Мечников и эрлих открытие иммунитета
Во второй половине XIX века было выдвинуто множество гипотез о том, как работают вакцины. Например, Пастер и его последователи предложили теорию «истощения». Подразумевалось, что введенный микроб поглощает в организме «нечто», пока его запасы не иссякнут, после чего микроб погибает.
Во второй половине XIX века было выдвинуто множество гипотез о том, как работают вакцины. Например, Пастер и его последователи предложили теорию «истощения». Подразумевалось, что введенный микроб поглощает в организме «нечто», пока его запасы не иссякнут, после чего микроб погибает.
Теория «пагубного препятствия» предполагала, что введенные микробы производят некие вещества, которые мешают их собственному развитию. Но обе теории опирались на одну и ту же ложную предпосылку, будто организм не играет в работе вакцины никакой роли и пассивно наблюдает со стороны за тем, как микробы сами роют себе яму.
Обе теории были забыты с появлением новых данных и новых вакцин, а вскоре эпохальная работа двух ученых не только позволила по-новому осмыслить этот процесс, но и создала новое поле научной деятельности и принесла обоим в 1908 г. Нобелевскую премию.
Илья Мечников: открытие иммунной системы
Истоки эпохального озарения русского микробиолога Ильи Мечникова восходят к 1882 г., когда он провел переломный эксперимент, в ходе которого отметил, что некоторые клетки обладают способностью мигрировать сквозь ткани в ответ на раздражение или повреждение.
Более того, эти клетки способны окружать, поглощать и переваривать другие субстанции. Этот процесс Мечников назвал фагоцитозом, а клетки — фагоцитами (от греч.phagos «пожиратель» + cytos «клетка»).
Изначально была выдвинута версия, что функция фагоцитоза — обеспечивать клетки питательными веществами. Однако Илья Мечников заподозрил, что эти клетки не просто собрались на воскресный пикник. Его подозрение подтвердилось в ходе полемики с Робертом Кохом, который в 1876 г., наблюдая за сибирской язвой, интерпретировал увиденное как вторжение возбудителей болезни в белые кровяные тельца.
Мечников взглянул на этот процесс иначе и предположил, что не бактерии сибирской язвы вторгаются в белые кровяные тельца, а наоборот, тельца окружают и поглощают бактерии.
Мечников понял, что фагоцитоз — инструмент защиты, способ взять в плен и уничтожить захватчика. Проще говоря, он обнаружил краеугольный камень величайшей загадки организма — его иммунной системы, обеспечивающей защиту от заболеваний.
В 1887 г. Мечников классифицировал фагоциты на макрофаги и микрофаги и, что не менее важно, сформулировал основной принцип работы иммунной системы.
Чтобы функционировать надлежащим образом, сталкиваясь с незнакомыми явлениями в организме, иммунная система задает очень простой, но в то же время исключительно важный вопрос: «свое» или «не свое»?
Если «не свое» (а значит, впереди вирус натуральной оспы, бактерия сибирской язвы или дифтерийный токсин, иммунная система начинает атаку.
Теория Пауля Эрлиха раскрывает загадку иммунитета
Переломное открытие Пауля Эрлиха было, как и многие другие, связано с развитием техники, которое позволило миру увидеть то, что ранее было тайной. Для Эрлиха таким средством стали красители — химические составы для окрашивания клеток и тканей, позволившие обнаружить новые подробности их строения и функционирования.
В 1878 г., когда Эрлиху было всего 24 года, с их помощью он смог описать несколько видов клеток иммунной системы, в том числе разные типы белых кровяных телец. В 1885 г. эти и другие находки подтолкнули молодого ученого к размышлениям над новой теорией питания клеток.
Пауль Эрлих предположил, что «боковые цепи» на внешней стороне клеток — сегодня мы называем их клеточными рецепторами — могут прикрепляться к определенным веществам и переносить их внутрь клетки.
Заинтересовавшись иммунологией, Пауль Эрлих задумался, может ли теория рецепторов объяснить принцип работы сывороток против дифтерии и столбняка. Как мы уже знаем, Беринг и Китасато обнаружили, что зараженное дифтерийными бактериями животное начинает вырабатывать антитоксин и его можно выделить и использовать в качестве защиты от болезни для других организмов.
Выяснилось, что эти «антитоксины» на самом деле являются антителами — специфическими белками, которые производят клетки, чтобы найти и нейтрализовать дифтерийный токсин.
В ходе новаторских опытов с антителами Эрлих размышлял о том, может ли теория рецепторов объяснить механизм действия антител. И вскоре он пришел к эпохальному озарению.
Изначально в рамках своей теории боковых цепей Эрлих предположил, что клетка обладает большим количеством разнообразных внешних рецепторов, каждый из которых прикрепляется к определенному питательному веществу. Позже он развил эту мысль и предположил, что вредоносные субстанции — бактерии и вирусы — могут имитировать питательные вещества и также прикрепляться к специфическим рецепторам. То, что происходит дальше, согласно гипотезе Эрлиха, объясняет, как клетки вырабатывают антитела против чуждого микроорганизма.
Когда вредоносная субстанция прикрепляется к нужному рецептору, клетка получает возможность определить ее ключевые характеристики и начинает вырабатывать большое количество новых рецепторов, идентичных тому, который прикреплен к захватчику. Затем эти рецепторы отделяются от клетки и становятся антителами — высокоспецифическими белками, способными отыскивать вредоносные субстанции, прикрепляться и деактивировать их.
Теория Эрлиха наконец объяснила, как специфические чужеродные вещества, попав в организм, распознаются клетками и провоцируют их на выработку специфических антител, которые преследуют и уничтожают захватчика.
Красота этой теории в том, что она объясняет, как организм производит антитела против конкретных болезней и вырабатываются ли они в ответ на предшествующее заболевание, вариоляцию или вакцинацию.
Разумеется, кое в чем Эрлих ошибался. Например, позже выяснилось, что не все клетки способны прикрепляться к захватчикам и вырабатывать антитела. Эту важную задачу выполняет только одна разновидность белых кровяных телец — В-лимфоциты. Более того, потребуется еще не одно десятилетие исследований, чтобы изучить все сложные роли В-клеток и множества других клеток и субстанций иммунной системы.
А сегодня дополняющие друг друга переломные открытия Ильи Мечникова и Пауля Эрлиха считаются двумя краеугольными камнями иммунологии и дают долгожданный ответ на вопрос о принципе работы вакцин.
Илья Мечников и Пауль Эрлих
«С самых древнейших и до самых позднейших времен принималось за несомненное, что организм обладает какой-то способностью реагировать против входящих в негр извне вредных влияний. Эту способность сопротивления называли разно. Исследования Мечникова довольно твердо устанавливают факт, что эта способность зависит от свойств фагоцитов, главным образом, белых кровяных телец и соединительно-тканных клеток, пожирать попадающие в тело высшего животного микроскопические организмы». Так рассказывал журнал «Русская медицина» о докладе Ильи Ильича Мечникова в Обществе киевских врачей, сделанном 21 января 1884 года.
Можно ли день доклада считать днем рождения первой научно обоснованной теории, объясняющей механизмы невосприимчивости к инфекционным болезням?
Конечно нет. Доклад формулировал мысли, родившиеся в голове ученого много раньше, во время работы. Отдельные элементы фагоцитарной теории были обнародованы раньше в статьях и докладах. Но назвать эту дату днем рождения великой дискуссии по теории иммунитета можно.
Дискуссия длилась 15 лет. Жестокая война, в которой цвета одной точки зрения были на знамени, поднятом Мечниковым. Цвета другого знамени защищали такие великие рыцари бактериологии, как Беринг, Пфейффер, Кох и Эммерих. Возглавлял их в этой борьбе Пауль Эрлих — автор принципиально иной теории иммунитета.
Теории Мечникова и Эрлиха исключали одна другую. На конференциях и съездах, на страницах журналов и книг — всюду скрещивали оружие оппоненты. Оружием были факты. Только факты.
Идея родилась внезапно. Ночью. Мечников сидел один за своим микроскопом и наблюдал жизнь подвижных клеток в теле прозрачных личинок морских звезд. Он вспоминал, что именно в этот вечер, когда вся семья ушла в цирк, а он остался работать, его осенила мысль. Мысль, что эти подвижные клетки должны иметь отношение к защите организма. (Наверное, это и надо считать «мигом рождения».)
Последовали десятки опытов. Инородные частицы — заноза, зерна краски, бактерии — захватываются подвижными клетками. Под микроскопом видно, как собираются клетки вокруг непрошеных пришельцев. Часть клетки вытягивается, образуя ложную ножку, по-латыни — «псевдоподию». Инородные частицы охватываются псевдоподиями и оказываются внутри клетки, как бы пожираются ею. Мечников так и назвал эти клетки фагоцитами, что значит клетки-пожиратели.
Ученый обнаружил их у самых разных животных. У морской звезды и у червей, у лягушек и кроликов и, конечно, у человека. У всех представителей царства животных почти во всех тканях и в крови присутствуют специализированные клетки-фагоциты.
Самое интересное — конечно, фагоцитоз бактерий.
Ученый вводит в ткани лягушки возбудителей сибирской язвы. К месту введения микробов стекаются фагоциты. Каждый захватывает одну, две, а то и десяток бацилл. Клетки пожирают эти палочки и переваривают их.
Так вот он, таинственный механизм невосприимчивости! Вот как идет борьба с возбудителями заразных болезней. Теперь понятно, почему один человек заболевает во время эпидемии холеры (да и не только холеры!), а другой нет. Значит, главное — это количество и активность фагоцитов.
В то же самое время, в начале 80-х годов ученые Европы, особенно Германии, несколько по-иному объяснили механизм иммунитета. Они считали, что микробы, оказавшиеся в организме, уничтожаются вовсе не клетками, а специальными веществами, находящимися в крови и других жидкостях организма. Концепция получила название гуморальной, то есть жидкостной.
И начался спор…
1887 год. Международный гигиенический конгресс в Вене. О фагоцитах Мечникова и его теории говорят лишь попутно, как о чем-то совсем неправдоподобном. Мюнхенский бактериолог, ученик гигиениста Макса Петтенкофера Рудольф Эммерих сообщает, что он вводил иммунным, то есть предварительно вакцинированным, свиньям микроб краснухи и бактерии погибали в течение часа. Погибали без всякого вмешательства фагоцитов, которые за это время не успевали даже «подплыть» к микробам.
Что делает Мечников? Он воспроизводит опыт Эммериха. Мюнхенский коллега ошибся. Даже через 4 часа микробы еще живы. Мечников сообщает результаты своих опытов Эммериху.
Эммерих повторяет эксперименты и убеждается в своей ошибке. Микробы краснухи гибнут через 8-10 часов. А это как раз то время, которое и нужно фагоцитам для работы. В 1891 году Эммерих публично признает свою ошибку.
Илья Мечников и Пауль Эрлих
1891 год. Очередной международный гигиенический конгресс. Теперь в Лондоне. В дискуссию вступает Эмиль Беринг — также немецкий бактериолог. Его имя навсегда останется в памяти людей. Оно связано с открытием, спасшим миллионы жизней. Беринг — создатель противодифтерийной сыворотки.
Последователь гуморальной теории иммунитета, Беринг сделал очень логичное предположение. Если животное перенесло в прошлом какую-нибудь заразную болезнь и у него создался иммунитет, то и сыворотка крови, ее бесклеточная часть, должна повысить свою бактериоубийственную силу. Если это так, то можно искусственно вводить животным микробы, ослабленные или в малых количествах.
Можно искусственно получить такой иммунитет. И сыворотка этого животного должна убивать соответствующие микробы. Беринг создал противостолбнячную сыворотку. Чтобы ее получить, он вводил кроликам яд столбнячных бацилл, постепенно увеличивая дозу его. А теперь надо проверить силу этой сыворотки. Крысу, кролика или мышь заразить столбняком, а потом ввести противостолбнячную сыворотку, сыворотку крови иммунизированного кролика.
Болезнь не развивалась. Животные оставались живыми. То же самое Беринг проделал и с дифтерийными палочками. И именно так дифтерию стали лечить у детей и лечат до сих пор. В 1901 году Беринг за это получил Нобелевскую премию.
Но при чем здесь клетки-пожиратели? Вводили сыворотку, часть крови, где нет клеток. И сыворотка помогала бороться с микробами. Никакие клетки, никакие фагоциты в организм не попадали, и тем не менее он получал какое-то оружие против микробов. Следовательно, клетки ни при чем. Что-то есть в бесклеточной части крови. Значит, верна теория гуморальная. Фагоцитарная теория неверна.
В результате такого удара ученый получает толчок к новой работе, к новым исследованиям. И Мечников опять отвечает экспериментами. В результате выясняется: не сыворотка убивает возбудителей дифтерии и столбняка. Она обезвреживает выделяемые ими токсины, яды, и стимулирует фагоциты. Активизированные сывороткой фагоциты легко расправляются с обезоруженными бактериями, чьи ядовитые выделения нейтрализованы находящимися в той же сыворотке антитоксинами, то есть антиядами.
Две теории начинают сближаться. Мечников по-прежнему убедительно доказывает, что в борьбе с микробами главная роль отводится фагоциту. Ведь в конце концов фагоцит делает решающий шаг и пожирает микробов. Тем не менее и Мечников вынужден принять некоторые элементы гуморальной теории.
Гуморальные механизмы в борьбе с микробами все же действуют. После беринговских исследований приходится согласиться, что контакт организма с микробными телами приводит к накоплению циркулирующих в крови антител. (Появилось новое понятие — антитело; подробнее об антителах будет дальше.) Некоторые микробы, например холерные вибрионы, под влиянием антител гибнут и растворяются.
Отменяет ли это клеточную теорию? Ни в коем случае. Ведь антитела должны вырабатываться, как и все в организме, клетками. И конечно же, на фагоцитах лежит основная работа по захвату и уничтожению бактерий.
1894 год. Будапешт. Очередной международный конгресс. И опять страстная полемика Мечникова, но на этот раз с Августом Пфейффером. Менялись города, менялись темы. Дискуссия уводила все дальше в глубины сложных отношений животных с микробами.
Сила спора, страсть и накал полемики оставались прежними. Через десять лет, на юбилее Ильи Ильича Мечникова, Эмиль Ру вспоминал эти дни:
«До сих пор я так и вижу вас на Будапештском конгрессе 1894 года, возражающим вашим противникам: лицо горит, глаза сверкают, волосы спутались. Вы походили на демона науки, но ваши слова, ваши неопровержимые доводы вызывали рукоплескания аудитории. Новые факты, сначала казавшиеся в противоречии с фагоцитарной теорией, вскоре приходили в стройное сочетание с нею».
Таков был спор. Кто победил в нем? Все! Мечниковская теория стала стройной и всеобъемлющей. Гуморальная теория нашла свои главные действующие факторы — антитела. Пауль Эрлих, объединив и проанализировав данные гуморальной теории, создал в 1901 году теорию образования антител.
15 лет спора. 15 лет взаимных опровержений и уточнений. 15 лет спора и взаимопомощи.
1908 год. Высшее признание для ученого — Нобелевская премия присуждена Илье Мечникову — создателю фагоцитарной теории и Паулю Эрлиху — создателю теории образования антител, то есть гуморальной части общей теории иммунитета.
Мечников и Эрлих создали теорию иммунитета. Они спорили и победили. Все оказались правы, даже те, кто, казалось, прав не был. Кто все-таки выиграл в этом споре? Выиграла наука. Выиграло человечество. В научном споре побеждают все!
Илья Ильич Мечников вошел в историю как создатель науки о старении — геронтологии. Кроме того, именно он понял, что такое иммунитет, и открыл явление фагоцитоза.
Илья Мечников родился 15 мая 1845 года в деревне Панасовка в Харьковской области. Его семья происходила из молдавских бояр, и они были довольно образованными для своего времени людьми. Например, его дед был вхож в литературные круги столицы и водил знакомство с Пушкиным и Крыловым. Старший брат будущего ученого водил дружбу со Львом Толстым — кстати, именно его последние дни писатель описал в повести «Смерть Ивана Ильича».
А вот отец Ильи был заядлым игроком в карты и после свадьбы быстро промотал почти все состояние жены. После этого родственники супруги заставили его уйти в отставку и поселиться в отдаленном имении. Там и появился на свет будущий ученый.
По традициям того времени у всех детей Мечниковых были домашние учителя. Один из них, студент-медик, преподававший старшим ребятам биологию, привил Илье интерес к природе и естественным наукам.
В 1856 году Илья Мечников поступает в харьковскую гимназию, но биологию не бросает. Он ходит на лекции по анатомии и физиологии в Харьковском университете, выписывает научные книги и уговаривает родителей купить ему микроскоп. В 1862 году он оканчивает гимназию с золотой медалью и, окрыленный, уезжает в Германию — поступать в Вюрцбургский университет.
И тут начинаются проблемы. Илья оказывается один в чужом городе, без знания языка. Квартирная хозяйка, у которой он планировал снимать жилье, отказывается сдать ему комнату. А ведь учеба еще даже не началась — до начала занятий оставалось почти 2 месяца… Илья, обескураженный неудачами, решает вернуться в Харьков, и поступает на естественное отделение физико-математического факультета Харьковского университета.
Но назвать полным провалом всю эту эпопею нельзя. Мечников привез с собой из Германии книгу, которая навсегда определила его убеждения — «Происхождение видов путем естественного отбора» Чарльза Дарвина.
Четырехлетний университетский курс Илья Мечников проходит за два года. За это время он определился со сферой своих научных исследований. Согласно теории Дарвина птицы и млекопитающие эволюционировали из самых простых животных — червей и других беспозвоночных. Вот их-то Мечников и решил исследовать. Тем более что позвоночные животные в то время были изучены куда лучше.
С 1864 по 1867 год Мечников работает за границей. Открывает новую группу червей-гастротрих на острове Гельголанд в Северном море, исследует чередование поколений беспозвоночных в Гисенском университете, исследует морских беспозвоночных в Неаполе. Там он знакомится с молодым русским зоологом Александром Ковалевским. И вместе они публикуют работу, которая подтверждает теорию Дарвина — они показали, что эмбрионы многоклеточных животных на разных стадиях развития очень похожи между собой. Сейчас картинки, иллюстрирующие этот принцип, есть во всех учебниках биологии.
Мечникову в то время всего 22 года, но он уже защитил диссертацию и получил докторскую степень в Санкт-Петербургском университете. Из-за постоянного сидения над микроскопом и работы с бумагами у него сильно портится зрение. Поэтому Илья Ильич вынужден делать перерывы в исследованиях и в 1870 году становится ординарным профессором кафедры зоологии в Новороссийском университете в Одессе.
Как отмечали современники, Илья Ильич был мрачным и пессимистичным по натуре. Оказавшись в незнакомом городе, он остро переживал свое одиночество и впал в депрессию. Во время болезни за ним ухаживала родственница известного химика Бекетова — Людмила Федорович. И ученый влюбляется в нее. Но вскоре она сама тяжело заболела чахоткой. Людмила была настолько слаба, что в церковь для венчания ее вносили в кресле… От болезни она так и не оправилась.
После смерти жены ученый был так подавлен, что попытался покончить с собой и выпил морфий. Но судьба сыграла шутку: доза оказалась слишком высока, яд вызвал рвоту и не успел попасть в кровь. Оправившись, Мечников выбросил все запасы морфия и никогда больше не прибегал к нему.
Но уже в 1875 году он женится на своей студентке Ольге Белокопытовой. На тот момент ей было всего 15 лет, и на свадьбу она надела первое в своей жизни длинное платье… А на следующее утро девочка поднялась пораньше, чтобы лучше приготовить урок по зоологии и тем самым доставить приятное супругу… Детей у них не было, и после смерти родителей жены Мечниковы стали опекунами ее братьев и сестер.
Но после 1881 года все меняется. Убийство Александра II влечет за собой реакционную волну. В университетах начинают ужесточать дисциплину. В ответ на это возникает все больше радикально настроенных студенческих группировок. Мечников выступает против закручивания гаек в области просвещения и в 1882 году уходит в отставку. И переезжает в Мессину. Именно там ученый делает открытие, которое перевернуло всю его жизнь.
«Мне пришло в голову, — писал потом Мечников, — что подобные клетки должны служить в организме для противодействия вредным деятелям. Я сказал себе, что если мое предположение справедливо, то заноза, вставленная в тело личинки морской звезды, не имеющей ни сосудистой, ни нервной системы, должна в короткое время окружиться налезшими на нее подвижными клетками, подобно тому, как это наблюдается у человека, занозившего себе палец. В крошечном садике при нашем доме я сорвал несколько розовых шипов и тотчас же вставил их под кожу великолепных, прозрачных, как вода, личинок морской звезды. Я, разумеется, всю ночь волновался в ожидании результата и на другой день, рано утром, с радостью констатировал удачу опыта. Этот последний и составил основу теории фагоцитов, разработке которой были посвящены последующие 25 лет моей жизни».
Эту гипотезу Илья Ильич подтвердил очень простым способом. Он воткнул в тело личинки шип розы и наблюдал, как вокруг занозы скопились амебоциты. Они либо пытались поглотить инородное тело, либо создавали защитный слой вокруг него. Мечников назвал эти клетки фагоцитами (от греческого слова «есть»), а само явление — фагоцитозом.
Ученый приезжает в Одессу и открывает свою частную лабораторию. Однажды он получает выгодный заказ от местного помещика — сделать прививку овцам от сибирской язвы. Мечников в то время находился в своем имении и передал дело ученикам. Но те допустили несколько серьезных ошибок, и в результате от болезни погибло 80 процентов из четырехтысячной отары… Ученики еле-еле спаслись от расправы разгневанных пастухов, а помещик подал в суд. Скандал был таким громким, что Министерство внутренних дел запретило прививки от сибирской язвы по всей России! И даже то, что в Париже опыты по вакцинации закончились триумфом, никого не убеждало. В конце концов, то Париж, а то Одесса — две большие разницы…
Вдобавок к этому в имении Мечникова случился бунт, 12 человек отправились на каторгу на Сахалин… Все эти беды нервировали ученого и мешали работать. И в 1888 году он эмигрировал в Париж. Как оказалось, навсегда…
Там он знакомится с Луи Пастером, который предлагает ему кафедру в своем институте.
В Пастеровском институте Мечников нашел тихую гавань, которую так долго искал. Там никто не мешал ему заниматься исследованиями, и он проработал на своей кафедре 28 лет. Илья Ильич получил широкое признание в научной среде благодаря циклу работ, посвященных эпидемиологии холеры, чумы, брюшного тифа и туберкулеза.
Этими исследованиями Мечников занимается и по личным причинам: от брюшного тифа умирает его вторая жена. Илья Ильич снова пытается покончить с собой и вкалывает себе вакцину, содержащую возбудителей тифа. Но после тяжелой болезни он выздоравливает. А по иронии судьбы, вместе со здоровьем улучшаются и зрение, и даже характер — теперь Мечников уже не так мрачно смотрит на мир…
Эти исследования позволяют ему развить свою теорию фагоцитоза, и Мечников выдвигает фагоцитарную теорию иммунитета.
Суть теории вот в чем: Илья Ильич предположил, что фагоциты захватывают и изолируют вредные тела, вызывающие заболевание. Это позволяет организму их изучить и выработать стратегию борьбы с ними. Организм вырабатывает соответствующие антитела и при повторном заражении уже знает, как бороться ними. Так, например, работают прививки от гриппа и других заболеваний.
За эту теорию в 1908 году Мечникову присудили Нобелевскую премию. Но сам он к тому моменту уже увлекся механизмами старения организма.
В 1903 году Илья Ильич опубликовал книгу, посвященную умению «жить правильно». Ученый считал, что люди стареют и умирают слишком рано. По его мнению, это происходит из-за микробов кишечной флоры, которые отравляют организм токсинами. Бороться с этим Мечников предлагал с помощью диеты: употреблять побольше кисломолочных продуктов, например, йогуртов, и поменьше мяса. Современные компании до сих пор производят «мечниковскую простоквашу» по его рецепту.
Не меньший вред, с точки зрения ученого, наносят и «противоречия человеческой природы». А преодолеть их возможно только с помощью науки и культуры.
Начало Первой мировой войны Илья Ильич очень сильно переживал — он-то понимал сколько бед и несчастий она принесет людям. Мечников перенес несколько инфарктов и в 1916 году скончался. Согласно завещанию урна с его прахом хранится в библиотеке Пастеровского института.
Великие ученые: Илья Мечников.Русский и французский биолог. Лауреат Нобелевской премии в области физиологии и медицины