История оспопрививания и других методов иммунизации

Справедливости ради напомним, что факт существования противомикробных свойств у крови млекопитающих  описан первыми микробиологами-микроскопистами, со времен изобретателя микроскопа А.Левенгука, наблюдавшими стерильность препаратов из крови здоровых животных и людей. Наблюдение того, что сыворотка животных способна убивать бактерии, опубликовано G.Nuttall в 1888 г. G.Nuttall первым описал не только феномен антибактериальных свойств нормальной сыворотки, но и то, что эти свойства заметно возрастают после иммунизации. В 1891 г. в статье Пауля Эрлиха (Paul Ehrlich, 1854—1915) противомикробные вещества крови автор назвал термином "антитело" (по-немецки antikorper), так как бактерий в то время называли термином "korper" — микроскопические тельца. Но П.Эрлиха "посетило" глубокое теоретическое прозрение. Несмотря на то, что факты того времени свидетельствовали, что в крови неконтактировавшего с конкретным микробом животного или человека не определяются антитела против данного микроба, П.Эрлих каким-то образом осознал, что и до контакта с конкретным микробом в организме уже есть антитела в виде, который он назвал "боковыми цепями". Как мы теперь знаем, это именно так, и "боковые цепи" Эрлиха — это подробно изученные в наше время рецепторы лимфоцитов для антигенов. Позже этот же образ мыслей П.Эрлих "применил" к фармакологии: в своей теории химио-терапии он предполагал предсуществование в организме рецепторов для лекарственных веществ. В 1908 г. П.Эрлиху вручили Нобелевскую премию за гуморальную теорию иммунитета. В 1899 г. Л.Детре (сотрудник И.И.Мечникова) ввел термин "антиген" для обозначения субстанций, в ответ на которые организм животных и человека способен вырабатывать антитела.

Одновременно с П.Эрлихом в 1908 г. Нобелевскую премию за клеточную теорию иммунитета получил великий русский ученый Илья Ильич Мечников (1845—1916). Современники И.И.Мечникова отзывались об его открытии как о мысли "гиппократовского масштаба". Сначала И.И.Мечников как зоолог экспериментально изучал морских беспозвоночных фауны Черного моря в Одессе и обратил внимание на то, что определенные клетки (целомоциты) этих животных поглощают инородные субстанции (твердые частицы и бактерий), проникшие во внутреннюю среду. Затем (1884 г.) он увидел аналогию между этим явлением и поглощением белыми клетками крови позвоночных животных микробных телец. Эти процессы наблюдали и до И.И.Мечникова другие микроскописты. Но только И.И.Мечников осознал, что это явление не есть процесс питания данной единичной клетки, а есть защитный процесс в интересах целого организма. И.И.Мечников первым рассматривал воспаление как защитное, а не разрушительное явление. Против теории И.И.Мечникова в начале XX в. были большинство патологов, так как они наблюдали фагоцитоз в очагах воспаления, т.е. в больных местах, и считали лейкоциты (гной) болезнетворными, а не защитными клетками. Более того, некоторые полагали, что фагоциты — разносчики бактерий по организму, ответственные за диссеминацию инфекций. Но идеи И.И.Мечникова устояли; ученый назвал действующие таким образом защитные клетки "пожирающими клетками". Его молодые французские коллеги предложили использовать греческие корни того же значения. И.И.Мечников принял этот вариант, и появился термин "фагоцит". Эти работы и теория Мечникова чрезвычайно понравились Л.Пастеру, и он пригласил Илью Ильича работать в свой институт в Париже.

Научный спор между клеточной (И.И.Мечников и его ученики) и гуморальной (П.Эрлих и его сторонники) теориями иммунитета длился более 30 лет и способствовал развитию иммунологии как науки. На протяжении всех этих 30 лет сторонников клеточной теории было намного меньше, чем сторонников гуморальной, по той простой причине, что методы работы с клетками во много раз более трудоемки, чем методы регистрации реакций антиген — антитело в растворах. Но в конечном счете все пришли к тому осознанию, что всякий иммунный ответ есть клеточный. И.И.Мечников и его ученики не могли вербально парировать "видимые невооруженным глазом" аргументы "гуморалистов", но они работали экспериментально и публиковали статью за статьей, в которых показывали, что между наличием бактерицидных субстанций в крови и защищенностью организма от инфекционной болезни часто нет корреляции. Зато есть корреляции между резистентностью к болезни и способностью фагоцитов убивать бактерий (например, в случае anthrax). Ученики И.И.Мечникова поставили эксперимент с помещением бактерий в капсулу из фильтровальной бумаги, которая пропускала антитела и комплемент, но не допускала до бактерий фагоциты: в результате микробы остались вирулентными! Английские ученые А.Райт и С.Дуглас (Almroth Wright, S.R.Douglas) фактически воссоединили теории Мечникова и Эрлиха в своем исследовании феномена, который они назвали опсонизацией, состоящего в том, что в присутствии антител фагоцитоз микробов существенно усиливается. Орspnein по-гречески — делать вкусным (антитела делают микробов "вкусными" для фагоцитов). Среди друзей А.Райта был Бернард Шоу, который написал пьесу "The Doctor's Dilemma" по мотивам профессионального спора сторонников И.И.Мечникова и сторонников П.Эрлиха. Члены академии наук Швеции в 1908 г. обоим, И.И.Мечникову и П.Эрлиху, присудили высшую ученую награду — Нобелевскую премию.

3. Первые  шаги

Первыми институтами, где  работали первые иммунологи были институты микробиологии (Институт Пастера в Париже, Институт Коха в Берлине и др.). Первым специализированным иммунологическим институтом стал Институт Пауля Эрлиха во Франкфурте. Со времен первой мировой войны заинтересованные медики стали собирать международные конгрессы по медицине и гигиене. Первые научные журналы, публикующие статьи по нашему предмету, — это Annales de I'lnstitut Pasteur во Франции, Zeitschrift fur Immunitatsforschung с 1908 г. в Германии, American Journal of Immunology с 1916 г. в США. В настоящее время международных рецензируемых научных периодических изданий со словом "иммунитет" или "иммунология" в названии не один десяток. В 1913 г. была организована Американская ассоциация иммунологов (American Association of Immunologists).

Следующий нестандартно мыслящий иммунолог — Карл Ландштейнер (Karl Landsteiner, 1868—1943). В то время как почти все современные ему иммунологи изучали механизмы защиты организма от инфекций, К.Ландштейнер замыслил и осуществил исследования по образованию антител в ответ не на микробные антигены, а на самые разные другие вещества. В 1901 г. он открыл группы крови АВО (антигены эритроцитов и антитела — агглютинины) (в настоящее время это система АВН). Это открытие имеет глобальные последствия для человечества, может быть даже для его судьбы как вида. В 1899 г. J.Bordet показал, что антитела к эритроцитам способны in vitro (в пробирке) вызывать агглютинацию и/или лизис эритроцитов (гемолиз), если в системе присутствует комплемент. И то и другое (агглютинация и гемолиз) позволяют легко визуализировать реакцию антигена с антителом для невооруженного глаза. По этой причине эритроциты стали широко использовать как видимый "антиген" в лабораторных работах. Вскоре обнаружили, что в сыворотке крови животных существуют спонтанные изо-антитела, способные агглютинировать эритроциты некоторых других особей того же вида животных. Этот-то феномен и подробно исследовал К.Ландштейнер. Его работы стали началом медицинского типирования крови с целью переливания. В 1929 г. К.Ландштейнер в совместной работе с Филипом Левиным (Philip Levin) открыл группы крови системы MNP. В 1940 г. К.Ландштейнер вместе с Александром Винером (Alexander Wiener) открыл резус-фактор и его значение как при переливаниях крови, так и в развитии трансплацентарной болезни новорожденных, называемой в то время эритробластозом плода. Затем другие исследователи открыли множество других антигенов эритроцитов, что нашло, помимо теоретического, прикладное применение в судебно-медицинских экспертизах и антропологических исследованиях по происхождению человеческих рас и истории миграций народов.

Термин "иммунохимия" ввел в 1904 г. известный физико-химик Сванте Аррениус (S.Arrhenius). С.Аррениус предпринял исследование по титрованию реакций дифтерийного токсина с антитоксином и пришел к выводу об обратимости взаимодействия антигена с антителом.

В 1906 г. F.Obermeyer и E.P.Pick удалось получить антитела не к натуральным, а к модифицированным нитрованием белковым антигенам. Ученые к тому же показали, что антитела к нативным белкам не связываются с нитрованными белками (специфичность взаимодействия антиген — антитело!). E.P.Pick в своем обзоре в 1912 г. ввел термин "гаптены" для обозначения низкомолекулярных химических групп, к которым можно получить антитела, если конъюгировать их с белками-носителями. Эти наблюдения и методы стали основой для будущих исследований по изучению активных центров антител — мест связывания антител с антигенами. С особым успехом в этом направлении работал и К.Ландщтейнер. В 1917 г. он опубликовал две выдающиеся статьи, посвященные получению антител к гаптенам, и определил область своих собственных научных интересов на последующие 37 лет — изучение молекулярных механизмов взаимодействия антигенов с активными центрами антител. Получение антител к неприродным антигенам имеет огромное теоретическое значение с общебиологической точки зрения, которое сами авторы, по-видимому, не осознавали, или по крайней мере не написали об этом. А этот факт служит свидетельством того, что процесс формирования разнообразия антител в организме не находится под непосредственным давлением естественного отбора (это феноменологическая предтеча понятого много позже молекулярного механизма формирования разнообразия рецепторов для антигенов в результате соматической рекомбинации ДНК их генов). В первой же половине XX в. эти работы для большинства специалистов явились поводом для сомнений в теории боковых цепей Эрлиха: если фактом является то, что можно легко получить антитела к искусственным молекулам, то непонятно, зачем и как в организме предсуществуют рецепторы для небывалых в природе веществ. Непонятен был приспособительный смысл такого биологического явления, и о возможных механизмах не стали тогда думать. Работы К.Ландштейнера и его предшественников стали достоянием общества и быстро приобрели прикладное значение: в разных лабораториях стали получать антитела не как объект изучения природных механизмов защиты от инфекций, а как специфические реагенты на самые разные интересующие исследователей агенты.

Начало количественной иммунохимии связывают с работами Михаила Гейдельбергера (Michael Heidelberger, 1888—1991). Он получил антитела не к белковым антигенам, а к полисахаридным компонентам капсулы пневмококков. Развивая эти исследования, автор разработал методы количественной оценки преципитации антигенов антителами, что способствовало превращению иммунологии во все более точную науку. На несколько десятилетий химические идеи в иммунологии вытеснили представления о биологической эволюции. В 1930 г. биохимик Феликс Гауровиц (F.Haurowitz) выдвинул инструктивную теорию прямой матрицы, в которой предположил, что из индифферентных белков — предшественников антител при контакте с антигеном "вылепливается" комплементарное антитело. Такое простое представление легко объясняло неограниченное разнообразие антител. В 1940 г. эту идею поддержал известный биохимик Лайнус Полинг. Будущее показало, что в действительности все совсем иначе.

По-видимому, одна из первых опубликованных (1937) работ по электрофорезу белков сыворотки крови — это работа А.Тизелиуса (A.Tiselius). Он показал, что антитела попадают во фракцию γ-глобулярных белков. Появились термин "гамма-глобулины" и его синоним "иммуноглобулины".

В течение 3—4 десятилетий середины XX в. биохимики узнавали, какие есть варианты молекул иммуноглобулинов и какова структура молекул этих белков. Были открыты 5 классов, 9 изотипов иммуноглобулинов. Последним был идентифицирован иммуноглобулин класса Е: в 1960 г. его описали японские исследователи К.Ишизака и Т.Ишизака (K.Ishizaka. M.Ishizaka) и в 1965 г. независимо от них шведские исследователи С.Иоханссон и Х.Бенних (S.G.O.Johansson, H.Bennich).

Родни Портер (Rodhey Porter, 1920—1985) изучал иммуноглобулины путем протеолиза молекул папаином и трипсином с последующим фракционированием протеолитических фрагментов ионообменной хроматографией (Fab, Fc). Г.Эдельман (Gerald Edelman, 1929) и М.Д.Поулик (M.D.Poulik) и независимо от них Дж.Флейшман (J.B.Fleischman) диссоциировали молекулы иммуноглобулинов не ферментативно, а с помощью агентов, разрывающих дисульфидные связи. В результате выяснили, что молекулы иммуноглобулинов состоят из 4 цепей: 2 одинаковых тяжелых и 2 одинаковых легких. Наконец, в 1962 г. Р.Портер предложил модель структуры молекул иммуноглобулинов. Она оказалась универсальной для иммуноглобулинов всех изотипов и совершенно верной и по сегодняшний день наших знаний. В 1965 г. В.Дрейер и Дж.Беннет (W.J.Dreyer, J.C.Bennett) высказали верное предположение, что при дифференцировке антителообразующих клеток различные варианты генов вариабельной области иммуноглобулинов объединяются с одним и тем же геном константной области молекулы иммуноглобулина. Данная идея вошла в историю под названием "два гена — одна полипептидная цепь". Эта идея подтвердилась и была развита в выдающихся работах 1976 г. Сузумы Тонегавы (Susumu Tonegawa,   1939) и Н.Хозуми (N.Hozumi), которые сделали великое открытие — обнаружили рекомбинацию ДНК в антителопродуцирующих лимфоцитах. Они тщательно сравнивали электрофореграммы фрагментов рестрикции ДНК из лимфоцитов и нелимфоидных клеток того же организма и пришли к выводу, что зрелый лимфоцит отличается от любой другой клетки того же организма физически перестроенной ДНК генов, кодирующих биосинтез иммуноглобулинов. S.Tonegava, W.Gilbert и A.M.Maxam открыли интроны — некодирующие последовательности ДНК, находящиеся между V- и С-генами иммуноглобулинов. Вскоре S.Tonegava и Philip Leder обнаружили существование J-сегментов, S.Tonegava и Leroy Hood выявили еще и D-сегменты генов иммуноглобулинов. Таким образом состоялось открытие VDJ-рекомбинации ДНК генов иммуноглобулинов. L.Hood к тому же обнаружил существование механизма сдвига рамки считывания при трансляции белка. Загадка разнообразия антигенсвязывающих центров антител была разгадана в терминах молекулярной генетики.

В 1975 г. Георг Кёлер (Georges F. Kohler, 1946—1995) и Цезарь Мильштейн (Cesar Milstein, 1927) провели выдающуюся работу, в которой применили метод гибридизации соматических клеток к лимфоцитам иммунных мышей и получили в культуре in vitro (в пробирке) гибридные клетки, неограниченно размножающиеся и продуцирующие антитела. Все антитела одного клона гибридом оказались одинаковыми. Они получили название моноклоналъных и блестяще подтвердили клональность природного устройства иммунной системы (лимфоцитов). Моноклональность миеломных антител обнаружил в 1955 г. Генри Кункель (Henry Kunkel), но результаты Г.Кёлера и Ц.Мильштейна позволили распространить это представление на нормальные лимфоциты. С работы Г.Кёлера и Ц.Милыптейна в иммунологии активизировалось направление биотехнологии. В наши дни с помощью методов молекулярного клонирования получают рекомбинантные химерные и разные неприродные молекулы "а ля'антител", кодирующая ДНК которых "скроена" из генов иммуноглобулинов или их фрагментов или каких угодно еще генов, причем животных разных видов. Кстати, в том же 1975 г. Питер Дохерти (Peter Doherty, 1940) и Рольф Цинкернагель (Rolf Zinkernagel, 1944) провели также выдающуюся экспериментальную работу по распознаванию Т-лимфоцитами вирусных антигенов на инфицированных клетках, что позволило им понять природные функции главного комплекса гистосовместимости — представление антигена Т-лимфоцитам. С.Тонегава, Р.Цинкернагель и П.Дохерти, Г.Кёлер и Ц.Мильштейн стали лауреатами Нобелевской премии. Таким необыкновенно благоприятным для науки иммунологии оказался 1975 г. Гуморальный иммунитет — это не только антитела. В начале XX в. вскоре после описания антител (как феномена) Жюль Бордэ (Jutes Bordet, 1870—1961) (студент И.И.Мечникова) открыл комплемент — тоже как феномен — нечто термолабильное (инактивируемое при 56 *С) в сыворотке крови, что необходимо, кроме антител, для инактивации бактерий.

4. Цитокины.

Прежде чем приступить к описанию истории открытия клеток, ответственных за функции иммунитета, расскажем кратко о ряде известных фактов о "движении" наших знаний про еще одну гуморальную "материю" в организме — о цитокинах. Развитие знаний о цитокинах довольно четко делится на этапы во времени и берет начало в конце 20-х — начале 30-х годов XX в.: до 60-х годов находки были, но этот этап называют "преисторическим"; 60-е — начало 80-х годов — этап выделения всевозможных факторов из супернатантов клеточных культур, гуморальных медиаторов иммунного ответа, которые (и не все) с большим трудом удавалось выделить в чистом виде и часто при этом биологическая активность падала вплоть до исчезновения. С середины 80-х годов и по настоящее время в иммунологию вошли методы молекулярного клонирования, трансгенные мыши и мыши с удалением заданных генов (knokout). Такие исследования постепенно, с одной стороны, вносят все больше понимания о соотношении структуры и функций цитокинов, с другой — резко увеличивают объем информации до степени, что ее целостное осознание становится все труднее.