активировать соответствующие эффекторные функции этих клеток. Подобным образом могут распознаваться и вызывать ответ и другие филогенетически древние (консервативные) компоненты бактериальных клеток.

Активация приводит также к образованию фрагментов комплементов СЗа и С5а, вызывающих сокращение гладкомышечных волокон и дегрануляцию тучных клеток (кроме того, С5а связывается с нейтрофилами и активирует их). Последующее высвобождение из клеток гистамина и лейкотриена (LTB4) еще сильнее повышает сосудистую проницаемость. Опсонизация бактерий продуктами расщепления СЗ важна для последующего поглощения их фагоцитами.

Хемотаксис. За счет хемотаксиса в очаг инфекции поступает больше фагоцитов. Бактериальные продукты могут вызывать хемотаксис непосредственно и через активацию комплемента.

Выделение цитокинов макрофагами. Фактор некроза опухолей (ФИО) и интерлейкин-1 (ИЛ-1) вызывают системную активацию фагоцитарных клеток и усиление их прилипания к эндотелию, что способствует миграции в воспаленную ткань. Фагоцитарные клетки выделяют также низкомолекулярные хемотаксические пептиды, называемые хемокинами, которые усиливают ненаправленную подвижность клеток.

Выделение цитокинов нормальными киллерами (НК). НК мыши, стимулированные ИЛ-12 или ФНО, могут выделять у-интерферон (ИФу), который, в свою очередь, способен активировать макрофаги. Благодаря действию этого Т-независимого механизма мыши с тяжелым комбинированным иммунодефицитом (нарушение созревания лимфоцитов) неожиданно проявляют устойчивость, например, к Listeria monocytogenes.

Адъювантные эффекты. Термин «адъювант» происходит от латинского adiuvare — помогать. В эксперименте иммунизация растворимыми антигенами вызывает более сильный Т- и В-клеточный ответ в случае их введения вместе с бактериальными продуктами, действующими как адъюванты. Наиболее известен полный адъювант Фрейнда, применяемый только для иммунизации лабораторных животных. Он представляет собой масляную суспензию убитых клеток Mycobacterium tuberculosis. Перед введением животному этот препарат эмульгируют в водном растворе антигена. Адъювантный эффект, по-видимому, обусловлен именно тем, что антигенспецифический иммунный ответ развивается в лимфоидной ткани, уже содержащей упомянутые фармакологически активные бактериальные продукты. Ответ на введенный без них, чистый бактериальный антиген можно рассматривать как искусственную ситуацию, которая не встречается в природе.

Выбор необходимого лимфоцитарного ответа. Решающая роль в этом выборе принадлежит «адъювантным» компонентам бактерий и механизму раннего выделения цитокинов. Разные виды бактерий оказывают оптимальный адъювантный эффект в отношении различных компонентов иммунной системы. Это может отражать необходимость примерного «таксономического определения» микроба, необходимого для активации соответствующих эффекторных механизмов иммунного ответа. Вызываемое бактериями выделение цитокинов также вносит свой вклад в выбор адекватной формы иммунного ответа на этом этапе.

Выбор неадекватных форм иммунного ответа. Некоторые микробы за счет своих адъювантных свойств способны направлять иммунный ответ по пути неэффективных в данном случае механизмов. Как правило, адъювантные свойства возбудителей полезны для организма- хозяина, но в отдельных случаях они вызывают нарушения иммунорегуляции, в частности активируя неподходящую субпопуляцию Т-хелперов (Тх-клеток). Наиболее наглядный пример этого можно наблюдать при экспериментальном заражении мышей патогенным простейшим Leishmania major. При активации Тх2-клеток развивается болезнь со смертельным исходом, тогда как активированные Тх1 -клетки обеспечивают полную защиту.

Шоковые синдромы. Если происходит слишком быстрое и обильное высвобождение цитокинов, возможно развитие различных, потенциально смертельных синдромов острого повреждения тканей.

Антитела обеспечивают антигенспецифическую защиту. Защитный эффект взаимодействия антител с бактериями зависит от механизма патогенности данного возбудителя. Когда такая защита обусловлена действием бактериального токсина, антителам принадлежит решающая роль в иммунном ответе. Они, например, нейтрализуют дифтерийный токсин, блокируя прикрепление к клеткам-мишеням связывающего участка его молекул. Подобным же образом антитела могут инактивировать локально действующие токсины и ферменты (бактериальные факторы распространения), которые разрушают межклеточное вещество соединительной ткани, а также обездвиживать бактерии, связываясь с их жгутиками.

В защите слизистых оболочек от многих инфекций существенная роль принадлежит секреторному IgA (slgA). Этот иммуноглобулин блокирует прикрепление бактерий к эпителиальным клеткам. Например, эффекторным механизмом иммунитета при стрептококковой ангине является образование антител к М-белкам стрептококков группы А. Возможно также, что антитела к определенным антигенам бактериальной поверхности способны ингибировать, например, такие важные для роста микробов процессы, как связывание хелатов железа или поглощение других питательных веществ.

В то же время в случае инфекции, вызванной нетоксигенными микробами, основная функция антител состоит в том, чтобы наиболее эффективно превращать возбудителя инфекции в мишень для комплемента. При участии антител комплемент повреждает бактерии, даже устойчивые к альтернативному (т.е. врожденному) механизму его бактериолитического действия. Кроме того, антитела усиливают связывание и поглощение бактерий фагоцитами.

Патогенные бактерии способны избегать разрушающего действия комплемента. Капсулы некоторых видов бактерий почти не вызывают альтернативной активации комплемента.

В то же время длинные боковые полисахаридные цепи (О-антиген) бактериального липополисахарида могут связывать СЗЬ, но на некотором удалении от чувствительного к действию комплемента липидного бислоя мембраны, так что лизиса не происходит. Подобным этому механизмом обладают клетки гладких вариантов грамотрицательных бактерий (Escherichia coli, Salmonella и Pseudomonas) — они способны связывать, но затем быстро отщеплять лизируюший мембрану комплекс C5b—С9.

Другие бактерии используют физиологические механизмы орга- низма-хозяина, защищающие собственные клетки от комплемента. Бактериальные капсулы с высоким содержанием сиаловой кислоты

(сходные этим с клеточными мембранами хозяина), по-видимому, инактивируют комплемент. Именно благодаря этому механизму Е. coli К1 и стрептококки группы А совершенно неуязвимы для комплемента.

Комплемент лизирует некоторые бактерии (в основном грамотри- цательные). Опубликованы также данные о способности Н К и даже цитотоксических Т-клеток (Тц) при простом контакте лизировать ряд бактерий некоторых видов, в большинстве грамотрицательных.

Однако большую часть бактерий уничтожают фагоциты. Процесс фагоцитоза состоит из нескольких стадий.

Связывание фагоцитов с микробными клетками. От этой важной стадии фагоцитоза зависят последующее поглощение микробов фагоцитами и сопряженная с поглощением активация механизмов лизиса. В связывании может участвовать ряд молекул. Все эти молекулы поверхности обладают большим количеством активных центров, специфичных к различным углеводным компонентам клеточных полимеров, и могут, в частности, связываться с р-глюканами и Л ПС грамотрицательных бактерий.

Запуск поглощения. Связывание микробной клетки с рецептором на плазматической мембране макрофага не обязательно приводит к ее поглощению. Например, частицы, образованные зимозаном (дрожжевым полисахаридом), при связывании с центром рецептора CR3 поглощаются макрофагом, тогда как эритроциты, нагруженные СЗ, не поглощаются, хотя эти компоненты комплемента также взаимодействуют с CR3.

Запуск бактерицидных механизмов. Связывание мембранных рецепторов фагоцита с бактерией не гарантирует ее поглощения, само поглощение также необязательно ведет к запуску бактерицидных механизмов. В частности, клетки Yersinia pseudotuberculosis сами индуцируют свое поглощение фагоцитами, но при этом дерепрессируют синтез фактора, модулирующего сигнал эндоцитоза, так, чтобы внутриклеточного разрушения микробных клеток не происходило.

Внутриклеточные возбудители инфекций могут скрываться в клетках иммунной системы. Инфицированные клетки уничтожаются цитотоксическими Т-клетками. Некоторые бактерии способны выживать и активно размножаться внутри поврежденных или метаболически неадекватных фагоцитов хозяина. Кроме того, они могут избегать уничтожения, перемещаясь внутри макрофагов из фагосом в цитоплазму. Например, клетки Listeria monocytogenes выходят из фагосом, так как выделяют ферменты, разрушающие мембрану этих органелл. Другие возбудители, например Mycobacterium leprae, способны вызывать свое поглощение клетками, которые обычно не относятся к фагоцитарным и не обладают достаточной антибактериальной активностью. В этом случае микробные клетки не могут быть уничтожены активированными фагоцитами или другими бактерицидными механизмами, прежде 88

чем будут освобождены из клеток, в которых они спасаются. Их высвобождение осуществляютТц-клетки, разрушающие инфицированные клетки. Это указывает на существенную роль цитотоксических Т-клеток в иммунитете к микобактериям.

Клетки некоторых тканей могут обладать антимикробными механизмами. Убежищем для бактерий, таких как М. leprae, инвазивные виды Shigella, Salmonella, а также Rickettsia и Chlamydia, могут становиться клетки тканей, не относящихся к иммунной системе. Как указано выше, такие инфицированные клетки, возможно, уничтожаются цитотоксическими Т-клетками.

Чрезмерный выброс цитокинов может привести к эндотоксическо- му шоку. Эндотоксический (септицемический) шок возникает при септицемии как следствии вызванного бактериальными продуктами обильного поступления в циркуляцию цитокинов. Как правило, шок вызывает эндотоксин — Л ПС грамотрицательных бактерий, хотя аналогичный синдром возможен и при грамположительной септицемии. Шоковый синдром представляет угрозу для жизни и проявляется как лихорадка, циркуляторный коллапс, диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови и геморрагический некроз. Эти процессы приводят к недостаточности многих органов и систем.

Если ввести кролику суспензию клеток грамотрицательных бактерий сначала внутрикожно, а через 24 ч внутривенно, то в месте первой инъекции появится геморрагический некроз. Этот эффект назван по имени исследователя, наблюдавшего его впервые, реакцией Шварцмана. Кроме того, Шварцманом было установлено, что две внутривенные инъекции с интервалом 24 ч вызывают системную реакцию, которая обычно приводит к циркуляторному коллапсу и двухстороннему некрозу корковой части почек. Этот феномен, описанный также Санарелли, называют системной реакцией Шварцмана или реакцией Санарелли—Шварцмана. Иногда она сопровождается некрозами в поджелудочной железе, гипофизе, надпочечниках и слизистой пищеварительного тракта. Для нее характерны острое диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови и тромбоз.

Как теперь известно, и многие другие инфекционные агенты, в том числе стрептококки, микобактерии, представители рода Haemophilus, коринебактерии, способны «подготавливать» кожу таким же образом. «Разрешающий» эффект внутривенной инъекции обусловлен действием эндотоксина (ЛПС).

Феномен Коха — вызванная Т-клетками некротическая реакция в очагах микобактериалъного поражения и при внутрикожной туберкулиновой пробе. Некротическую реакцию на антигены М. tuberculosis впервые наблюдал Роберт Кох у морских свинок, зараженных туберкулезом. Этот феномен по меньшей мере отчасти обусловлен высвобождением цитокинов в очагах вызванного Т-клетками воспаления (проявление гиперчувствительности туберкулинового типа) и, по-видимому, имеет отношение к патогенезу туберкулеза у человека и животных. Как и при реакции Шварцмана, эти очаги могут быть чрезвычайно чувствительны к тканеповреждающим эффектам цитокинов, особенно когда активность Тх1- и Тх2-клеток проявляется одновременно.

Суперантигены распознаются без процессинга и презентации. Суперантигенами названы недавно идентифицированные компоненты бактерий, связывающиеся непосредственно (т.е. без процессинга) с вариабельными областями антигенспецифичных рецепторов некоторых субпопуляций Т-клеток и одновременно с молекулами МНС АПК. В результате такого связывания все Т-клетки, экспрессирующие соответственный продукт, становятся активированными в отсутствие процессинга антигена и его презентации в виде пептидов в пептидсвя- зывающей полости молекул МНС, т.е. в отсутствие того, что требуется для нормальной Т-клеточной активации. Суперантигены обнаружены у стафилококков, стрептококков, микоплазм и других инфекционных агентов.