Иммунитет при паразитарных инвазиях
Глава 18. Иммунитет к паразитарным инвазиям
■ Паразитамизараженазначительнаячастьнаселения земного шара. Как правило, они специфичны в отношении хозяина и в большинстве случаев вызывают хроническую инвазию. Многие паразиты распространяются беспозвоночными-переносчиками и имеют сложный жизненный цикл, причем на разных стадиях развития синтезируют различные антигены.
■ Устойчивостьорганизма—хозяина обеспечивают различные защитные реакции. Способностью уничтожать как простейших, так и гельминтов обладают эффекторные клетки — макрофаги, нейтрофилы, эозинофилы и тромбоциты. Они секретируют цитотоксические соединения, например высокоактивные метаболиты кислорода и оксид азота, и функционируют более эффективно при активации цитокинами.
■ ОсновнаярольвразвитиииммунитетапринадлежитТ—клеткам. Антитела, как сами по себе, так и в сочетании с комплементом, эффективно действуют против внеклеточных паразитов. Они усиливают фагоцитарный и цитотоксический потенциал эффекторных клеток и могут предотвращать внедрение паразитов в новые клетки организма-хозяина.
■ Паразиты различными путями избегают действия иммунного ответа хозяина, иногда используя ответные реакции хозяина для своего собственного развития и в большинстве случаев противодействуя им.
■ Призаражениипаразитическимичервями повышаются численность эозинофилов и уровень циркулирующих антител IgE. Для развития иммунного ответа важны Тх2- и Тх1-клетки. Тх2-клетки необходимы для изгнания кишечных гельминтов. Продукты тучных клеток взаимодействуют с эозинофилами.
■ Т-клетки, необходимые для осуществления защитных реакций, могут относиться к популяции как CD4+, так и CD8+. Тх1-клетки обеспечивают защиту против внутриклеточных простейших путем секреции ИФγ, активирующего макрофаги.
■ Паразитарныеинвазии сопровождаются образованием больших количеств неспецифических антител, спленомегалией и гепатомегалией. Иммунопатологические эффекты в основном могут быть опосредованы Т-клетками.
Как правило, паразитарные инвазии вызывают активацию ряда иммунологических защитных механизмов, гуморальных и клеточных, причем эффективность ответных реакций зависит от природы паразита и стадии инвазии. В данной главе рассмотрены основные аспекты иммунитета к паразитарным инвазиям и особенно подробно к заболеваниям, вызываемым некоторыми из наиболее важных паразитов человека (рис. 18.1).
Рис. 18.1. Статистика зараженности паразитами по данным Всемирной организации здравоохранения (1993 г.).
Паразитические простейшие способны обитать в кишечнике (например, амебы), в крови (например, африканские трипаносомы), внутри эритроцитов (например, Plasmodium spp.), в макрофагах (например, Leishmania spp. и Toxoplasma gondii), в том числе локализованных в печени и селезенке (например, Leishmania spp.), или в мышцах (например, Trypanosoma cruzi). К паразитическим червям — гельминтам, которые заражают человека, относятся трематоды, или сосальщики (например, шистосомы), цестоды, или ленточные черви (например, широкий лентец, цепни, эхинококк), и нематоды, или круглые черви (например, Trichinella spiralis, анкилостомы, острицы, аскариды и нитчатки, или филярии). Цестоды и половозрелые анкилостомы заселяют кишечник, половозрелые шистосомы обитают в кровеносных сосудах, а некоторые филярии в лимфатической системе (рис. 18.2). Очевидно, что при таком разнообразном распространении возможны и самые разнообразные патологические реакции.
Рис. 18.2. Участки поражения при наиболее распространенных паразитарных инвазиях.
Многие гельминты имеют сложный жизненный цикл с миграцией через различные участки организма-хозяина, причем в различных тканях они проходят определенные стадии своего развития. На последнем этапе развития гельминт достигает области, где окончательно созревает и проводит оставшуюся часть жизненного цикла (рис. 18.3). Анкилостомы и личинки шистосом заражают хозяина, непосредственно проникая через кожу; ленточные черви и круглые черви попадают в организм человека через рот; распространение филярий зависит от промежуточного хозяина-насекомого или от переносчика. Большинство паразитических простейших распространяется насекомыми-переносчиками, а Toxoplasma, Giardia и амебы попадают в организм человека через рот. Возбудителей малярии переносят комары, трипаносом — мухи цеце, клопы и др. (в частности Т. cruzi — клопы-хищнецы подсемейства Triatominae), Leishmania — москиты. Разнообразие путей заражения создает дополнительные проблемы при разработке способов иммунизации.
Рис. 18.3. Сроки выживания, размножение и пути миграции гельминтов в организме человека.
ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПАРАЗИТАРНЫХ ИНВАЗИЙ
Паразитами заражена большая часть населения земного шара
Паразитарные болезни представляют собой серьезную медицинскую проблему, особенно в тропических странах (рис. 18.1). Малярия, например, служит причиной смерти 1—2 млн. человек ежегодно. Кишечными гельминтами заражена треть населения земного шара; тяжесть заболевания зависит от степени инвазии, однако у детей даже инвазии средней тяжести могут вызывать задержку роста и замедление умственного развития. Паразитарные болезни характеризуются также анемией и истощением.
Паразитарные инвазии имеют ряд общих особенностей. Паразитические простейшие и черви значительно крупнее бактерий и вирусов (рис. 18.4) и соответственно обладают большим количеством и разнообразием антигенов. Для некоторых видов характерна смена поверхностных антигенов — антигенная изменчивость. Паразиты, имеющие сложный жизненный цикл, могут экспрессировать некоторые антигены только на определенной стадии развития, вызывая соответствующий специфический иммунный ответ. Так, у малярийных паразитов белковая оболочка спорозоита (инфекционная, или расселительная, стадия, в виде которой плазмодий передается комарами и инфицирует организм-хозяин) вызывает образование специфичных антител, не реагирующих с паразитом на эритроцитарной стадии его цикла развития. Паразитический червь Т. spiralis на разных стадиях жизненного цикла также экспрессирует различные антигены.
Рис. 18.4. Сравнительные размеры различных паразитических организмов.
Простейшие, достаточно мелкие по размерам, чтобы паразитировать внутри клеток человека, обладают особыми свойствами проникновения в клетки и ткани организма-хозяина. Мерозоиты малярийного плазмодия (стадия цикла развития, на которой плазмодий способен проникать в эритроциты) связываются на поверхности клеток крови с определенными рецепторами и используют для проникновения внутрь клетки специальную органеллу — роптрий. Паразитические лейшмании для внедрения в макрофаги используют рецептор комплемента, чтобы помочь клеткам хозяина захватить их. Эти паразиты могут также проникать внутрь клетки, взаимодействуя с маннозо-фукозным рецептором на поверхности макрофагов.
Большинство паразитов специфично в отношении хозяина
За миллионы лет эволюции паразитические организмы хорошо адаптировались к своим хозяевам и обнаруживают ярко выраженную специфичность к ним. Например, возбудители малярии птиц, грызунов или человека способны размножаться только в организме данного хозяина. Из этого правила имеются некоторые исключения: например, паразитическое простейшее Т. gondiiспособно не только заражать все содержащие ядро клетки млекопитающих и размножатся в них, но также инфицировать незрелые эритроциты млекопитающих, культивируемые клетки насекомых и ядерные эритроциты птиц и рыб. Сходным образом, свиной солитер способен заражать человека.
Устойчивость хозяина к паразитарной инвазии может быть генетически обусловленной
Резистентность индивидуальных хозяев к инвазии варьирует и может контролироваться различными генами иммунного ответа. Ряд линий мышей (и некоторые люди), имеющие определенные гены МНС, не обладают способностью к активной продукции антител против одного из пептидов оболочки спорозоитов малярийного паразита, поскольку их Т-клетки не сенсибилизируются. В то же время наличие некоторых антигенов HLA, широко распространенных у жителей Западной Африки, но редко встречаемых у европеоидов, по-видимому, коррелирует с иммунитетом к тяжелым формам малярии.
Гены не-МНС также могут иметь важное значение.
• Чувствительность мышей к заражению Leishmania donovani и некоторыми другими паразитами определяется одним доминантным геном, регулирующим активацию макрофагов (см. гл. 1).
• Мерозоиты возбудителя малярии Plasmodium vivax используют для проникновения в эритроциты специфический рецептор их поверхности — антиген группы крови Даффи. У некоторых африканских народностей этот антиген утрачен — возможно, под давлением отбора — и они высокоустойчивы к заражению этим паразитом.
Для большинства гельминтозов характерно присутствие значительного количества паразитов у относительно небольшого числа лиц, однако следует отметить, что это необязательно обусловлено генетическими различиями в устойчивости. Результаты поведенческих исследований указывают на то, что даже в небольших сообществах отдельные индивиды сильно различаются по риску заражения, так как у них весьма различны возможности контакта с паразитами.
Многие паразитарные инвазии — хронические заболевания
Паразиту не выгодна гибель организма-хозяина, по крайней мере до тех пор, пока не произойдет его передача другому хозяину. При хронической инвазии тип иммунного ответа с течением времени меняется и зависит от наличия циркулирующих антител, персистентной антигенной стимуляции и образования иммунных комплексов (рис. 18.5). Для хронических инвазий типичны иммуносупрессия и иммунопатологические реакции.
Рис. 18.5. Отложение иммунных комплексов при нефротическом синдроме, характерном для четырехдневной малярии. Микрофотография (флуоресцентная электронная микроскопия низкого напряжения) почечного клубочка (материал биопсии от нигерийского ребенка). При малярии, вызванной Plasmodium malariae, в результате отложения иммунных комплексов может развиться гломерулонефрит. Срез окрашен ФИТЦ, конъюгированным с IgG к антигенам человека; можно видеть гранулярное отложение иммуноглобулинов в капиллярных петлях почечного клубочка. (Фото любезно предоставлено д-ром V. Houba.)
Устойчивость организма-хозяина зависит от разнообразных эффекторных механизмов иммунитета
Развитие иммунитета — это сложный процесс, основанный на взаимодействии многих типов клеток в течение определенного периода времени. Часто эффекты осуществляются локально, и различные клетки, секретирующие отдельные медиаторы, могут находиться в участках иммунологического отторжения. Кроме того, иммунные реакции, препятствующие размножению паразита в организме, могут отличаться от реакций, обеспечивающих развитие окончательной устойчивости. При некоторых гельминтозах формируется «сопутствующий иммунитет»; первичная инвазия не ликвидируется, но стабилизируется, и хозяин приобретает резистентность к заражению новыми гельминтами того же вида.
Гуморальный ответ как таковой необходим для уничтожения внеклеточных паразитов, например локализующихся в крови (рис. 18.6), жидкостях организма или кишечнике. Однако то, какой тип ответа в итоге будет главным, обеспечивающим защиту, зависит от природы паразита. Например, антитела сами по себе или в сочетании с комплементом могут повреждать некоторых внеклеточных паразитов, однако их действие усиливается, когда они функционируют совместно с эффекторными клетками. Как отмечено выше, при одной и той же инвазии в борьбе с паразитом на разных стадиях его жизненного никла участвуют различные эффекторные механизмы. Так, при малярии антитела к внеклеточным формам паразита блокируют их способность проникать в новые клетки, в то время как клеточноопосредованный ответ предотвращает развитие шизонтов в гепатоцитах. Протективный иммунитет к малярии не коррелирует непосредственным образом с уровнем антител и может быть индуцирован даже в их отсутствие. Это установлено на мышах, иммунизированных специально полученным штаммом Salmonellatyphimurium; в геном бактерий этого штамма методом генетической инженерии внедрен ген, колирующий поверхностный антиген спорозоитов малярийного плазмодия. При последующем заражении таких мышей спорозоитами у животных, несмотря на отсутствие специфических антител, развивался иммунитет к возбудителю малярии.
Рис. 18.6. Пары половозрелых шистосом в кровеносных сосудах брыжейки. Шистосомы высокоустойчивы к интенсивному воздействию эффекторных механизмов иммунитета. Половозрелые особи могут персистировать в организме в среднем 3-5 лет. (Фото любезно предоставлено д-ром A. Agnew.)
Глава 18. Иммунитет к паразитарным инвазиям
ЭФФЕКТОРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Для того чтобы успешно внедриться в нового хозяина, до того как его иммунная система сформирует специфический иммунитет, паразиту необходимо преодолеть уже действующие защитные механизмы хозяина. Определенную роль среди таких механизмов выполняет комплемент, поскольку некоторые паразиты, включая половозрелых червей и способных к инвазии личинок Т. spiralis и шистосомул Schislosoma mansoni, имеют в составе поверхностной оболочки определенные молекулярные структуры, которые запускают альтернативный путь активации комплемента.
Первую линию защиты формируют макрофаги, нейтрофилы, эозинофилы и тромбоциты
Антитела и цитокины, специфически продуцируемые при развитии иммунного ответа на паразитарные антигены, стимулируют антипаразитарную активность всех указанных выше эффекторных клеток. Однако тканевые макрофаги, моноциты и гранулоциты обладают и определенной предсуществующей активностью.
Тип защитной реакции зависит, очевидно, от того, каким путем паразит проникает в организм.
• Церкарии S. mansoni проникают через кожу — экспериментальное удаление макрофагов, нейтрофилов и эозинофилов из кожи мышей увеличивает восприимчивость к инвазии.
• Трипаносомы и малярийные паразиты, проникающие в кровь, удаляются из циркуляции фагоцитарными клетками в селезенке и печени.
• Сравнение линий мышей с различными иммунологическими дефектами показало, что устойчивость к инфицированию Trypanosoma rhodesiense обеспечивают макрофаги. На более поздней стадии инфекции они захватывают трипаносом, опсонизированных антителами и фрагментом комплемента С3b, еще быстрее в печени.
До того как макрофаги начнут функционировать в качестве антигенпрезентирующих клеток, инициирующих иммунный ответ, они действуют как эффекторные клетки, чтобы подавить размножение паразитов или даже разрушить их. Кроме того, макрофаги секретируют вещества, регулирующие воспалительную реакцию. Некоторые из них — ИЛ-1, ИЛ-2, ФНОα и колониестимулирующие факторы (КСФ) — усиливают иммунитет, активируя другие клетки или стимулируя их пролиферацию. Такие цитокины, как ИЛ-10, простагландины и ТФРβ, могут проявлять противовоспалительные и иммуносупрессивные свойства.
Макрофаги способны уничтожать внеклеточных паразитов
Фагоцитоз, осуществляемый макрофагами, обеспечивает важную линию защиты против мелких по размерам паразитов; помимо этого макрофаги секретируют многие цитотоксические факторы, позволяющие уничтожать паразитов без их поглощения. После активации цитокинами макрофаги способны уничтожать как относительно мелких внеклеточных паразитов, например малярийных на эритроцитарной стадии жизненного цикла, так и крупных по размерам паразитов, например шистосом на стадии развития шистосомул.
Макрофаги функционируют также как клетки-киллеры в реакции антителозависимой клеточной цитотоксичности (АЗКЦ). Под действием специфических IgG и IgE, например, усиливается способность макрофагов уничтожать шистосомул (молодые особи шистосом). Кроме того, макрофаги секретируют цитокины, такие как ФНОα и ИЛ-1, которые взаимодействуют с другими типами клеток; например, они придают гепатоцитам устойчивость к малярийным паразитам.
После фагоцитоза, например Т. cruzi, Т. gondii, Leishmania spp. и малярийных паразитов, в макрофагах и гранулоцитах образуются высокоактивные метаболиты кислорода; филярии и шистосомы также стимулируют вспышку клеточного дыхания. Активированные цитокинами макрофаги выделяют больше супероксидных кислородных радикалов и пероксида водорода, чем тканевые оседлые макрофаги. Активизируются также и их O2-независимые механизмы уничтожения чужеродных клеток.
Один из эффективных O2-независимых токсинов — это оксид азота NО, продукт метаболизма L-аргинина. Образование его индуцируют цитокины ИФα и ФНОα, причем оно значительно усиливается при их совместном действии. Оксид азота могут также продуцировать эндотелиальные клетки. Эффект NO вносит определенный вклад в устойчивость к лейшманиозу, шистосомозу и малярии и предположительно важен для подавления большинства паразитарных инвазий (рис. 18.7). Например, врожденная устойчивость к заражению Т. gondii, утрачиваемая при нарушениях иммунитета, по-видимому, обусловлена подавлением размножения паразита посредством такого О2-независимого механизма.
Рис. 18.7. Доказательство того, что уничтожение Leishmania major активированными макрофагами коррелирует с выделением ими оксида азота. Культивируемые макрофаги были активированы различными дозами рекомбинантного ФНОα; при использовании наиболее высоких доз выживаемость паразитов снижалась примерно на треть по сравнению с контролем. С этим коррелировало увеличение количества выделяемого макрофагами N0 (измерение по концентрации нитрита в культуральной жидкости). При подавлении образования NО выживаемость паразитов не снижалась (По Liew et al. 1990. Immunol. 71: 556.)
Активация макрофагов характерна для ранних стадий инвазии
После заражения быстро усиливаются все эффекторные функции макрофагов. Специфическую активацию этих клеток вызывают цитокины, выделяемые Т-клетками (например, ИФγ, ГМ- КСФ, ИЛ-3 и ИЛ-4), но макрофаги могут активироваться и независимо от Т-клеток, например:
• нормальные клетки-киллеры (НК) секретируют ИФγ при стимулировании ИЛ-12, который выделяют макрофаги;
• макрофаги секретируют ФНОα в ответ на некоторые паразитарные антигены (например, фосфолипид-содержащие антигены малярийных паразитов и отдельные антигены Т. brucei); затем этот цитокин активирует другие макрофаги.
Хотя ФНОα могут секретировать и некоторые другие типы клеток, активированные макрофаги служат наиболее важным источником этого фактора, необходимого для протективного ответа на инвазию некоторых простейших (например, Leishmania spp.) и гельминтов. Так, ФНОα активирует макрофаги, эозинофилы и тромбоциты для уничтожения шистосомул S. mansoni, причем его действие усиливается в присутствии ИФγ.
Следует отметить, что ФНОα может оказывать при инвазии как благоприятный, так и неблагоприятный эффект, в зависимости от его количества и от того, находится он в свободной циркуляции или сосредоточен локально. Так, содержание этого цитокина в сыворотке крови при малярии, вызванной Plasmodium falciparum, коррелирует с тяжестью заболевания. Введение ФНОα мышам чувствительной линии, инфицированным возбудителем малярии грызунов Р. chabaudi, оказывает терапевтический эффект, но у животных генетически устойчивой линии вызывает гибель. Возможно, мыши этой линии уже вырабатывают достаточное количество ФНОα, которое препятствует размножению паразита, и введение дополнительного количества данного фактора приводит к токсическому эффекту.
Нейтрофилы способны уничтожать крупных и мелких паразитов
Эффекторные свойства, проявляемые макрофагами, характерны и для нейтрофилов — они обладают фагоцитарной активностью и способны уничтожать паразитов с помощью как O2-зависимых, так и O2-независимых механизмов, в том числе посредством NO. При этом для нейтрофилов характерна более интенсивная вспышка дыхания по сравнению с макрофагами, а их секреторные гранулы содержат чрезвычайно цитотоксичные белки (см. гл. 2). Активацию нейтрофилов могут вызывать цитокины, например ИФγ, ФНОα и ГМ-КСФ. Внеклеточное разрушение паразитов нейтрофилы осуществляют посредством выделяемого ими Н2O2; внутриклеточное же уничтожение поглощенных паразитов происходит под действием компонентов гранул. Нейтрофилы присутствуют в очагах воспаления, вызванных внедрением паразитов, и, вероятно, способствуют уничтожению паразитов, высвобождающихся из разрушаемых ими клеток. Подобно макрофагам, нейтрофилы имеют Fc-рецепторы и рецепторы комплемента и могут участвовать в антителозависимых цитотоксических реакциях, например уничтожении шистосомул S. mansoni. Обладая такой активностью, они в большей степени способны к разрушению некоторых видов нематод, в том числе Т. spiralis, чем эозинофилы, хотя относительная эффективность указанных двух типов клеток может зависеть от изотипа и специфичности антител.
Активность эозинофилов обычно ассоциирована с гельминтозами
Эозинофилы, как предполагается, эволюционно возникли специально для зашиты против тканевых стаций развития паразитов, слишком крупных, чтобы их можно было уничтожить путем фагоцитоза. Согласно этой гипотезе, локализацию эозинофилов около паразитов и усиление их антипаразитарных функций обеспечивают IgE-зависимые реакции тучных клеток, предназначенные в первую очередь именно для этого.
Важная роль эозинофилов in vivo установлена в экспериментах с использованием специфичной к ним антисыворотки. У мышей, зараженных Т. spiralis и получавших такую антисыворотку, в мышцах образовывалось больше цист по сравнению с контрольными животными: в условиях инактивации эозинофилов организм-хозяин не мог уничтожать паразитов и обезвреживал их, насколько возможно, путем инкапсулирования.
Однако недавно проведенные исследования показали, что хотя эозинофилы и способны участвовать в борьбе организма с гельминтами, в частности ограничивая перемещения паразитов в тканях, они не всегда делают это. Например, удаление эозинофилов нe ослабляет иммунитет у мышей, зараженных S. mansoni, и не уменьшает количество паразитов при заражении ленточными червями.
Эозинофилы способны уничтожать гельминтов с помощью O2-зависимых и O2-независимых механизмов
Эозинофилы обладают меньшей фагоцитарной активностью по сравнению с нейтрофилами. Дегрануляция эозинофилов происходит в ответ на изменения в их поверхностной мембране, и активность усиливается под действием цитокинов, например ФНОα и ГМ-КСФ. Однако большинство функций эозинофилов зависит от антиген- специфических механизмов. Так, при связывании эозинофилов in vitro с личинками гельминтов (например, S. mansoni и Т. spiralis) интенсивность дегрануляции на поверхность паразитов повышается, если личинки нагружены IgE или IgG. Повреждение шистосомул может быть обусловлено действием главного основного белка (МBР, от англ. major basic protein) кристаллоидного ядра эозинофилов. МBР не специфичен к какой-либо определенной мишени, но не вызывает существенных повреждений близлежащих собственных клеток организма-хозяина, поскольку локализуется в небольшом пространстве между эозинофилом и шистосомой.
Эозинофилы и тучные клетки действуют совместно
Уничтожение шистосомул S. mansoni эозинофилами усиливается под действием продуктов тучных клеток, и в экспериментах in vitro эозинофилы от больных шистосомозом обнаруживают большую активность, чем эозинофилы от здоровых индивидов. Выделяемые паразитом антигены вызывают локальную IgE-зависимую дегрануляцию тучных клеток с выбросом медиаторов, которые избирательно привлекают эозинофилы к определенному участку и усиливают их активность. Другие продукты эозинофилов позднее блокируют реакции тучных клеток. То, что указанные эффекторные механизмы могут функционировать in vivo, установлено в экспериментах на обезьянах; уничтожение шистосом у них связано с накоплением эозинофилов (рис. 18.8).
Рис. 18.8. Уничтожение шистосомулы эозинофилами. Эозинофилы способны прикрепляться к шистосомулам и уничтожать их путем дегрануляции с высвобождением содержимого гранул на поверхность паразита. Эта серия электронных микрофотографий демонстрирует прикрепление эозинофилов, дегрануляцию и высвобождение содержимого гранул на поверхность паразита (1), а также стадии разрушения его тегумента и миграции эозинофилов через поврежденные участки (2 и 3). (Фото любезно предоставлены д-ром D. McLaren.)
Тромбоциты способны уничтожать различных паразитов
Потенциальные мишени тромбоцитов — молодые особи трематод, а также Т. gondii и 7. cruii. Как и у других эффекторных клеток, их цитотоксическая активность усиливается при обработке цитокинами (например, ИФγ и ФНОα). У крыс, зараженных S. mansoni, тромбоциты приобретают способность уничтожать паразитов одновременно с появлением в сыворотке компонентов острой фазы, но до того, как в пей обнаруживаются антитела. Инкубирование нормальных тромбоцитов в такой сыворотке может способствовать их активации. Тромбоциты, подобно макрофагам и другим эффекторным клеткам, обладают поверхностными Fcε-рецепторами, с участием которых осуществляется их антителозависимое цитотоксическое действие, ассоциированное с IgE.