Иммунология

Раздел о строении и закономерностях функционирования иммунной системы, её заболеваниях и способах иммунотерапии.
» Иммунология, которой нас обучают вирусы
» Антивирусный ответ антител: две крайности широкого спектра

Антивирусный ответ антител

Антивирусный ответ антител: две крайности широкого спектра

Краткий обзор

Вирусы вызывают образование разнообразного спектра антивирусных ответов антител. В этом обзоре мы обсуждаем две широко используемые экспериментальные модельные системы вирусных инфекций - нецитопатическим вирусом лимфоцитарного хореоменингита (LCMV) и острым цитопатическим вирусом везикулярного стоматита (VSV) - для того, чтобы проанализировать два фундаментально различающихся типа антивирусного ответа антител. Базовые принципы, обнаруженные при изучении этих модельных инфекций, обсуждаются в связи с другими вирусными инфекциями, а также в отношении выработки защитных нейтрализующих антител или антител, обнаруживаемых с помощью иммуноферментного анализа, не обладающих нейтрализующими свойствами. Предметом обсуждения также является специфичность, аффинность, авидность антител, созревание (иммунного ответа) и уклонение (вируса от иммунного ответа). Все это рассматривается в связи с совместной эволюцией хозяина и вирусов.

Вирусы представляют собой развивающиеся исключительно внутри живого организма внутриклеточные патогены, которым для своего существования необходим определенный хозяин. В большинстве случаев совместная эволюция привела к сосуществованию обоих. Такое равновесие обычно проявляется в уменьшении патологического эффекта, вызываемого инфицирующим вирусом, а также в усилении неспецифических и специфических механизмов устойчивости организма хозяина. Вирусы, инфицирующие новые виды хозяев, так называемые "новые" или "вновь возникающие" (emerging infections) инфекции, обычно являются либо существенно более патогенными в сравнении с вирусами, которые лучше адаптированы к данному виду хозяина [например миксоматоз (myxomatosis) у австралийских кроликов (1)], или такие вирусы неспособны укореняться в общей популяции (например вирус Эбола).
Прямой цитопатический эффект, вызываемый вирусами, является очень разнообразным. Инфекция острым цитопатическим вирусом
приводит к чрезмерному повреждению инфицированных тканей и распространение таких вирусов должно быть быстро ограничено, если хозяин надеется пережить инфекцию. Примеры таких цитопатических вирусов у человека включают в себя нейротропный полиовирус, вирус бешенства и оспы. Вирус везикулярного стоматита (VSV) у мышей напоминает вирус бешенства и вирус VSV часто используют в качестве модели острой цитопатической вирусной инфекции (Бокс 1). Напротив, другие вирусы не индуцируют прямое повреждение клеточных культур, а заболевание является результатом действия иммунного ответа (иммунопатология). Примерами таких слабо цитопатических или нецитопатических вирусов являются вирус гепатита В (HBV), вирус гепатита С (HCV) и возможно вирус иммунодефицита у человека (HIV) (см. далее в статье) или вирус лимфоцитарного хореоменингита (LCMV) у мышей (Бокс 1). Слабо цитопатические вирусы обычно персистируют
в течение всей жизни хозяина и часто передаются от матерей к потомству через плаценту до рождения (LCMV) (2) или при рождении (HBV, HCV, HIV) (3,4). Цитопатические вирусы также могут персистировать в организме хозяина, но при этом необходимо, чтобы такая инфекция перешла в латентное состояние внутри какого-либо типа клеток. Это необходимо для того, чтобы вирус мог уклониться от иммунологического ответа. Более того, многие из таких вирусов, обладающих чередующимся цитопатическим действием, не позволяют иммунной системе вывести их из организма. Наиболее известными членами этой группы являются вирусы герпеса, цитомегаловирус и вирус Эпштейн-Барра. Они широко распространены в популяции человека, персистируют в течение всей жизни в отдельных культурах клеток и время от времени вызывают литические инфекции (5, 6).
Вне пределов рассмотрения этого обзора находится вопрос о врожденной устойчивости к вирусной инфекции, например синтез интерферонов. Тем не менее необходимо отметить, что
без таких механизмов приобретенная иммунная защита, которую опосредуют антитела, неспособна контролировать вирусные инфекции (7). Иммунный контроль над вирусами обычно требует взаимодействия клеточного и гуморального иммунного ответа. В этом обзоре мы фокусируем внимание на вирусах лимфоцитарного хореоменингита (LCMV) и везикулярного стоматита (VSV) и используем их в качестве полярных (крайних) примеров взаимодействия хозяина с персистирующим слабо цитопатическим и острым цитопатическим вирусом, соответственно. Экспериментальные данные, полученные на этих двух вирусах, будут обсуждаться в их взаимосвязи с другими вирусными инфекциями.

Виды (типы) антител, индуцируемые вирусной инфекцией

Вирусные белки распознаются в качестве чужеродных, и при инфицировании на многие вирусные белки вырабатываются антитела (8, 9). И все же в нормальных условиях только небольшая часть этих антител имеет прямое антивирусное действие in vitro и такие антитела
считают нейтрализующими. Для проявления нейтрализующей активности требуется, чтобы антитела имели относительно высокую аффинность и/или авидность для экспонированных на поверхности вируса структур (10, 11). Такие антитела делают вирион неинфекционным, препятствуя взаимодействию вируса с его рецептором и не позволяя вирусу войти в клетку. Однако аминокислотные остатки поверхностных белков вируса, которые вовлечены в связывание с клеточным рецептором, часто находятся в ложбинах не очень доступных для антител (12-14). Следовательно, нейтрализующие антитела часто взаимодействуют со структурами, которые бы не допускали по стерическим причинам связывания поверхностных белков вируса с их рецептором (15, 16). Описано лишь немного антител в организме человека, которые, как было показано, прямым образом взаимодействуют с сайтом на вирусной частице, отвечающим за связывание с рецептором (12-14). Такие антитела взаимодействуют с сайтом на вирусной частице через протяженный участок, отвечающий за комплементарность
связывания антитела с антигеном 3 (CDR3 region), находящийся в молекуле антитела (12). Также было показано, что некоторые антитела индуцируют конформационные изменения, которые нарушают функции поверхностных вирусных белков (17). Процесс вхождения вируса в клетку требует значительных конформационных изменений, которые должны произойти в поверхностных белках вируса (18, 19), а связывание некоторых нейтрализующих антител (с вирусом) может, следовательно, предотвратить вход вируса, препятствуя этим конформационным изменениям (20, 21).
Огромное количество вирус специфических антител однако не обладают нейтрализующей активностью. Это происходит из-за того, что они вырабатываются на фрагменты вириона, которые высвобождаются из разрушенных инфекцией клеток (22, 23). Антитела, направленные против таких антигенов, часто специфичны к белкам, которые находятся в особом состоянии. Они являются либо внутренними белками, которые не доступны на поверхности цельной вирусной
частицы или инфицированных клеток (например вирусные нуклеопротеины) (22, 24), либо представляют собой денатурированные, деградированные или не полностью транслированные и/или процессированные (процессами расщепления или гликозилирования) продуктами (23, 25), или белки, не являющиеся олигомеризованными (что требуется для Т независимой активации В клеток, см. ниже) (25, 26). В другом случае антитела могут вырабатываться против поверхностных антигенов в их естественной форме, но они не обладают нейтрализующей активностью, поскольку направлены против эпитопов, взаимодействие с которыми не влияет на присоединение вируса к клетке и вход вируса в клетку (27). Защитная функция такого большого разнообразия антител неоднозначна (спорна). Однако было показано, что ненейтрализующие антитела, связывающиеся с находящимися на поверхности детерминантами, помогают контролировать некоторые вирусные инфекции через активацию системы комплемента, усиление фагоцитоза и/или с
помощью зависимой от антител клеточной цитотоксичности.
Антивирусные антитела можно обнаружить либо по их физическому связыванию с вирусными компонентами, или по их биологической функции. Наиболее часто употребляемые методы обнаружения антивирусных антител описаны в Таблице 1. Для обнаружения связывания антител с вирусными компонентами наиболее часто используют иммуноферментный анализ (ELISA). Однако этот метод обычно не несет прямой информации о биологической функции обнаруживаемых таким образом антител. Это происходит из-за того, что с одной стороны, лишь минимальная (довольно низкая) аффинность необходима для обнаружения антител методом ELISA. С другой стороны, иммобилизированные на планшетах антигены могут изменять свою конформацию и выводить на свою поверхность такие эпитопы, которые обычно недоступны на цельных вирионах.
Биологическую функцию антител оценивать сложнее и для этого требуется проведение реакции нейтрализации in vitro
или опытов по защите против инфекции in vivo (Таблица 1). При проведении исследований на мышах можно использовать оба метода и при этом наблюдают хорошее соответствие (корреляцию) между уровнем нейтрализующих антител в сыворотке и защите in vivo. В случае острых цитопатических вирусов или вирусов с чередующимся цитопатическим действием (intermittently cytolytic viruses) нарастание антител, которое обнаруживают в ELISA, обычно (но не всегда) коррелирует с нейтрализующей способностью in vitro (28-31) и ELISA можно, следовательно, использовать для наблюдения за иммунным статусом хозяев. Однако такую корреляцию трудно найти для группы склонных к персистенции слабо цитопатических вирусов, которые индуцируют образование антител, выявляемых в ELISA, в ранние сроки после инфекции, тогда как нейтрализующие антитела обнаруживают спустя недели и месяцы (32-36).

Иммуногенность цельных вирусных
частиц (поверхности вириона)

При рассмотрении вирионов в качестве многомерного (particulate) антигена можно отметить три главных фактора, влияющих на антигенность и иммуногенность естественной поверхности вириона (Рис. 1). Они включают в себя доступность (accessibility) для антител, структурную организацию (arrangement) участка, с которым связываются антитела, и частотность зародышевых (изначальных) комбинаций генов вариабельных участков легких и тяжелых цепей иммуноглобулинов, несущих специфичности к эпитопам в доступных сайтах на поверхности вириона.
Как видно на рисунке (Рис. 1а), доступность вирусных поверхностных антигенов влияет на количество (число) антигенных сайтов, против которых вырабатываются антитела. Некоторые вирусы, например имеющий оболочку острый цитопатический вирус VSV, состоит из множества копий одного единственного гликопротеина, упакованного плотным образом на поверхности вириона. Такая
плотная упаковка ведет к тому, что только небольшая часть гликопротеина доступна для взаимодействия с вирусным рецептором и антителами. Вследствие этого, цельные вирионы вируса VSV несут только один антигенный сайт, а антитела, направленные против него, обычно конкурируют за связывание с рецептором и нейтрализуют вирус (10, 37). Другие вирусы, например полиовирус, имеет менее плотно упакованные структуры, с частыми выступами на поверхности вириона (спайками). Эти выступы содержат один или несколько белков с антигенными сайтами, которые обычно находятся на наиболее удаленном участке (верхушке петли), несущим нейтрализующий эпитоп. Вследствие такого расположения многие вирусы могут изменять свои антигенные сайты без воздействия на (без изменения) функциональные свойства белка (19, 38, 39). Большинство поверхностных белков вирусов представлены в составной (multimerized) форме на поверхности вириона, часто в форме тримеров (18). Это означает, что большая доля
поверхности мономера скрыта внутри мультимера и, следовательно, недоступна для антител. На доступность сайта для антител также влияет гликозилирование белка. Дополнительное гликозилирование либо может сделать антигенный сайт нейтральным (inert) (19, 34, 40), или является необходимым условием для придания белку правильной естественной конформации (41).
Структурная организация антигенных сайтов на поверхности вируса сильно влияет на эффективность независимого от Т клеток В клеточного ответа (Рис. 1b). Эффективную и, следовательно, независимую от Т клеток активацию В клеток первоначально обнаружили при использовании полимеров, нагруженных гаптенами (42), или полимера, называемого флагеллином (43). Было показано, что плотное двумерное расположение приблизительно 30 молекул гаптена с оптимальным расстоянием между ними в пределах от 5 до 10 нанометров индуцирует В клеточные ответы в отсутствие Т клеточной помощи. Нейтрализующие детерминанты многих цитопатических
вирусов (например вируса VSV) выполняют такие структурные требования (см. ниже).
Частотности зародышевых (изначальных) комбинаций генов вариабельных участков легких и тяжелых цепей иммуноглобулинов, которые несут специфичности к эпитопам в доступных сайтах на поверхности вирионов, имеют огромное влияние на иммуногенность поверхности вируса (Рис. 1с). Например, было показано, что нейтрализующий эпитоп поверхностного гликопротеина вируса лимфоцитарного хореоменингита (LCMV) является слабо иммуногенным для мышей "дикого типа" (генетически не модифицированных) (44). Напротив, мыши, трансгенные по тяжелой цепи иммуноглобулина (кодирующей этот нейтрализующий эпитоп), что позволяет иметь увеличенную частотность В клеток, специфичных к этому эпитопу, вырабатывают сильный, ранний и независимый от Т клеток ответ антител. Все это указывает, что данный эпитоп вируса LCMV представлен В клеткам должным образом и у "дикого", и у трансгенного типа мышей (45).

Ответы антител при вирусных инфекциях

Естественные антитела: первый уровень защиты. Термин "естественные антитела" используют для описания низкоаффинных и полиреактивных антител, которые на невысоком уровне находятся в крови любого человека. У мышей естественные антитела присутствуют даже в свободных от патогенов (germ free) условиях (46) и было показано, что самообновляющиеся CD5+ В1 клетки секретируют большие количества таких антител (46, 47). Полиреактивную специфичность естественных антител связывают с конформационной гибкостью участка CDR3 (участок 3 отвечающий за комплементарность связывания антигена с антителом) тяжелой цепи иммуноглобулина, который позволяет этим антителам с низкой аффинностью взаимодействовать с широким кругом антигенов, включающим в себя белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды (48, 49).
Первоначально считали, что естественные антитела являются
неспецифическим фоном в экспериментах и большинство иммунологических опытов проводили таким образом, чтобы исключить их влияние. Однако недавние исследования показали, что естественные антитела обеспечивают важную связь между врожденным и приобретенным иммунным ответом (иммунной системой) через ограничение первоначального распространения вируса (50) (Рис. 2). Более того, естественные антитела играют важную роль в доставке вирусных антигенов во вторичные лимфоидные органы, что является первым шагом при зарождении (праймировании) адаптивного иммунного ответа (51). Частично этот процесс опосредуется через открытый недавно механизм с участием Fc ?/? рецепторов (52). Еще было показано, что комплемент, присутствующий в иммунных комплексах и связывающийся со своими рецепторами, также несет значительный вклад в привлечение антигена во вторичные лимфоидные органы (50, 53). Кроме того, рецептор 2 комплемента усиливает сигнал, передающийся В клеточному
рецептору, и облегчает активацию В клеток (54).
Некоторые естественные антитела могут непосредственно (прямо) нейтрализовать вирусы. Спонтанные доиммунные уровни нейтрализующих антител могут быть относительно высокими для цитопатических вирусов (например в пределах от 1:8 до 1:32 против вируса VSV) (45, 55, 56), но обычно они находятся на низком уровне (или ниже пределов обнаружения) для слабо цитопатических вирусов (например менее 1:2 против вируса LCMV) (45). Такая разница не совсем понятна, но можно говорить о том, что для уменьшения своей летальности цитопатические вирусы должны были развиваться таким образом, чтобы нести на своей поверхности нейтрализующие детерминанты, которые бы связывались с высокой авидностью с имеющимся в распоряжении репертуаром (широтой специфичности) В клеток высших позвоночных (вне зависимости от биологических видов хозяев). Ситуация совершенно другая для склонных к персистенции обычно слабо цитопатических или вирусов, обладающих чередующимся
цитопатическим действием. Такие вирусы могут воспользоваться преимуществом, проявляющемся в отсутствии требуемого репертуара В клеток у одного или нескольких видов хозяев, чтобы установить персистентную инфекцию. Принимая во внимание важную роль естественных антител, нет ничего удивительного в том, что мыши, лишенные (deficient) естественных антител (57-59), комплемента (50, 53) или макрофагов маргинальной зоны, которые выводят из кровотока иммунные комплексы (60, 61) (Рис. 2), имеют большие трудности в том, чтобы контролировать вирусные инфекции.

Быстрая индукция нейтрализующих антител. Достижение вирусами центральной нервной системы (ЦНС) или других жизненно важных органов ведет к смерти. Наряду с естественными механизмами устойчивости (например действие интерферонов) быстро индуцируемые (через 2-4 дня) нейтрализующие антитела часто необходимы для выживания хозяина. Например, энтеровирусные инфекции
у людей с замедленным развитием ответа антител (при связанной с дефектом Х-гена агаммаглобулинемией) часто ведут к поражению ЦНС (62). Мыши, лишенные (deficient) В клеток и инфицированные вирусом VSV, умирают в течение 5-10 дней (63, 64). То же самое происходит с мышами, которые инфицированы вирусом лихорадки Западного Нила (65) или вирусом гриппа (57). В этой связи можно упомянуть о людях, инфицированных вирусом Эбола. Плохое (слабое) взаимное приспособление патогена и его хозяина ведет к отсутствию или задержке ответа антител, что в конечном итоге, вероятно, существенно влияет на повышение уровня смертности.
Быстрое нарастание нейтрализующего ответа антител представляет собой ключевой фактор выживания при инфекции острыми цитопатическими вирусами. Поскольку на праймирование CD4+Т хелперных ответов требуется несколько дней, быстрая индукция раннего ответа нейтрализующими IgM антителами, независимая от Т клеточной помощи, может заполнить эту пустоту. В действительности
было показано, что большинство цитопатических вирусов могут индуцировать независимый от Т клеток ответ нейтрализующими IgM антителами (67-70). Это указывает на то, что организация антигена на поверхности большинства острых цитопатических вирусов развивалась таким образом, чтобы соответствовать требованиям по независимой от Т клеток активации В клеток, как это описано выше. Более того, это указывает также на то, что совместная эволюция таких вирусов и их хозяев отбирала нейтрализующие эпитопы, имеющие достаточно высокую аффинность к зародышевым (изначальным) участкам молекулы иммуноглобулина, которая кодируется генами вариабельных областей легких и тяжелых цепей иммуноглобулина у высших животных (правильно и обратное утверждение). Следовательно, мы приводим доводы в пользу того, что если цитопатические вирусы не соответствуют имеющемуся в наличии репертуару (широте специфичности), они бы не смогли развиться у данного вида позвоночных, не поставив его на грань исчезновения. Это положение, конечно
же, отличается от общепринятого мнения, что зародышевый (изначальный) репертуар приспособляется к острым инфекциям. (Мы же считаем такой процесс слишком медленным).

Эволюция вирусов, которые способны предотвращать выработку нейтрализующих антител. Поскольку прямой вред, причиняемый хозяину вирусом, склонным к персистенции (обычно это слабо цитопатический вирус), является незначительным, не возникает никакой необходимости в немедленном контроле над вирусной инфекцией для обеспечения выживания хозяина. Такие вирусы уклоняются или вмешиваются в процесс выработки нейтрализующих ответов антител таким образом, чтобы увеличить время своего нахождения в организме хозяина. Следовательно, нет ничего удивительного в том, что нейтрализующий ответ антител против хорошо изученного вируса лимфоцитарного хореоменингита (LCMV) и вируса, повышающего уровень лактатдегидрогеназы (lactate dehydrogenase-elevating virus, LDV) у мышей, а также вирусов гепатита В, С
и иммунодефицита у человека (HBV, HCV, HIV), появляется с большой задержкой и часто имеет невысокий уровень.
В точности как для вируса LCMV, первоначальный контроль над вирусом иммунодефицита человека зависит в основном от активности Т клеток, а вируснейтрализующие антитела появляются только через несколько недель или месяцев. Более того, поскольку реплицирующийся вирус HIV может персистировать в течение многих лет и при этом не вызывать острую летальную инфекцию, прямой ущерб, индуцируемый вирусом, должен быть незначительным. Мы полагаем, что хозяин заболевает из-за иммунопатологической реакции. Такой взгляд не разделяют многие исследователи в этой области, поскольку было показано, что in vitro вирус HIV может индуцировать цитопатический эффект (71). Однако in vivo очень мало свидетельств того, что вирус HIV вызывает прямой цитопатический эффект (72, 73) и только у 40-50% пациентов с синдромом приобретенного иммунодефицита (AIDS)
вирус проявляет слабо цитопатический не индуцирующий синцитий фенотип (74). Можно, следовательно, предположить, что вирус HIV является слабо цитопатическим вирусом, который лишь недавно преодолел межвидовой барьер, и что вирус еще не адаптирован (приспособлен) наилучшим образом к новому хозяину (тогда как вирус HIV-2 может быть уже адаптирован значительно лучше).
Текущие наблюдения показывают, что, по крайней мере, 4 фактора могут нарушать ранний нейтрализующий ответ антител против слабо цитопатических вирусов (Рис. 3). Эти факторы включают в себя низкую частотность генов зародышевых (изначальных) вариабельных участков тяжелых и легких цепей иммуноглобулинов, которые кодируют нейтрализующие антитела, активное изменение (модификацию) репертуара В клеток через истощение некоторых подвидов (subsets) В клеток, индукцию аномальной Т клеточной активности, которая ведет к поликлональной активации В клеток, и иммунопатологические
изменения во вторичных лимфоидных органах. В случае инфекции грызунов вирусом LCMV продолжительная совместная эволюция во взаимоотношениях патогена и хозяина предположительно привела к отбору (появлению) нейтрализующего эпитопа, который не распознается с достаточно высокой авидностью молекулами иммуноглобулинов, несущими комбинации генов вариабельных областей легких и тяжелых цепей (VL-VH) в зародышевом (изначальном) состоянии у своего наиболее значимого хозяина, у мыши. При таком воздействии (selective pressure) ответ на ненейтрализующие эпитопы не развивался, что оставляло ответ против таких антигенов в неизменном виде. Более того, вирус LCMV обычно передается плоду через плаценту, позволяя вирусу в большой мере уклоняться от действия защитных антител и Т клеточных ответов.
Когда были получены рекомбинантные вирусы LCMV и VSV, у которых белки оболочки взаимно заменили (капсид вируса VSV нес на своей поверхности белок
вируса LCMV и наоборот), и такими вирусами, а также обычными вирусами VSV и LCMV, были иммунизированы мыши дикого типа (нетрансгенные) было показано, что быстрое нарастание нейтрализующего ответа антител зависело от белка оболочки, а не от капсида (ядра) вируса (44). Это продемонстрировало, что низкая иммуногенность нейтрализующего эпитопа вируса LCMV у дикого (нетрансгенного) типа мыши присуща самому белку. Более того, как подчеркивалось выше, было обнаружено, что нейтрализующий эпитоп вируса LCMV является Т независимым В клеточным иммуногеном на мышах, трансгенных по гену иммуноглобулина (45). Это свидетельствует о том, что высоко аффинные В клетки, распознающие этот достаточно хорошо представленный эпитоп, имеют низкую частотность (встречаются редко) у дикого (нетрансгенного) типа мышей. Способность вируса LCMV активно модифицировать (изменять) репертуар В клеток проявляется сразу же, когда небольшое количество
трансгенных В клеток, кодирующих нейтрализующие антитела, переносили в нетрансгенных мышей. При инфекции вирусом LCMV эти клетки исчезали после короткого периода активации и временной дифференциации в коротко живущие, продуцирующие IgM антитела плазматические клетки. Вследствие этого, переключение изотипа и формирование ответа IgG антител памяти в значительной мере нарушалось. (Hangartner L., R. Zellweger, J. Weber, K. Fink, K. McCoy, M. Recher, R.M. Zinkernagel, H. Hengartner неопубл. наблюдения). У дикого типа мышей такое селективное истощение немногих В клеток, несущих высоко аффинные нейтрализующие антитела, через их чрезмерную активацию оставляет для аффинного созревания и переключения изотипа только низко аффинные В клетки или клетки, которые распознают В клеточные эпитопы, не имеющие важного значения.
Аномальная функция Т хелперных клеток была показана Hunziker et al. (75), который продемонстрировал, что Т хелперные
клетки специфичные к вирусу LCMV могли активировать В клетки независимо от их специфичности через еще не известный, но зависимый от родственной (того же что и антиген происхождения) Т клеточной помощи механизм. Вследствие этого мыши, инфицированные вирусом LCMV, нарабатывали огромное количество гамма-глобулинов (гипергаммаглобулинемия) и показывали увеличенные уровни антител против большого разнообразия антигенов (75). Уменьшение ответа Т хелперных клеток приводило к снижению гипергамма-глобулинемии и ускоряло выработку нейтрализующих антител (76). Это, вероятно, происходило из-за того, что В клетки, активированные неспецифическим образом, конкурировали с достаточно редко встречающимися В клетками, несущими нейтрализующие антитела, за факторы, способствующие выживанию В клеток, и за анатомические ниши. Кроме того, описывали, что цитотоксические Т лимфоциты, индуцированные инфекцией вируса LCMV, через иммунопатологическое действие разрушали фолликулярную
макро- и микроархитектуру вторичных лимфоидных органов и устраняли (истощали) антиген представляющие клетки (77, 78). Было показано, что такая иммунопатологическая реакция нарушала иммунный ответ, начиная с 6 дня после инфекции, и, вероятно, еще более задерживала выработку нейтрализующего ответа антител. Такое иммунопатологическое разрушение лимфоидной архитектуры не наблюдали при инфекции вирусом VSV (80).
Как это видно на примере вируса LCMV, индукция широкого спектра нейтрализующих антител против вируса иммунодефицита человека (HIV) требует от нескольких недель до месяцев и, следовательно, происходит значительная задержка в выработке нейтрализующих антител по сравнению с 3-7 днями, требуемыми для цитопатических вирусов. Исследование естественного репертуара антител человека показало, что хотя такие антитела, взаимодействующие с gp120, могут быть выделены, они имеют низкую аффинность, обладают полиреактивными свойствами
и не обладают вирус нейтрализующей активностью (81, 82). Данные выводы указывают на то, что частотность В клеток предшественников, несущих антитела нейтрализующие вирус HIV, в естественном состоянии находится на низком уровне. Активную модификацию репертуара В клеток наблюдали также другие исследователи. Она проявлялась в том, что антитела, несущие сегмент семейства генов (VH3) (3-ий сегмент вариабельного участка тяжелой цепи иммуноглобулина), устранялись или истощались одновременно с увеличением концентрации вируса HIV и уменьшением количества CD4+ Т клеток (83), вероятно, через действие gp120 HIV в качестве суперантигена (84). Если эти выводы применимы ко всем инфицированным вирусом HIV людям, репертуар антител хозяина, вероятно, уменьшается через индуцируемое вирусом HIV истощение В клеток определенной специфичности. Гипергаммаглобулинемию обнаруживали у многих людей, инфицированных вирусом HIV
(или другими персистирующими вирусными инфекциями, например вирусом гепатита В) (85), что указывает на индуцируемую Т хелперными клетками поликлональную активацию В клеток. Однако в противоположность инфекции вирусом LCMV, инфекция вирусом HIV сопровождается физическим и функциональным истощением Т хелперных клеток. Физическое истощение происходит через различные механизмы (71), включая уменьшение их воспроизводства в тимусе (86). Патологические изменения в лимфатических узлах при инфекции вирусом HIV дополнительно вызывают разрушение воспалительных (зародышевых) центров (87). Таким образом, хотя задержка и понижение уровня нейтрализующих антител происходит одинаковым образом для обеих вирусных инфекций (LCMV и HIV), требуются дальнейшие более детальные исследования.
В обобщение можно сказать, что многие склонные к персистенции вирусы, обладающие слабой цитопатогенностью или не обладающие ею, развились (совместно эволюционировали) таким образом,
чтобы уклоняться или вызывать задержку в выработке нейтрализующих В клеточных ответов. Такие ослабленные В клеточные ответы могут иметь место из-за низкой частотности В клеток, несущих нейтрализующие антитела, из-за активного изменения репертуара В клеток, из-за нарушений в нормальном функционировании Т хелперных клеток или из-за иммунопатологических изменений во вторичных лимфоидных органах.

Роль антител с переключенным изотипом. Было показано, что и селезенка и костный мозг имеют ограниченные возможности для накопления в них клеток, секретирующих антитела (88, 89). Однако короткое время жизни IgM антител в сыворотке (2 дня) подразумевает, что требуется большое количество клеток, секретирующих антитела, чтобы поддерживать высокие уровни антител в сыворотке (90). Следовательно, нет ничего удивительного в том, что возникли другие изотипы антител, например IgG антитела, которые имеют более продолжительное время жизни в сыворотке (91). Такие
изотипы позволяют поддерживать уровни антител в сыворотке при участии меньшего количества плазматических клеток, секретирующих антитела. Более того, специализация в эффекторных функциях, возможности их проникновения и распространение или распределение по многим поврежденным культурам может быть обеспечено через различные изотипы антител. Было показано, что зависимое от Т клеток быстрое переключение изотипа антител является существенным фактором для выживания после инфекции вирусом VSV (63, 92), предположительно благодаря улучшенной способности IgG антител к диффузии в места воспаления.
Было показано, что для продолжительного контроля над вирусом LCMV требуется действующая Т хелперная составляющая для того, чтобы предотвратить повторное появление вируса в организме (93). Однако трудно отличать невозможность переключения изотипа антител при отсутствии Т хелперных клеток и необходимость Т клеточной помощи в процессе выработки соматически гипермутированных нейтрализующих антител.

Вопрос об относительной важности различных изотипов IgG антител при вирусных инфекциях является спорным. При вирусной инфекции у мышей чаще всего вырабатываются антитела IgG2a изотипа (94, 95). Это происходит из-за того, что CD4+ Т клетки, активированные вирусной инфекцией, несут главным образом ТН1 фенотип, что проявляется в секреции интерферона-гамма и в отсутствии интерлейкина-4. Такие обстоятельства способствуют переключению ответа антител на IgG2a изотип (96, 97). Некоторые исследования указывают, что антивирусные антитела IgG2a изотипа особенно эффективны в защите против вирусной инфекции (98-101) через действенную активацию комплемента и эффективное связывание таких антител с Fc-гамма рецептором. Например, мыши, лишенные Fc-гамма рецептора, чувствительны к интраназальной инфекции вирусом гриппа (102), в другом случае F(ab`)2 фрагменты IgG2a антител не способны защитить мышей при внутричерепной инфекции
вирусом LCMV, тогда как полные молекулы IgG2a в этих условиях проявляют защитные свойства (98). Однако многие другие исследования не обнаружили особой роли IgG2a изотипа антител в контроле над вирусной инфекцией при сравнении с другими изотипами (11, 103-105). Следовательно, общие выводы об относительной важности различных изотипов IgG антител еще не могут быть сделаны. Однако ясно, что в дополнение к IgM антителам антитела с переключенным изотипом необходимы для контроля над вирусными инфекциями. Важно, что антитела с переключенным изотипом, например секретируемые при лактации IgA антитела, распространяют также материнский иммунитет на иммунонекомпетентный новорожденный организм. Это происходит через Fc рецепторы на слизистых оболочках новорожденного организма.

Продолжительный контроль над вирусной инфекцией и защита против повторной инфекции. Нейтрализующие антитела являются чрезвычайно важными при
защите от повторной вирусной инфекции (106-109). Важно, что защита эффективными вакцинами которые используют в настоящее время, тесно связана с уровнем нейтрализующих антител (110, 111).
Когда оценивали защитную роль уже существующих в сыворотке нейтрализующих антител против повторной инфекции тем же вирусом, обнаружили существенную разницу при сравнении острых цитопатических и слабо цитопатических вирусов. Seiler et al. (107) показали, что для цитопатического вируса VSV требуется большая доза вируса, чтобы произошла индукция цитотоксических Т лимфоцитов в присутствии VSV-нейтрализующих антител. Это указывает на то, что антитела легко опосредуют стерильную защиту. Однако для нецитопатического вируса LCMV уже низкая его концентрация может индуцировать цитотоксические Т лимфоциты в присутствии защитного уровня нейтрализующих антител. Такой результат показывает, по крайней мере для этих двух примеров, что нейтрализующие антитела могут легко обеспечивать стерильную
защиту против повторной инфекции цитопатическим вирусом и не обеспечивают такой защиты против слабо цитопатических вирусов. Такой вывод нашел с свое подтверждение в исследовании на модели инфекции макак смешанным вирусом иммунодефицита обезьян и человека (SHIV), который мы рассматриваем в качестве слабо цитопатического. В данном опыте пассивная передача антител приводила к стерильной защите только в том случае, если высокие уровни антител вносили вместе с низкой дозой вируса или периферическим введением вируса (112, 113).
Причины этих различий для цитопатических и нецитопатических вирусов остаются непонятными, однако можно предположить, что скорости ассоциации и диссоциации антигена и антитела друг с другом (on rate и off rate) для слабо цитопатических вирусов являются таковыми, что кратковременное неполное занятие антителами ключевых антигенов на поверхности вируса не препятствует инфицированию клеток, хотя оно (инфицирование) и может происходить менее эффективно. В другом случае может
играть свою роль инфицирование через Fc-гамма рецептор или рецепторы комплемента.
Нецитопатический и склонный к персистенции вирус гепатита В (HBV) является исключением в этом отношении. Вирус HBV индуцирует ответ антител типичный для слабо цитопатических вирусов в том отношении, что происходит задержка в выработке нейтрализующих антител (114-116). Однако даже такая задержка в выработке нейтрализующих антител при вакцинации против поверхностных антигенов вируса HBV обеспечивает прекрасную защиту против этого генетически и антигенно стабильного ДНК-содержащего вируса, хотя при этом остается 10% вакцинированных людей, которые не отвечают на введение вакцины. Рассматривая все вместе можно сказать, что разработка стерилизирующей вакцины против большинства слабо цитопатических вирусов представляет собой трудную задачу, хотя вакцинация может привести к ослаблению инфекции и задержке в проявлениях заболевания (117).

Соматическая гипермутация при антивирусных ответах антител. Иммунизация гаптенами показала, что соматическая гипермутация (СГМ) улучшает авидность и аффинность ответа антител на 1-2 порядка (118, 119). Было также показано, что СГМ увеличивает аффинность отдельного вариабельного участка тяжелой цепи иммуноглобулина (VH), хотя никакой связи между временем, прошедшим после иммунизации, и авидностью специфических антител не было найдено в этом исследовании (120).
Мы полагаем, что СГМ, вероятно, не играет главную роль в защите против инфекции многими цитопатическими вирусами. В поддержку такой идеи говорит сравнение моноклональных антител, которые были получены на ранней и поздней стадии инфекции вирусами VSV или гриппа. Это подтвердили также исследования на мышах, которые лишены фермента деаминазы, способствующего активации СГМ. Отсутствие этого фермента ведет к невозможности СГМ. У таких мышей также не происходит
переключение изотипа антител, что может привести к неоднозначности в толковании результатов (10, 106, 121). Было показано, что скорость ассоциации нейтрализующих антител с антигеном (on rate) коррелирует с их нейтрализующей способностью in vitro. Однако in vivo ранний ответ антител на гликопротеин вируса VSV обладает высокой аффинностью (108-1010 М-1) и никакого увеличения аффинности с течением времени или при гипериммунизации не наблюдают (10). Более того, было показано, что для защиты против летальной инфекции вирусом VSV необходимо, чтобы аффинность антител превышала 5х107 М-1, а концентрация антител находилась в пределах от 0.3 до 7мкг/мл, при этом никакой корреляции между аффинностью антител и их минимальной защитной концентрацией в сыворотке найдено не было (11). Эти данные указывают, что аффинность зародышевых (изначальных) вариабельных участков иммуноглобулинов достаточна для защиты хозяина и она, вероятно,
связана с необходимостью (для хозяина) бороться с такими сильно цитопатическими вирусами за короткий промежуток времени. Следовательно, хотя СГМ происходит при инфекции вирусом VSV, однако такое улучшение аффинности не является биологически важным при защите in vivo, поскольку изначальные последовательности (вариабельных цепей иммуноглобулинов) сами по себе могут обеспечивать достаточную защиту. Эти выводы еще более поддерживает наблюдение, что семейства вариабельных участков легких и тяжелых цепей (VH-VL-family combinations) иммуноглобулинов, которые определяют ранний ответ против вируса VSV, чаще всего замещаются другими семействами вариабельных участков, которые взаимодействуют с немного отличающимися эпитопами при их сравнении с ранними антителами (121). Подобные явления наблюдали при инфекции вирусом гриппа и показали, что тонкая настройка в распознавании эпитопа является важным механизмом созревания ответа антител.

Напротив, СГМ может играть главную роль в выработке нейтрализующих ответов антител против других вирусов, в частности против склонных к персистенции слабо цитопатических вирусов. Как это подчеркивалось выше, оказывается, что В клетки, которые кодируют нейтрализующие антитела специфичные к таким вирусам, встречаются редко. Следовательно, мы полагаем, что значительное аффинное созревание через СГМ необходимо для того, чтобы такие антитела приобрели эффективную нейтрализующую способность (Рис. 4). Такие выводы поддерживает анализ специфичных к gp120 антител, отобранных от инфицированных вирусом HIV людей, у которых в течение длительного времени (более 12 лет) не наблюдали клинического развития заболевания, несмотря на отсутствие какой-либо терапии (LTNP, long-term non-progressor). Анализ показал, что все нейтрализующие антитела с переключенным изотипом оказались клонально родственными и несли значительные
соматические гипермутации (СГМ) (49). При сравнении с немутированным и полиреактивным клоном-предшественником было показано, что СГМ приводила к более чем 100-кратному усилению нейтрализующей активности in vitro и полному отсутствию полиреактивных свойств (49, 123). Следовательно, антитела с нейтрализующей способностью против вируса HIV встречаются редко у естественного репертуара (в естественном состоянии), но им необходимо пройти через процесс СГМ.
В заключение, оказывается, что требующий времени процесс СГМ имеет ограниченное значение для улучшения уже существующего эффективного нейтрализующего ответа антител против многих острых цитопатических вирусов. Напротив, и особенно для склонных к персистенции слабо цитопатических вирусов, в случае с которыми имеющийся в наличии репертуар В клеток может не обеспечивать достаточную аффинность в ранние сроки после инфекции, соматическая гипермутация (СГМ) является ключевым механизмом перехода от низко аффинного и полиреактивного
репертуара В клеток к выработке высоко аффинного нейтрализующего ответа антител.

Уклонение вируса от нейтрализующего ответа антител

Уклонение вируса от нейтрализующего ответа антител в популяции хозяина. Вирусы, вызывающие острые летальные инфекции, неспособны избежать или уклониться от нейтрализующего ответа антител или других эффекторных механизмов иммунной системы, иначе биологический вид хозяина и сам вирус прекратят свое существование. Вследствие этого такие вирусы за короткое время берутся иммунной системой под контроль, и таким вирусам необходимо быстро передать инфекцию неиммунному хозяину (стратегия ударить и убежать). Поскольку количество чувствительных неиммунных хозяев в популяции уменьшается при каждой передаче, острые цитопатические вирусы должны выработать способ как избежать или уклониться от уже существующего в популяции иммунитета (популяционного иммунитета). Они обычно достигают этой цели
через временное (чередующееся) инфицирование других видов хозяев или через расширение спектра своих антигенных и протективных детерминант в немногих близко родственных участках. При этом вирусы образуют так называемые серотипы или подтипы. Хотя различные серотипы имеют много общих детерминант, нейтрализующие эпитопы у них не являются одинаковыми.
Например, вирус VSV существует в виде нескольких серотипов, включающих в себя серотип Индиана (IND) и Нью Джерси (NJ). Мыши, праймированные вирусом VSV-NJ и зараженные вирусом VSV-IND (и наоборот) вырабатывают антитела, обнаруживаемые в ELISA, которые показывают кинетику вторичного иммунного ответа, что указывает на присутствие общих эпитопов Т хелперных клеток, а также В клеточных эпитопов. Однако, несмотря на наличие общих Т клеточных эпитопов, индукция нейтрализующих антител против вируса, который использовали для заражения, следует кинетике первичного иммунного ответа
на гетерологичный серотип вируса (28). Эти данные подтверждают эпидемиологические наблюдения в случае инфекции вирусом полиомиелита или гриппа (124) и указывают на то, что серотип специфический иммунный ответ не сообщает перекрестной защиты. Обобщая эти данные можно сказать, что частотность В клеток, могущих продуцировать нейтрализующие антитела, а не частотность специфических Т хелперных клеток, является лимитирующим фактором при выработке нейтрализующих ответов антител против вируса VSV (28).
Вирус VSV и полиовирус имеют стабильные серотипы. Напротив вирус гриппа типа А динамически изменяется для того, чтобы уклониться от действия популяционного иммунитета. Через постоянную мутацию своих поверхностных белков (антигенный дрейф) или полную их замену через реассортацию соответствующих генов (антигенный сдвиг) вирус гриппа типа А усовершенствовал свою способность в уклонении от действия популяционного иммунитета (124). Антигенный сдвиг значительно увеличивает случаи заболевания
вирусом гриппа (развитие пандемии) и уровень смертности. Это указывает на значительную связь таких изменений в вирусе гриппа серотипа А с тяжестью протекания заболевания в популяции хозяина. Варианты вируса, возникшие вследствие дрейфа, несут в себе эволюционно направленную обратную перекрестную реактивность. Она проявляется в том, что нейтрализующие антитела уже существующие в сыворотке не защищают против новых, полученных вследствие дрейфа вариантов вируса, но новые варианты вируса способны усиливать ответ антител памяти на прежний (предшествующий, первоначальный) вирус, которым праймировали хозяина. Это явление называют первоначальный антигенный грех (original antigenic sin) (125).

Уклонение вируса от ответа антител в организме хозяина. Склонность некоторых вирусов к персистенции позволяет таким вирусам уменьшать количество циклов передачи, которые необходимы для их выживания. Это подразумевает, что они должны избежать
полного контроля над собой со стороны иммунного ответа хозяина. Такие вирусы выработали способы уклонения от гуморального ответа внутри организма хозяина. Этого можно достичь через мутацию вируснейтрализующих детерминант и уклонение от нейтрализующего ответа антител в процессе вирусной инфекции. Вирусы HIV, LCMV и некоторые бактерии преуспели в этой области. Сыворотки пациентов инфицированных вирусом HIV часто неспособны нейтрализовать вирус, который время от времени выделяли из их собственного организма. Хотя та же самая сыворотка нейтрализовала вирус, который выделяли в период от 6 до 12 месяцев ранее, или вирус, выделенный от другого человека. Это показывает, что более тонкая настройка иммунного ответа ведет к постоянному отбору внутри организма отдельного хозяина новых вариантов вируса, уклоняющихся от иммунного ответа (34, 35).
В случае вируса LCMV при уклонении от нейтрализации происходят аминокилотные замены в трех областях вирусного
гликопротеина (126-128). У мышей дикого типа (обычных линейных, нетрансгенных), лишенных цитотоксических Т лимфоцитов (CTL-deficient mice), нейтрализующие антитела первоначально способны контролировать виремию. Однако через 70-90 дней возникают варианты вируса LCMV, которые уклонились от эндогенного нейтрализующего ответа антител и установили персистентную виремию (126). Сыворотка таких мышей содержит высокие уровни нейтрализующих антител, направленных против иммунизировавшего первоначального вируса, но не против отдельных уклонившихся вариантов (126, 127). Эти наблюдения показывают, что в процессе опосредуемого соматической гипермутацией (СГМ) образования высоко аффинных нейтрализующих антител существует тонкое равновесие между контролем над вирусом и его уклонением. Поскольку ингибирование репликации вируса через ответ цитотоксических Т лимфоцитов или введение лекарственных средств предотвращает или задерживает возникновение вариантов вируса, уклоняющихся
от ответа, можно прийти к заключению, что необходим некоторый уровень возвратного накопления (turn over) вируса, чтобы мог произойти отбор уклоняющихся вариантов. В одном интересном исследовании показали, что низкий уровень нейтрализующей активности (нейтрализующих антител в сыворотке) нейтрализует дикий и мутантный вирусы LCMV in vitro. Но такой низкий уровень активности не достаточен и не эффективен при контроле за виремией in vivo (127).
Обощая можно сказать, что вирусы (такие как вирус гриппа) уклоняются от иммунного ответа в популяции через антигенный дрейф, а вирусы LCMV и HIV используют подобные механизмы антигенной вариации, чтобы ускользнуть от иммунного ответа в каждом отдельном организме хозяина. Вследствие этого оказывается, что небольшое разнообразие вируса, первоначально попавшего в организм, превращается в многочисленные квази-виды под действием иммунного ответа (воздействия) в организме каждого отдельного хозяина (127, 130).

Соматическая гипермутация и контроль за уклонением вируса. Возможность того, что СГМ может предотвратить возникновение вариантов, уклоняющихся от ответа антител, не была подтверждена в экспериментах с вирусами VSV и LCMV. Вариант вируса VSV-IND, устойчивый к нейтрализации имеющим зародышевую (изначальную, не прошедшую СГМ) конфигурацию нейтрализующим моноклональным антителом (но чувствительный к нейтрализации поликлональной сывороткой), является также устойчивым к нейтрализации всеми гипермутированными моноклональными антителами того же самого семейства вариабельных VH-VL цепей иммуноглобулинов. Напротив, антитела, кодируемые другими VH-VL семействами, легко нейтрализовали этот самый уклонившийся вариант. Это указывает, что именно отбор различных первоначальных клонов, а не соматическая гипермутация существующих клонов, необходим для контроля за возникновением мутантов
уклоняющихся от ответов при рассмотрении данной модели (121). Подобным же образом, трансгенные мыши, которые несут ген тяжелой цепи моноклонального антитела KL25, нейтрализующего вирус LCMV, неспособны вырабатывать нейтрализующие антитела на вариант вируса LCMV, уклонившийся от нейтрализации моноклональным антителом KL25, несмотря на способность этих мышей использовать СГМ и различные легкие цепи. У таких (трансгенных) мышей при их инфицировании уклонившимся вариантом обнаруживают достаточные уровни нейтрализующих антител против немутированного вируса-предшественника. Это указывает на то, что варианты вируса, уклонившиеся от нейтрализации, способны активировать трансгенные В клетки. Когда нейтрализующие антитела вырабатываются на уклонившийся от нейтрализации вирус при инфицировании этим вирусом, то такие антитела находятся на низком уровне и их не обнаруживают до 28 дня (L. Hangartner, R. Zellweger, M. Giobbi, J. Weber,
B. Eschli, K. McCoy, N. Harris, M. Rechner, R.M. Zinkernagel, H. Hengartner
неопубл.).
Рассматривая все вместе, данные наблюдения указывают, что процесс соматической гипермутации (СГМ) является слишком медленным, чтобы обеспечить появление специфичностей антител, способных нейтрализовать или контролировать вирусы, поскольку новые варианты, уклоняющиеся от ответа, обычно возникают гораздо быстрее.

Заключение

Мы обсуждали эффекторные механизмы действия антител на различных стадиях вирусной инфекции. Во-первых, естественные антитела ограничивают распространение вируса в самом начале инфекции и доставляют вирусный антиген во вторичные лимфоидные органы. Данный процесс является жизненно важным для зарождения (праймирования) адаптивного иммунного ответа. Во-вторых, быстрая индукция нейтрализующих антител представляет собой важнейший механизм выживания при инфекции острыми цитопатическими вирусами. Такой механизм является менее важным при контроле за острыми вирусными
инфекциями, имеющими место в ранний период после рождения, или за инфекциями у взрослых людей, вызываемыми слабо цитопатическими вирусами, которые могут находиться под контролем цитотоксических Т лимфоцитов. В действительности, склонные к персистенции и обычно слабо цитопатические вирусы могут активно вмешиваться в процесс выработки нейтрализующего ответа антител, способствуя тем самым своей персистенции. В-третьих, в то время как острые цитопатические и летальные вирусы контролируются главным образом антителами, находящимися в своем изначальном (немутированном, зародышевом) состоянии, оказывается, что соматическая гипермутация играет важную роль в контроле над персистирующими слабо цитопатическими вирусами. Наконец, переключение изотипа антител с IgM на IgG имеет огромное значение для поддержания высокого защитного уровня антител, что необходимо для продолжительного контроля за вирусами и передачи защиты иммунонекомпетентному потомству.

Большинство успешных вакцин, имеющихся в распоряжении в настоящее время, защищает против острых цитопатических вирусных инфекций, например, против большинства классических острых детских заболеваний. Защита во многом зависит от достаточного уровня антител, которые поддерживаются в течение всей жизни или, по крайней мере, до рождения следующего поколения. Данная цель лучше всего достигается через использование живых аттенуированных вакцинных штаммов, или через стимулирование иммунной системы источниками антигена внутри организма хозяина (например иммунные комплексы на фолликуляпных дендритных клетках), или через усиление (boosting) иммунного ответа регулярным применением инактивированных вакцин. Напротив, и с интересным исключением, которое представляет собой ДНК-содержащий вирус гепатита В, очень трудно разрабатыать вакцины против вирусов, склонных к персистенции (таких как HIV или HCV), или вирусов, обладающих чередующимися цитопатическими свойствами (например герпесвирусы).

Данные, суммированные в этой статье, указывают, что будет трудно разработать вакцины, которые могли бы обеспечивать стерильную защиту против слабо цитопатических вирусов, из-за низкой частотности специфических В клеток в их изначальном (доиммунном) репертуаре (В клеток хозяина) и из-за высокой способности таких вирусов изменять свои нейтрализующие детерминанты. Мы также полагаем, что процесс индукции нейтрализующих антител появился для обеспечения защиты иммунонекомпетентного молодого организма против потенциально летальных острых вирусных инфекций, но не против хронических инфекций, имеющих склонность к персистенции. Тем не менее, вакцины, которые не обеспечивают стерильной защиты, могут принести большую пользу в том, что их применение будет ограничивать первоначальную виремию и таким образом задерживать проявление заболевания и смягчать его последствия.

Вирус везикулярного стоматита и лимфоцитарного хореоменингита

Хотя цитопатический вирус везикулярного стоматита и нецитопатический вирус лимфоцитарного хореоменингита представляют собой два крайних случая в общем спектре взаимодействия вируса и хозяина, мы используем их здесь в качестве полярной модели при обсуждении общих аспектов защитного иммунного ответа. Вирус LCMV представляет собой нецитопатический или слабо цитопатический аренавирус, для которого мышь является естественным хозяином. Вирус LCMV передается от матери, являющейся вирусоносителем, потомству во время беременности, что отображает практически оптимальную адаптацию вируса к хозяину (2). Напротив, вирус VSV представляет собой остро цитопатический рабдовирус близко родственный вирусу бешенства. Его естественным хозяином является крупный рогатый скот, инфицирование которого ведет
к везикулярному стоматиту, а в редких случаях к нейрологическим симптомам. На экспериментальной мышиной модели вирус VSV проявляет исключительно нейротропные свойства и вызывает паралитическое заболевание через 5-8 дней после инфицирования, достигая центральной нервной системы и вызывая смерть. На вирусы VSV и LCMV вырабатываются два (сильно) различающихся вида иммунного ответа у мышей (см. рисунок). В то время как передающийся внутриутробно вирус LCMV персистирует в организме хозяина без праймирования иммунного ответа, при инфицировании вирусом взрослой мыши вырабатываются ответы цитотоксических Т лимфоцитов, которые обычно снижают концентрацию вируса до уровня, когда его уже невозможно (трудно) обнаружить (131, 132). Однако даже при таком тщательном контроле вирус LCMV трудно полностью вывести из организма (126). Нейтрализующие ответы антител обычно не имеют большого значения при острой фазе инфекции (64, 133).
Однако при отсутствии ответов цитотоксических Т лимфоцитов (или при слабом ответе) нейтрализующие антитела можно обнаружить в более ранние сроки, на 25-30 дни (см. 32) и они могут эффективно подавлять виремию, хотя только лишь на определенное время (interminttently) (136).
Напротив, высоко цитопатический вирус VSV плохо реплицируется в организме мышей, за исключением клеток нервной системы, и быстро подавляется сильным, ранним, первоначально независимым от Т клеток нейтрализующим ответом IgM антител, который переключается на Т зависимый ответ IgG антител через 4-6 дней (137). Хотя вирус VSV способен индуцировать вирус специфический ответ цитотоксических Т лимфоцитов, такие ответы не являются ни необходимыми, ни достаточными для контроля над инфекцией. В действительности, мыши, у которых отсутствуют цитотоксические Т лимфоциты, контролируют вирус VSV настолько же эффективно, как и полностью компетентные в ответах цитотоксических Т
лимфоцитов мыши (138)

ELISA – иммуноферментный анализ.
Таблица 1
Сравнение различных методов анализа антивирусных антител

  Иммуноферментный анализ (ELISA) Реакция нейтрализации Защита на животных
Основной протокол Образцы для исследования добавляют к вирусному антигену, иммобилизованному на поверхности планшета. Связавшиеся антитела обнаруживают по окрашиванию. Реакцию количественно оценивают по интенсивности окрашивания Инфицирование культур клеток определенной дозой вируса, которую до этого инкубировали в присутствии последовательно разведенных антител. Уровень нейтрализующих антител определяют по такому их разведению, добавление которого уменьшает инфекционность вируса на 50% или более При заражении активно или пассивно вакцинированных животных определяют титры вируса в крови или в различных органах и сравнивают с контрольными животными, у которых отcутcтвуют нейтрализующие антитела. Защита считается стерильной, если вся доза вируса немедленно нейтрализуется (делается инертной) и не наблюдают никакой репликации вируса при отборе проб в любое время после инфицирования *
Метод in vitro или in vivo
in vitro in vitro in vivo
Антиген, используемый для обнаружения Очищенные вирусные белки, лизаты клеток или пептиды, адсорбированные на планшет Суспензия инфекционного вируса Суспензия инфекционного вируса
Конформация антигена Главным образом денатурированные из-за их связывания с пластиком антигены Нативные белки, естественным образом ориентирован-ные, олигомеризованные, находящиеся на поверхности вируса Нативные белки, естественным образом ориентированные, олигомеризованные, находящиеся на поверхности вируса
Специфическая олигомеризация Низкая Высокая Высокая
Ориентация антигена Антиген ориентирован случайным образом, или строго фиксирован, или захвачен молекулой антитела Естественная Естественная
Доступность эпитопов Эпитопы, которые обычно спрятаны или отсутствуют, становятся доступными для связывания с антителами. Антитела, которые улавливают антиген на планшете, могут покрывать (делать недоступными) естественные эпитопы Естественная Естественная
Измеряемые взаимодействия Биофизическое связывание Взаимодействия антигена и антитела, имеющие биологическое значение Взаимодействия антигена и антитела, имеющие биологическое значение
Получаемая информация Суммарное связывание всех антител, относительная концентрация, специфичность, авидность, распределение изотипов антител Относительная концентрация антител, обладающих антивирусной активностью. Либо общая активность таких антител или активность антител с переключенным изотипом Защитная (протективная) способность антител
Пригодность для анализа большого количества проб ++++ + -
Время, необходимое для проведения анализа ++ ++++ ++++
Взаимосвязь, между полученной информацией и защитой от заражения Достаточно хорошая корреляция в случае цитопатических
вирусов. Никакой взаимосвязи в случае нецитопатических вирусов
Хорошая корреляция между уровнями антител и защитой от заражения Прямая оценка уровня защиты. Защиту считают стерильной, если нет никаких свидетельств инфицирования клеток хозяина при заражении


* Если нет в распоряжении лабораторной модели инфекции, защиту in vivo оценивают статистически по взаимосвязи между уровнем антител и частотой проявления заболевания или тяжести протекания инфекции на большой группе людей.

Факторы, влияющие на иммуногенность вирусных частиц
Важность естественных антител

Естественные антитела обеспечивают важную связь при переходе от врожденного к приобретенному иммунному ответу. До того, как происходит зарождение (активация) приобретенного иммунного ответа, естественные антитела ограничивают распространение вируса через его прямую нейтрализацию, активацию комплемента и разрушение вируса в маргинальной/синусоидальной зоне вторичных лимфоидных органов. Более того, естественные антитела в значительной мере способствуют зарождению (праймированию) приобретенного иммунного ответа через доставку антигена во вторичные лимфоидные органы.

Механизмы вмешательства вируса в процесс выработки нейтрализующих ответов антител

Факторы, влияющие на эффективность выработки нейтрализующих ответов антител против слабо цитопатических вирусов можно сгруппировать по двум видам. Факторы, способствующие уклонению вируса от распознавания В клетками и факторы, которые вмешиваются во взаимодействие между Т клетками и В клетками. Уклонение от раннего распознавания вируса В клетками может происходить из-за того, что вирус представляет иммунной системе нейтрализующие эпитопы, для которых в зародышевом (изначальном) состоянии имеется очень немного и, предположительно низкой аффинности, комбинаций вариабельных участков легких и тяжелых цепей иммуноглобулинов (VL-VH combinations). Более того, показано, что слабо цитопатические вирусы изменяют репертуар (широту специфичности) через истощение либо специфических, или всех (специфических и неспецифических) В клеток. Многие слабо цитопатические вирусы могут также вмешиваться во взаимодействие В клеток и Т хелперных клеток. Это достигается изменением функциональных свойств (dysregulation) Т хелперных клеток, что ведет к поликлональной активации В клеток и гипергаммаглобулинемии. Такие неспецифические В клетки конкурируют со специфическими В клетками за факторы выживания и ниши (место в биологическом процессе, способствующее дальнейшему развитию процесса). Вирус иммунодефицита человека также действует на Т хелперную составляющую через истощение Т хелперных клеток или приведение их в нефункциональное состояние. Иммунопатологическое разрушение архитектуры (строения) лимфоидных органов часто наблюдают при инфекции слабо цитопатическими вирусами и это также может привести к нарушениям во взаимодействии В клеток и Т хелперных клеток.

Различия, наблюдаемые при гуморальном ответе против цитопатических и нецитопатических вирусов

Для многих цитопатических вирусов авидность зародышевых (изначальных, до гипермутации) антител достаточно высокая, чтобы они могли обладать вируснейтрализующей способностью, а авидность увеличивается лишь незначительно при иммунном ответе. Напротив, оказывается, что изначальный (до гипермутации) репертуар антител против нейтрализующих детерминант большинства слабо цитопатических вирусов недостаточный (низкой частотности) и/или имеет низкую аффинность. Этот факт может отражать продолжительную совместную эволюцию, ведущую к отбору нейтрализующих детерминант с низкой афинностью (к имеющемуся в распоряжении репертуару) и к активному истощению потенциально высоко аффинных В клеток в самом начале инфекционного процесса. Для достижения такого состояния аффинности антител (порога аффинности), когда антитела становятся способными нейтрализовать вирус, требуется продолжительное аффинное созревание (11). При инфекции слабо цитопатическими вирусами происходит значительная активация неспецифических В клеток, что ведет к гипергаммаглобулинемии. Вместе с разрушением структуры (архитектуры) лимфоидных органов, гипергаммаглобулинемия может замедлить процесс аффинного созревания антител, взаимодействующих с детерминантами на поверхности вируса, и еще более задержать выработку нейтрализующего ответа антител. При инфекции цитопатическими вирусами наиболее часто встречающиеся среди изначальных (зародышевых) семейств нейтрализующие В клетки доминируют в первичном иммунном ответе. На более поздней стадии инфекции в процесс вовлекаются также и В клетки других семейств, имеющие большую нейтрализующую способность in vitro при сравнимой авидности. Напротив, слабо цитопатические вирусы, вероятно, устраняют способные к нейтрализации В клетки через их чрезмерную активацию и тем самым уменьшают широту специфичности (репертуар) В клеток на ранней стадии инфекции. Оставшиеся низко авидные В клетки затем начинают проходить через процесс аффинного созревания, который прерывается около 12 дня с начала инфекции. Это период, когда развивается гипергаммаглобулинемия, а разрушение лимфоидной архитектуры достигает максимума. После происшедшего вмешательства процесс аффинного созревания продолжается до тех пор, пока в конечном итоге появляются В клетки, несущие нейтрализующие антитела.


Автор(ы): Hangartner L, Zinkernagel R.M, Hengartner H.
Переводчик: Луговской А.А.

Литература: 
  1. Nature Reviews in Immunology (2006), Vol. 6, P. 231-243
  2. Список ссылок (ссылка открывается в новом окне)
Прикрепленный файлРазмер
articleList.txt26.83 кб

Иммунология, которой нас обучают вирусы

Иммунология, которой нас обучают вирусы

Выживание вирусов зависит от выживания чувствительных к ним хозяев. Иммунная система позвоночных и вирусы выработали, следовательно, взаимно комплементарные
грани. Взаимоотношения между вирусом и хозяином, находящимися в равновесии друг с другом, показывают, что понятия иммунологической специфичности и памяти, лучше всего определять в биологических терминах и, что зрелая иммунная система не различает между «своим» и «чужеродным». Скорее В-клетки распознают «шаблон» антигена, в то время, как Т-клеточные ответы зависят от локализации, путей распространения и скорости накопления антигена внутри лимфатических органов.

Исторически иммунология развивалась из исследований по патогенезу и предотвращению инфекционных заболеваний (1). Необходимость в очищенных антигенах, которые до недавнего времени не были доступны непосредственно из инфекционных агентов, приводила к использованию в иммунологии модельных антигенов. Ответы на модельные антигены: белки, гаптены и синтетические олигопептиды, являлись инструментами при выявлении многих основополагающих правил (законов) в развитии иммунного ответа (2, 3); однако,
обобщения на основе таких результатов, могут оказаться не совсем верными, поскольку такие ответы не являются важными для выживания хозяев. Понятия специфичности, памяти и толерантности, ключевые параметры иммунного ответа, теперь могут быть пересмотрены вновь, уже для инфекционных агентов, благодаря громадному методическому прогрессу в биохимии, молекулярной биологии, эмбриологии и физиологии животных. Эти параметры обобщаются здесь для того, чтобы прийти к общей концепции иммунобиологии, которая отражает коэволюционное равновесие, достигнутое между иммунной системой и вирусами с целью обеспечения выживания обоих, и вируса, и хозяина (4-10). Представлены три основных сценария: (1) иммунитет доминирует над цитопатическими вирусами, (2) нецитопатические вирусы доминируют над иммунной системой, (3) оба сценария тонко сбалансированы во время острой или хронической инфекции (5, 11-15, рис. 1). На природу взаимодействия влияют параметры вируса, такие как цитопатогенность, скорость
накопления, тропизм к клеткам и тканям, чувствительность к другим механизмам устойчивости (например, к интерферонам) и наличие хозяев. А также переменные самой иммунной системы, включающие специфичность, скорость развития и продолжительность гуморального и клеточного иммунного ответа (1, 4-10) вместе с неспецифическими эффекторными механизмами, такими как комплемент, гормоноподобные факторы (интерлейкины) и фагоциты.

Специфический гуморальный иммунитет опосредуется антителами, которые продуцируются плазматическими клетками и поступают в кровь. Плазматические клетки, в свою очередь, происходят из В клеток (предшественников) (1, 9,12-16). Такие антитела распознают конформационные детерминанты в белках, углеводах, многомерных (particulate) антигенах (таких как вирусы и бактерии), на слизистых оболочках и в крови. Однако, за исключением мест повреждений, антитела не могут проникать в плотные культуры. Клеточный иммунитет опосредуется Т клетками, дифференцирующимися
в тимусе и несущими Т клеточные рецепторы, специфичные к небольшим пептидам, которые представлены молекулами главного комплекса гистосовместимости (МНС) (17, 18). Пептиды, выделяющиеся из внутренних белков, компонентов самой клетки или инфицированной вирусом клетки, представляются, как правило, комплексами МНС 1 класса. Они распознаются CD8+ Т клетками, способными разрушать клетки с помощью цитотоксического эффекта или высвобождением цитокинов (возможны оба механизма, действующие одновременно). Пептиды, выделяющиеся из белков, подвергнутых фагоцитозу, и которые находятся в организме хозяина или происходят из инфекционного агента, расщепляются и представляются молекулами МНС 2 класса. Такие пептиды распознаются высвобождающими цитокин CD4+ Т хелперными клетками, которые обычно не являются литическими. Благодаря распознаванию, зависящему от молекул МНС, Т клетки наблюдают за изменениями в состоянии клеток организма. Такие их характеристики, вместе со способностью к постоянной рециркуляции,
а после их активации к переселению в периферические органы, делает Т клетки хорошо подготовленными для наблюдения за целостностью клеток в твердых тканях. Специфическое распознавание антигена антителами и Т клетками обычно инициирует мощные неспецифические эффекторные механизмы, которые контролируют и устраняют инфекционные агенты с помощью активации комплемента, привлечения клеток, отвечающих за воспалительные процессы, фагоцитоза, разрушения клеток или вмешательства в функциональную деятельность клетки (1).

Важные эффекторные механизмы для восстановления после первичной инфекции, устойчивости против повторной инфекции или защиты физиологически иммуно-дефицитного потомства, обобщены в Таблице 1. Распространение цитопатических вирусов наиболее эффективно останавливается с помощью растворимых диффундирующих антивирусных интерлейкинов (19), препятствующих репликации вируса. Это сообщает окружающим клеткам способность противостать как репликации вируса, так и прямому повреждению клеток, который приносит
вирус. Распространение нецитопатических вирусов останавливается с помощью CD8+ цитотоксических Т клеток (CTLs), которые разрушают инфицированные клетки хозяина до того, как вирус успевает произвести потомство (вторичные вирусные частицы). Такой механизм также высвобождает вирусные антигены, которые индуцируют Т хелперный и антительный ответы. Из-за того, что протективный цитотоксический Т клеточный ответ вызывает повреждения в инфицированных клетках хозяина, равновесие между скоростью распространения вируса и кинетикой Т клеточного ответа будет предопределять либо иммунную защиту, то есть выведение вируса из организма, или иммунопатологию. Нейтрализующие антитела очень эффективны при предотвращении повторной инфекции и против гематогенного (через кровь) распространения вируса (16).


Специфичность

Специфичность к антигену определяется силой взаимодействия между антителами и трехмерной структурой белка или углевода (11-15, 20, 21), а также между Т клеточными рецепторами и
комплексами пептида с молекулами МНС (22). Хотя эти параметры возможно измерить in vitro, часто неясно, как можно их связать с защитой против инфекционных агентов или токсинов in vivo. Следовательно, специфичность лучше всего определяется по действию, то есть по способности антител или Т клеток распознавать различные структуры – пептиды или важные антигены инфекционных агентов, например, различные серотипы вируса, не обладающие способностью вызывать перекрестное взаимодействие антител – имеющие значение для выживания хозяина. Определение термина специфичность зависит от метода ее измерения. Нейтрализующая активность in vitro против вируса обычно хорошо соотносится с протективной способностью in vivo и зависит от аффинности (авидности) антител в пределах от 108 до 1010 л/моль (11-15, 20). Напротив, методы, в которых исследуют связывание антител с антигеном, могут обнаруживать аффинности более низкого значения (вплоть до 106 л/моль), а соответствующие корреляции менее значимы. Протективную специфичность
Т клеток на основе анализа in vitro определить еще труднее, поскольку аффинность при таком взаимодействии не может быть измерена простым и доступным способом (17, 22). Тем не менее, исследования предполагают, что функциональные характеристики Т клеток in vivo измеряются значительно точнее по сравнению со многими методами in vitro, такими как включение Н3-тимидина в качестве меры Т клеточной пролиферации, или высвобождение интерлейкинов в супернатанты культуры клеток (23). Таким образом, можно говорить о том, что иммунобиологическую специфичность лучше всего оценивать непосредственно in vivo. Для антител – по присутствию или отсутствию перекрестной защиты (11-15), для перекрестно реагирующих или специфических хелперных CD4+ Т клеток – по способности к переключению ответа антител с IgM на IgG или по активации макрофагов (1) и для CD8+ (CTLs) цитотокических Т лимфоцитов – по уменьшению титров вируса и защите от иммунопатологического повреждения клеток твердых
тканей и органов хозяина (24, 25). Однако, точная природа протективного ответа или ключевого параметра такого ответа часто неизвестна. Например, там, где происходит цитолиз Т клетками, выделяется интерлейкин и вырабатываются антитела, какой механизм является самым важным? При выработке антител, что является самым существенным, аффинность антитела (связывание одного антитела с одним антигенным сайтом), авидность антитела (объединенная связующая сила взаимно переплетенных сайтов антигена и антител) или концентрация антител в сыворотке, культуре? Какова роль соматических мутаций в молекуле антитела и их влияние на иммунную защиту?

Зародышевые антитела и аффинное созревание. Цитопатические вирусы не должны быть слишком успешны в уничтожении своих хозяев, иначе они подвергают опасности свое собственное выживание. Благодаря такой совместной эволюции остается открытым вопрос, развивались ли гены зародышевых антител таким образом, чтобы охватить имеющиеся в наличии специфичности, или цитопатические
инфекционные агенты благодаря их большому количеству и мутациям адаптировались к огромному иммунологическому разнообразию. Одним механизмом, посредством которого ответ антител хозяина адаптируется к инфекционным агентам, может быть аффинное созревание антител. Данный процесс имеет место при отборе соматических точечных мутаций, в большинстве случаев происходящих в области связывания специфических рецепторов IgG В клеток. Показано, что такой процесс ведет к общему увеличению аффинности/авидности IgG к гаптенам с течением времени (3-10).

В аффинном созревании нейтрализующих антител к цитопатическим вирусам, возможно, нет необходимости (поскольку хозяин слишком быстро бы умер; требуется 4-6 дней для аффинного созревания антител) или аффинное созревание должно происходить очень рано (15, 20, 21). В противоположность этому, медленное аффинное созревание антител к нецитопатическим вирусам может привести к более широкому его распространению (внутри организма хозяина)
и более продолжительной передаче вируса (во внешнюю среду). Предполагается, что аффинное созревание является более экономичным механизмом, обеспечивающим установление иммунологической памяти. Аффинное созревание также позволяет иммунному ответу «поймать» мутантный вирус, который появляется во время инфекции, однако, обе эти идеи еще нуждаются в подтверждении (26).

Некоторыми прекрасными примерами иммунологической специфичности являются серологически различающиеся мутанты вируса, возникшие под давлением развивающегося или уже установившегося иммунного ответа. Такие мутанты либо ускользают от нейтрализации антителами, или от распознавания цитотоксическими Т клетками. Вирусы гриппа представляют собой наиболее изученные примеры того, как вирусы, модулируя вирусный антиген и как различные виды хозяев, разнообразя нейтрализующие антитела, совместно эволюционировали (12,13, 27).


Иммунологическое распознавание: Т клетки

Иммунная система реагирует против чужеродных антигенов, а не против своих. Поскольку аутоиммунные заболевания встречаются относительно редко у молодых людей (до тридцати летнего возраста), считали (Burnet, Fenner, Medawar, Lederberg), что иммунная система отличает свое от чужеродного. Считается общепринятым, что решение о принадлежности антигена к своему или чужеродному принимается в тимусе во время Т клеточной дифференциации. Такая центральная толерантность является очень эффективной и предполагает, что созревающие тимоциты особенно чувствительны к уничтожению, если реагируют с собственными антигенами, экспрессированными в тимусе. Данный механизм вступает в действие во время, когда Т клетки становятся иммунокомпетентными, в возрасте плода 7-10 недель у человека и при рождении у мышей (1, 30). Однако, несмотря на то, что не все собственные антигены представлены в тимусе, зрелые Т клетки в реакцию, тем не менее, не вступают. Кроме того, существуют некоторые места, которые не являются
легко доступными для Т клеток. В таких иммунологически привилегированных сайтах собственные, а также чужеродные антигены не распознаются и иммунная реакция не развивается. Для объяснения данных фактов были постулированы механизмы «периферической толерантности», такие как анергия, запрещение, подавление, удаление (31-35). Периферическая Т клеточная толерантность теперь обычно обсуждается в соответствии с теорией двухсигнальной модели индукции (активации) лимфоцитов (9, 10, 34, 35). В данной модели антиген (сигнал 1) без дополнительного лимфокина или другой формы сигнала 2 выключает Т клетки. Антиген вместе с помогающим сигналом 2, оптимально обеспечиваемом профессиональными антиген представляющими клетками (АРС), такими как дендритные клетки, индуцирует Т клетки.

Альтернативная модель распознавания представлена здесь (Табл. 2). Предполагается, что иммунная система не различает между своим и чужеродным, но реагирует против любого антигена в соответствии со следующими шестью принципами. (1) Антиген,
который всегда присутствует в тимусе или лимфоидных культурах, уничтожает (специфичные к нему) Т клетки. (2) индукция эффекторных клеток происходит только в организованных лимфоидных органах. Следовательно, (3) антиген должен быть привнесен в лимфоидные органы через кровь или с помощью подвижных антиген представляющих клеток (АРС). (4) Антиген должен войти в соприкосновение с иммунной системой локально (то есть антиген достигает лимфоидных органов из зоны локализованной периферической инфекции и индуцирует иммунный ответ до своего дальнейшего распространения, во избежание чрезмерной индукции иммунного ответа). (5) Правила для индукции Т и В клеточного ответа не являются одинаковыми. В клетки распознают «шаблон» антигена. (6) Антиген является положительным регулятором иммунной системы. Если антиген находится под контролем или выводится из организма, иммунный ответ исчезает. Если антиген персистирует на высоком уровне, результатом является иммунопатология, а персистенция на низком уровне помогает
поддерживать протективную иммунологическую память.

Правила индукции зрелых Т клеток.
Цитопатические и, следовательно, опасные инфекционные агенты, такие как вирусы оспы или полиомиелита, обычно являются эффективными индукторами Т и В клеточных ответов. Такие агенты либо инфицируют мигрирующие антиген представляющие клетки (АРС) на периферии и непосредственно в лимфоидных органах, или высвобождают, проявляя цитопатический эффект, антигены, которые поглощаются подвижными АРС (дендритными клетками) с последующей индукцией Т клеток или прямой индукцией В клеток. Напротив, выработка иммунного ответа на растворимые чужеродные антигены, а также на некоторые собственные антигены, не представленные в тимусе, обычно достигается трудно. Намного легче вызвать иммунный ответ, когда мономерный антиген приведен в состояние «подобного инфекционному агенту» при его смешивании с вызывающими воспалительные реакции гранулома-образующими
бактериями, либо при агрегировании или абсорбции на гидроокисе алюминия с целью усиления захвата антигена антиген представляющими клетками (1, 8 , 36).

Индифферентность Т клеток.
Антигены, не представленные на мигрирующих профессиональных АРС и остающиеся вне лимфоидных органов, Т клетками во внимание не принимаются. Например, цитопатический вирус бешенства в нейронных аксонах (редкая, но обычно летальная инфекция) или нецитопатический вирус папилломы в кератиноцитах (распространенная, но обычно безвредная инфекция) обычно первоначально не принимаются во внимание (игнорируются) Т клетками. Эти вирусы индуцируют иммунный ответ только после того, как соответствующие антигены высвобождаются из разрушенных клеток и захватываются мобильными профессиональными АРС (37). Вероятно, что то же самое является истинным для многих собственных антигенов, которые не экспрессируются и не подбираются в достаточном
количестве мобильными профессиональными АРС (38). Следовательно, такие антигены обычно не достигают лимфоидных тканей, не принимаются во внимание (игнорируются) (Табл. 2) и не вызывают никакие аутоиммунные реакции. Данный вывод нашел подтверждение в модельных опытах на трансгенных мышах, у которых вирусный антиген был экспрессирован в панкреатических ?-islet клетках. У таких мышей не вырабатывался диабет и казалось, что они толерантны. Однако после инфицирования некоторых антиген представляющих клеток соответствующим вирусом (в процессе инфицирования организма вирусом), происходила быстрая индукция цитотоксических Т лимфоцитов (CTLs). CTL разрушали ß-islet клетки, что приводило в течение 10 дней к заболеванию диабетом. Не существует, следовательно, явной концептуальной необходимости в особом состоянии, называемом «неспособность к ответу» для Т клеток, имеющих такие специфичности (31-35).

Истощающая (чрезмерная) индукция Т клеток.

Существует вторая, диаметрально противоположная, ситуация, при которой зрелые Т клетки не способны реагировать (Табл.2) (39). Во время течения некоторых генерализованных инфекций, вызываемых нецитопатическими вирусами, например вирусом лимфоцитарного хореоменингита (LCMV) у мышей и вирусом гепатита В или С у человека, все антиген специфические Т клетки могут быть уничтожены. При нормальном течении инфекции индуцируются и становятся эффекторными только от 10% до 30% потенциально реагирующих Т клеток. Большинство из них умирает в течение 2-4 дней, после того, как антиген выводится из организма. Однако избыток антигена на многочисленных АРС в лимфоидных органах, и широкое распространение вируса по периферии (что может произойти при всепоглощающей инфекции нецитопатическим вирусом) может индуцировать все антиген специфические способные к ответу Т клетки. Такие зрелые эффекторные Т клетки вымирают в течение нескольких дней, что приводит к уничтожению данной специфичности из популяции (repertoire).
Примером является инфицирование мышей изолятом вируса LCMV, который способен к быстрому распространению (размножению). Данный изолят вируса с помощью чрезмерной индукции протективного CD8+ Т клеточного ответа и при распространении в тимус может легко установить персистентную вирусную инфекцию (39). Данное явление происходит в случае, когда изолят вводят внутривенно, что способствует его быстрому распространению, а не через местное подкожное введение (Табл. 1). Это может послужить другим примером успешной эволюции вируса и хозяина. В то время, как цитопатические вирусы должны индуцировать ранний эффективный Т клеточный ответ для предотвращения чрезмерной патологии, вызываемой таким вирусом, нецитопатические вирусы с помощью чрезмерной индукции антивирусного протективного CD8+ Т клеточного ответа могут уйти от летального иммунопатологического разрушения инфицированных клеток. Механизмы истощения (чрезмерной индукции), а также вопрос будет ли механизм истощения Т клеток на периферии
одинаковым или отличаться от процессов негативной селекции в тимусе, еще предстоит оценить.

В экспериментальных условиях CD4+ хелперные Т клетки могут быть чрезмерно индуцированы при введении низкой или высокой дозы растворимого белкового антигена (1, 40). Однако до сих пор не было показано, что такой процесс происходит естественным образом при всепоглощающей инфекции нецитопатическими вирусами. Разница в индукции CD4+ и CD8+ Т клеток может отражать тот факт, что Т хелперные клетки не участвуют непосредственно в процессе лизиса измененных клеток хозяина и весьма необходимы для развития протективного ответа антител к большинству цитопатических вирусов. Следовательно, их чрезмерная индукция должна быть сведена к минимуму. Такое состояние достигается тем, что антигены, связанные с молекулами МНС 2 класса, в основном располагаются (их нахождение ограничено) в лимфоидных органах, где присутствуют достаточные уровни необходимых интерлейкинов. Напротив, CD8+
Т клетки могут встретить антиген в нелимфоидных органах и умереть от недостатка интерлейкина. Из-за отсутствия CD8+ Т клеток и поскольку Т хелперные и В клеточные ответы сами по себе часто недостаточны для выведения (из организма) цитопатических вирусов, может иметь место хронический иммунный ответ Т хелперных и В клеток. Такой процесс может вызвать избыточное накопление интерлейкинов, а также комплексов антиген-антитело, и привести к хроническому, воспалительному иммунопатологическому заболеванию (41).

Переосмысление процесса распознавания антигена зрелыми Т клетками.
Огромное разнообразие во взаимоотношениях хозяин-вирус указывает на то, что не существует различий в физико-химических характеристиках антигенов, которые делают их собственными или чужеродными, инфекционными или неинфекционными, опасными или безвредными. Такие характеристики, являющиеся результатом совместной эволюции, определяются биологией антигена, относится ли он к собственным
или чужеродным антигенам. Следовательно, для зрелых Т клеток, локализация антигена, способ его переноса и скорость распространения определяют индукцию, сохранение (поддержание) или прекращение иммунного ответа. В соответствии с коэволюционной необходимостью, цитопатические вирусы эффективно индуцируют протективный иммунный ответ для того, чтобы избежать исчезновения (чувствительных к вирусу) хозяев, как самостоятельных видов. Для нецитопатических вирусов контроль над вирусом имеет только косвенное значение. Гораздо важнее контролировать иммунопатологический иммунный ответ, который является пагубным для хозяина.

Данная концепция расширяет и изменяет «принципы распознавания свой – чужеродный», выдвинутые Burnet и Lederberg (30) и недавние гипотезы, основанные на теории двух сигналов (Bretscher, Cohn и Langmann; Lafferty; Schwartz; Janeway; Matzinger) (9, 10, 34, 35). В соответствии с этими теориями следующие правила влияют на способность Т клеток к ответу. Т и В клетки должны
иметь возможность находиться в толерантном состоянии (состоянии анергии, неспособности к иммунному ответу). Индуцируемые иммунные клетки становятся неспособными к ответу (анергия) или вымирают в случае, если они получают антигенный сигнал (сигнал 1) без дополнительной стимуляции (сигнал 2). Сигнал 2 могут вырабатывать только профессиональные АРС. Используя такие правила, было постулировано, что иммунная система распознает инфекционно опасный чужеродный от инфекционно безвредного собственного антигена. Но на самом деле, не только токсические или цитопатические антигены, но и безвредные в норме антигены (такие как нецитопатические вирусы) могут быть опасными, поскольку они индуцируют опасную иммунопатологию. Следовательно, антигены различаются не в отношении того, являются ли они собственными или чужеродными, инфекционными или неинфекционными, опасными или безвредными. Скорее (правильнее), локализация антигена (в лимфоидной культуре или вне ее), перенос мигрирующими клетками (скорость распространения
и концентрация) определяет, будут ли зрелые иммунные клетки индуцировать иммунную реакцию, и сколько она будет длиться.


Иммунологическое распознавание: В клетки

Нейтрализующие ответы антител против вирусов предотвращают повторную инфекцию наиболее важными, вызывающими острое заболевание, цитопатическими вирусами человека, такими как вирусы полиомиелита, кори, свинки. Однако антитела могут иметь чрезвычайно важное значение и при некоторых первичных инфекциях. В некоторых инфекционных моделях отсутствие В клеток или CD4+ Т хелперных клеток (или и тех и других одновременно) приводит к замедленному выведению вируса и смерти (хозяина). Например, инфекция вирусом везикулярного стоматита VSV, близкородственного вирусу бешенства человека. Многие вирусы, среди которых и вирус VSV, несут на поверхности своих гликопротеинов оболочки часто повторяющиеся (чередующиеся) нейтрализующие детерминанты в плотной двумерной кристалло-подобной форме. Такие детерминанты способны вызывать
ранний (на 3-4 день) и полностью независимый от Т клеток IgM ответ, который к 6 дню переключается на протективный IgG ответ только в присутствии Т клеточной помощи (11-16, 42, 43). Поскольку вирус VSV не является поликлональным активатором В клеток, данные результаты предполагают, что перекрестное связывание рецепторов В клеток представляется важным для индукции IgM ответов (42, 43). В отсутствие Т клеточной помощи или сигнала 2, такая эффективная прямая и ранняя индукция и расширение (распространение) популяции В клеток не сохраняется. Однако, чрезвычайно большая популяция В клеток теперь становится мишенью для Т клеточной помощи, следовательно, обеспечивая ранний, продолжительный и (высоко) протективный IgG ответ. Некоторые другие серологически различающиеся вирусы несут на гликопротеинах вирусной оболочки нейтрализующие детерминанты, располагающиеся на расстоянии 5-10 нанометров друг от друга. Такое расстояние, как было показано для бактериальных антигенов и антигенов,
несущих часто повторяющиеся молекулы гаптенов, является оптимальным для индукции зрелых В клеток. (44,45). В случае вируса VSV, только сами частицы вируса, несущие плотный двумерный шаблон антигена, являются строго Т независимыми антигенами (то есть они прямо индуцируют В клетки). Развитие ответа на другие формы вирусного гликопротеина оболочки (VSV-G), такие как очищенный рекомбинантный белок VSV-G (мономер антигена) и рекомбинантный вирус оспы, (который включает VSV-G в виде подвижного, связанного с клеткой антигена, прикрепленного к полужидкой мембране), зависит от различных форм Т клеточной помощи при постепенном ее уменьшении (40-45). Данные выводы указывают на то, что плотные, близко расположенные, организованные антигены являются отличительным признаком инфекционных агентов, которые включают в себя вирусы, бактерии, паразиты. То есть организация антигена является отличительным признаком вредных чужеродных антигенов. Таким образом, зрелые В клетки могут
распознавать вредные и безопасные антигены по шаблону, по его организации (42-44). Следует отметить, что плотно упакованные собственные антигены спрятаны и обычно не доступны для В клеток. Следовательно, прямая индукция IgM антител на собственные антигены проявляется лишь в редких случаях, а обнаружение антител против ДНК и коллагена не противоречат предложенной концепции. Выработка антител против мономерных и олигомерных собственных антигенов находится под контролем, несмотря на наличие специфических к ним В клеток. Отсутствует необходимая Т клеточная помощь, как результат отмирания (уничтожения) в тимусе Т клеток нужной специфичности.


Иммунологическая память

Вместе со специфичностью, иммунологическая память, вероятно, является наиболее часто изучаемым параметром с клинической точки зрения. Однако природа иммунологической памяти еще не до конца осознана. После инфицирования или вакцинации хозяина
иммунная система «праймируется». Такая специфическая иммунологическая память приводит к улучшенной работе иммунной системы, то есть усиленной защите против повторной инфекции (1, 16). Иммунологическую память обычно оценивают по увеличенным титрам антител или увеличенной частотности (частоты встречаемости) специфических Т клеток, что измеряется in vitro (1, 47). Нет никаких сомнений в том, что иммунологическая память, опосредуемая увеличенными титрами антител, необходима и достаточна для обеспечения защиты против инфекции цитопатическими вирусами. Таким образом, одной из функций иммунологической памяти на уровне отдельного хозяина и популяции в целом является, вероятно, приспособление популяции к вирусу прямо или косвенным образом через регулирование эпидемий вируса с помощью популяционного иммунитета (5-8, 12-14, 27). Однако важной первичной функцией увеличенных уровней антител памяти является передача (адаптивных, усвояемых, способных к передаче) антител памяти от матери потомству, что обеспечивает
защиту от летальной в противном случае инфекции молодого иммунонекомпетентного потомства во время созревания иммунной системы.

Важность иммунологической памяти, опосредуемой антителами, и невозможность передачи Т клеточной памяти лучше всего объясняется эволюционной необходимостью, поскольку Т клетки распознают антиген только в комплексе с молекулами МНС (42). Из-за того, что молекулы МНС изменяются (мутируют) с целью приспособления к новым инфекционным агентам, иммунологическое разнообразие (резервуар) Т клеточных рецепторов должно оставаться адаптируемым. Резервуар Т клеточных рецепторов генетически не связан с молекулами МНС (кодируются разными генами). Вследствие этого, во время созревания Т клеток необходим процесс «обучения» Т клеточных рецепторов, что включает в себя положительную и отрицательную селекцию в тимусе (1). Такой процесс оставляет утробный плод и потомство во временном иммунодефицитном состоянии. Полиморфизм молекул МНС также
вызывает гистонесовместимость и иммунологическое отторжение гистонесовместимых клеток и органов. Следовательно, в противоположность антителам памяти, иммунологическая Т клеточная память не может передаваться от матери потомству.

Передача пассивной защиты против вируса полиомиелита с помощью материнских антител при их проникновении через плаценту человека хорошо изучена (48). Телята появляются на свет без антител, поскольку двойная хореоэпителиальная оболочка плаценты не пропускает антитела, следовательно, фетальная сыворотка телят используется в научных исследованиях. Новорожденные телята получают всю необходимую защиту против инфекций через концентраты антител в молозиве в течение первых 24 часов после рождения. Кроме того, антитела передаются в яйца птиц и рептилий (48). Поскольку инфекционные агенты не должны быть слишком успешными в уничтожении своих хозяев, совместная их эволюция (вируса и хозяина), по-видимому, отобрала такие цитопатические агенты, вызывающие эпидемии, которые могут
находиться под эффективным контролем антителами, накопленными в организме матери в течение, по крайней мере, 13 лет жизни человека и 8 недель жизни самки мыши. Для обеспечения этой цели увеличенные уровни нейтрализующих антител памяти необходимо поддерживать с помощью антигенов, которые либо повторно приходят извне, перекрестно реагируют с прежним антигеном, или хранятся в виде стабильных комплексов, например, в комплексе с молекулами IgG на фолликулярных дендритных клетках (49). Кроме того, женские гормоны усиливают ответ антител – а также чувствительность к аутоиммунным заболеваниям – по сравнению с мужскими гормонами (49).

В противоположность сохраняющимся длительное время и в более высокой концентрации уровням антител памяти, обеспечивающим защиту, цитотоксические Т лимфоциты (CTLs) быстро индуцируются и исчезают. Частотность (частота встречаемости) CD8+ Т клеток (к определенному антигену) находится на низком уровне у обычного нормального хозяина, порядка 1 клетки на 106 лимфоцитов.
Во время острой инфекции частотность увеличивается до 1 клетки на 102 лимфоцитов для вирусов, реплицирующихся быстро и распространяющихся широко, и до 1 клетки на 103 – 104 лимфоцитов для вирусов, реплицирующихся медленнее. Как только вирус выводится из организма, частотность обычно уменьшается до 1 клетки на 104 – 105 лимфоцитов (47, 50). Такое уменьшение демонстрирует сильное влияние антигена на регулирование иммунного ответа и подтверждает вывод, что после активации эффекторные Т клетки отмирают в течение 2-3 дней. В связи с этим, в настоящее время изучают вопрос является ли цитотоксическая Т клеточная память важной и какую роль играет антиген в ее поддержании – через персистенцию вируса, через повторную инфекцию, через депо на молекулах МНС 1 класса, через перекрестно реагирующие антигены или каким-либо другим путем (47, 51). Тот факт, что материнские антитела успешно защищают потомство предполагает, что активированная цитотоксическая Т клеточная память играет отличающуюся роль у иммунокомпетентных хозяев.
Она контролирует персистирующие нецитопатические вирусы, которые безвредны для молодых иммунонекомпетентных хозяев, а также ограничивает приносящую вред, опосредуемую Т клетками, иммунопатологию.

Характеристики иммунологической памяти, представленные здесь, указывают, что антиген направляет иммунный ответ и является его наиболее важным (положительным) регулятором. В соответствии с этим, не существует, вероятно, концептуальной необходимости в специфической отрицательной регуляции иммунного ответа. Важная иллюстрация этой простой концепции состоит в том, что если антиген не выводится и если структура лимфоидного органа образуется на постоянной основе в поврежденных периферических органах, развивается иммунопатологическое заболевание, чрезмерная пролиферация лимфоидных клеток или иммунитет к собственным антигенам. Как только антиген выводится или его количество значительно уменьшается, активированные эффекторные Т и В клетки исчезают, поскольку они имеют короткое время жизни.
Хотя Т клетки, рециркулирующие в крови, могут существовать продолжительное время, что можно измерить по их частотности, они направляются в плотные культуры только в случае их активации антигеном. Подобным же образом, В клетки могут рециркулировать в крови иммунного хозяина. Однако только В клетки, которые повторно стимулированы антигеном на фолликулярных дендритных клетках, активируются и становятся продуцирующими антитела плазматическими клетками, содействующими сохранению увеличенного уровня антител памяти. Таким образом, оказывается, что иммунологическая память является зависимой от наличия антигена (47, 49, 51) и становится трудным отличить иммунологическую память от происходящего на низком уровне иммунного ответа.


Заключение

Формы взаимной зависимости между вирусами и иммунным ответом, в том виде, как они изложены в этой работе, являются, конечно же, неполными и их обобщение все еще представляется трудным.
Тем не менее, даже несколько хорошо изученных примеров иллюстрируют эволюционное равновесие. Анализ иммунного ответа против вирусов помог расширить концепции, (основанные на важных исследованиях по иммунологии) которые были проведены на модельных антигенах in vitro, и выявить существенные биологические параметры иммунитета in vivo. Это обеспечивает нас действующим пониманием термина специфичность, концепцией иммунологической памяти, и набором правил по индукции Т клеток, которыми замещается идея иммунологического распознавания по системе «свой – чужеродный». Разнообразные формы равновесия между различными вирусами и иммунной системой могут действительно научить нас многому.
Автор: Zinkernagel R.M.
Переводчик: Луговской А.А.

Литература: 
  1. Science (1996), 271 (5246), 173-178