Основоположник клеточной теории иммунитета. Фагоцитоз
В течение второй половины XIX века врачами и биологами того времени активно исследовалась роль патогенных микроорганизмов в процессе развития инфекционных болезней, а также возможность формировать искусственную невосприимчивость к ним. Эти исследования привели к изучению фактов о естественной защите организма от инфекций. Пастер предложил научному сообществу идею так называемой "исчерпанной силы". Согласно этой теории, вирусная невосприимчивость является таким состоянием, при котором человеческий организм не является благотворной питательной средой для инфекционных агентов. Однако эта идея не могла объяснить целый ряд практических наблюдений.
Мечников: клеточная теория иммунитета
Эта теория появилась в 1883 году. Создатель клеточной теории иммунитета опирался на учение Чарльза Дарвина и основывался на изучении процессов пищеварения у животных, которые располагаются на различных ступенях эволюционного развития. Автор новоявленной теории обнаружил некое сходство во внутриклеточном переваривании веществ у клеток энтодермы, амеб, тканевых макрофагов и моноцитов. Собственно, иммунитета создал известнейший русский биолог Илья Мечников. Его работы в этой области продолжались достаточно долго. Начало им было положено еще в итальянском городе Мессина, в котором микробиолог наблюдал за поведением и личинок
Патолог обнаружил, что блуждающие клетки наблюдаемых созданий чужеродные тела окружают, а затем поглощают их. Кроме того, они рассасывают и следом уничтожают те ткани, которые не нужны организму более. Он приложил немало усилий для разработки своей концепции. Создатель клеточной теории иммунитета ввел, собственно, понятие «фагоциты», выведенное от греческих слов «фагес» - поедать и «китос» - клетка. То есть новый термин буквально означал процесс поедания клеток. К идее таких фагоцитов ученый пришел несколько ранее, когда изучал внутриклеточное пищеварение в различных клетках соединительной ткани у беспозвоночных: губок, амеб и прочих.
У представителей высшего животного мира самыми типичными фагоцитами могут быть названы белые кровяные тельца, то есть лейкоциты. Позднее создатель клеточной теории иммунитета предложил разделять такие клетки на макрофаги и микрофаги. Правильность такого разделения подтверждали достижения ученого П. Эрлиха, который дифференцировал разные типы лейкоцитов посредством окраски. В своих классических работах, посвященных патологии воспаления, создатель клеточной теории иммунитета сумел доказать роль фагоцитирующих клеток в процессе элиминации патогенов. Уже в 1901 году вышел в мир его фундаментальный труд о невосприимчивости к инфекционным болезням. Кроме самого Ильи Мечникова, значительный вклад в развитие и распространение теории фагоцитарного иммунитета внесли И.Г. Савченко, Ф.Я. Чистович, Л.А. Тарасевич, А.М. Березка, В.И. Исаев и ряд других исследователей.
Процесс становления и развития науки об иммунитете сопровождался созданием разного рода теорий, которые заложили основу науки. Теоретические учения выступали в качестве объяснений сложных механизмов и процессов внутренней среды человека. Рассмотреть основные концепции иммунной системы, а также ознакомиться с их основоположниками поможет представленная публикация.
Что такое теория иммунитета?
Теория иммунитета — представляет собой учение, обобщенное экспериментальными исследованиями, в основе которого лежали принципы и механизмы действия иммунной защиты в организме человека.
Основные теории иммунитета
Теории иммунитета создали и развили на протяжении долгого периода времени И.И. Мечников и П. Эрлих. Основоположники концепций заложили основу развития науки об иммунитете — иммунологии. Рассмотреть принципы развития науки и особенности помогут основные теоретические учения.
Основные теории иммунитета:
- Основополагающей концепцией в процессе развития иммунологии выступила теория российского ученого Мечникова И.И . В 1883 году представитель российского научного сообщества предложил концепцию согласно которой во внутренней среде человека присутствуют подвижные клеточные элементы. Они способны заглатывать всем телом и переваривать чужеродные микроорганизмы. Клетки получили название — макрофаги и нейтрофилы.
- Родоначальником теории иммунитета, которая была разработана параллельно с теоретическим учением Мечникова стала концепция немецкого ученого П. Эрлиха . Согласно учению П. Эрлиха, было установлено, что в крови зараженных бактериями животных, появляются микроэлементы, уничтожающие инородные частицы. Белковые вещества получили название — антитела. Характерной особенностью антител является их направленность на сопротивление конкретному микробу.
- Учение М. Ф. Бернета. В основе его теории лежало предположение, что иммунитет представляет собой реакцию антител, направленную на распознание и разделение своих и опасных микроэлементов . Выступает в качестве создателя клонально — селекционной теории иммунной защиты . В соответствии с представленной концепцией один клон лимфоцитов реагирует на один определенный микроэлемент. Обозначенная теория иммунитета была доказана и в результате было выявлено, что иммунная реакция действует в отношении любых чужеродных организмов (трансплантат, опухоль).
- Инструктивная теория иммунитета датой создания считается 1930 год. Основоположниками выступили Ф. Брейнль и Ф. Гауровиц. Согласно концепции ученых, антиген является местом для соединения антител. Антиген также является ключевым элементом иммунного ответа.
- Теория иммунитет была разработана также М. Гейдельбергом и Л. Полингом . Согласно представленному учению образуются соединения из антител и антигенов в виде решетки. Создание решетки будет возможно только при наличии в молекуле антитела три детерминанта для молекулы антигена.
- Концепция иммунитета на основе которой была разработана теория естественного отбора Н. Ерне . Основоположник теоретического учения предположил, что в организме человека присутствует молекулы комплиментарные чужеродным микроорганизмам, которые попадают во внутреннюю среду человека. Антиген не осуществляет соединение и не изменяет существующие молекулы. Он контактирует с соответствующим ему антителом в крови или клетке и объединяется с ним.
Представленные теории иммунитета заложили основу иммунологии и позволили ученым выработать исторически сложившиеся взгляды относительно функционирования иммунной системы человека.
Клеточная
Основоположником клеточной (фагоцитарной) теории иммунитета выступает российский ученый И. Мечников. Изучая морских беспозвоночных ученый установил, что некоторые клеточные элементы поглощают чужеродные частицы, проникающие во внутреннюю среду. Заслуга Мечникова заключается в проведении аналогии между наблюдаемым процессом с участием беспозвоночных и процессом поглощения белыми клеточными элементами крови позвоночных субъектов. В результате исследователь выдвинул мнение согласно которому процесс поглощения выступает в качестве защитной реакции организма, сопровождающейся воспалением. В результате проведенного эксперимента была выдвинута теория клеточного иммунитета.
Клетки, осуществляющие защитные функции в организме, получили название фагоциты.
Отличительные особенности фагоцитов:
- Осуществление защитных функций и вывод токсичных веществ из организма;
- Представление антигенов на мембране клетки;
- Выделение химического вещества из других биологических веществ.
Механизм действия клеточного иммунитета:
- В клеточных элементах происходит процесс прикрепления молекул фагоцитов к бактериям и вирусным частицам. Представленный процесс способствует ликвидации чужеродных элементов;
- Эндоцитоз оказывает влияние на создание фагоцитарной вакуоли - фагосомы. Гранулы макрофагов и азурофильные и специфические гранулы нейтрофила перемещаются к фагосоме, и объединяются с ней, выделяя свое содержимое в ткань фагосомы;
- В процессе поглощения усиливаются генерирующие механизмы — специфический гликолиз и окислительное фосфорилирование в макрофагах.
Гуморальная
Родоначальником гуморальной теории иммунитета выступил немецкий исследователь П. Эрлих. Ученый утверждал, что уничтожение чужеродных элементов из внутренней среды человека является возможным только с помощью защитных механизмов крови. Полученные выводы были представлены в единой теории гуморального иммунитета.
По мнению автора в основе гуморального иммунитета лежит принцип уничтожения чужеродных элементов через жидкости внутренней среды (через кровь). Вещества, которые осуществляют процесс ликвидации вирусов и бактерий, подразделяют на две группы — специфические и неспецифические.
Неспецифические факторы иммунной системы представляют собой полученную по наследству устойчивость человеческого организма к заболеваниям. Неспецифические антитела универсальны и оказывают воздействие на все группы опасных микроорганизмов.
Специфические факторы иммунной системы (белковые элементы). Они создаются В — лимфоцитами, которые образуют антитела, распознающие и уничтожающие инородные частицы. Особенностью процесса является формирование иммунной памяти, которая препятствует вторжению вирусов и бактерий в будущем.
Заслуга исследователя заключается в установлении факта передачи антител по наследству с молоком матери. В результате формируется пассивная иммунная система. Продолжительность ее действия составляет полгода. После иммунная система ребенка начинает самостоятельно функционировать и вырабатывать собственные клеточные элементы защиты.
Ознакомиться с факторами и механизмами действия гуморального иммунитета можно
Выявление роли патогенных микроорганизмов в развитии инфекционных болезней, возможность искусственного создания невосприимчивости подтолкнули к изучению факторов защиты организма от инфекционных агентов .
Пастер предложил теорию исчерпанной силы ; согласно этой теории «невосприимчивость» представляет состояние, при котором организм человека (как питательная среда) не поддерживает развитие микробов.
Однако автор быстро понял, что его теория не может объяснить ряд наблюдений. В частности, Пастер показал, что если заразить курицу сибирской язвой и держать её ноги в холодной воде, то у неё развивается заболевание (в обычных условиях куры невосприимчивы к сибирской язве). Развитие феномена обусловливало снижение температуры тела на 1-2 °С, то есть ни о каком исчерпывании питательной среды в организме речь идти не могла.
Фагоцитарная теория иммунитета. И.И. Мечников
В 1883 г. появилась теория иммунитета , опирающаяся на эволюционное учение Чарлза Дарвина и основанная на изучении пищеварения у животных, располагающихся на разных ступенях биологического развития. Автор новой теории, И.И. Мечников, обнаружил сходство внутриклеточного переваривания веществ у амёб, клеток энтодермы кишечнополостных и некоторых клеток мезенхимного происхождения (моноцитов крови, тканевых макрофагов). Мечников ввёл термин «фагоциты» ]от греч. phages, поедать, + kytos, клетка], а позднее предложил разделять их на микрофаги и макрофаги. Такому разделению способствовали и достижения П. Эрлиха, дифференцировавшего посредством окраски несколько типов лейкоцитов. В классических работах по сравнительной патологии воспаления И.И. Мечников доказал роль фагоцитирующих клеток в элиминации патогенов. В 1901 г. в Париже вышел его монументальный итоговый труд «Невосприимчивость в инфекционных болезнях».
Значительный вклад в распространение фагоцитарной теории внесли работы Э. Ру и учеников И.И. Мечникова (A.M. Безрёдка, И.Г. Савченко, Л.А. Тарасёвич, Ф.Я. Чистович, В.И. Исаев).
Иммунитет -- это защитно-приспособительная реакция организма против различных болезнетворных агентов. В обычном понимании имеется в виду иммунитет к инфекционным болезням. Наука, изучающая иммунитет, называется иммунологией, а реакции сопровождающие выработку иммунитета, -- иммунологическими реакциями. И.И. Мечников так определил иммунитет: «Под невосприимчивостью к заразным болезням надо понимать общую систему явлений, благодаря которым организм может выдерживать нападение болезнетворных микробов».
Различают иммунитет видовой и приобретенный. Видовой иммунитет составляет свойство данного вида животных и передается по наследству. Например, животные не болеют корью, тифами и некоторыми другими болезнями, а человек не болеет многими инфекциями, которыми поражаются животные (чума рогатого скота, собачья чума и др.).
Видовой иммунитет может быть абсолютным и относительным.
Обладая абсолютным иммунитетом, ни животное, ни человек, ни при каких обстоятельствах не заболевают данной болезнью. Так, собаки никогда не болеют корью и другими инфекциями, наблюдающимися у человека. Однако птицы, при обычных условиях не заболевающие сибирской язвой, могут заболеть ею при ослаблении организма в результате охлаждения, голодания и других причин. Следовательно, они обладают относительным иммунитетом к сибирской язве.
В развитии относительного иммунитета большое значение имеют благоприятные социальные условия, а также приобретенные свойства организма, развившиеся в нем путем взаимосвязи с окружающей средой (например, закаливание организма физкультурой).
Приобретенный иммунитет вырабатывается у человека в течение его жизни, обычно после какого-либо инфекционного заболевания.
Осенью 1882 года Мечников вместе с женой Ольгой Николаевной Белокопытовой, другом и помощником во всех делах, уехал в Мессину, где сделал свое наиболее известное открытие.
Однажды, когда Мечников наблюдал под микроскопом за подвижными клетками (амебоцитами) личинки морской звезды, ему пришла в голову мысль, что эти клетки, захватывающие и переваривающие органические частицы, не только участвуют в пищеварении, но и выполняют в организме защитную функцию. Это предположение Мечников подтвердил простым и убедительным экспериментом. Введя в тело прозрачной личинки шип розы, он через некоторое время увидел, что амебоциты скопились вокруг занозы. Клетки, которые либо поглощали, либо обволакивали инородные тела ("вредных деятелей"), попавшие в организм, Мечников назвал фагоцитами, а само явление - фагоцитозом. В следующем, 1883 году, Мечников сделал на съезде естествоиспытателей и врачей в Одессе доклад "О целебных силах организма". Последующие 25 лет жизни он посвятил развитию фагоцитарной теории иммунитета. Для этого он обратился к изучению воспалительных процессов, инфекционных заболеваний и их возбудителей - патогенных микроорганизмов. "До этого зоолог - я сразу сделался патологом", - писал Мечников. Работая над фагоцитарной теорией, Мечников вместе с тем в 1884 и 1885 годах выполнил ряд исследований по сравнительной эмбриологии, считающихся классическими.
До Мечникова господствовало представление о ведущей роли в иммунитете микробов и других чужеродных тел.
Мечников в многочисленных опытах выяснил огромную, подчас ведущую роль макроорганизма в его борьбе с инфекциями. Он поставил многочисленные опыты, чтобы изучить процесс возникновения невосприимчивости у кроликов к микробу свиной холеры, к возбудителю краснухи свиней, к возбудителю сибирской язвы у голубей и крыс, у морских свинок -- к вибриону Мечникова и т. д. Во всех случаях доказано решающее значение фагоцитоза в процессе освобождения организма от проникших в него микробов.
Таким образом, ученый убедительно показал, что активные клетки организма -- лейкоциты в результате своего взаимодействия с микробами или с их продуктами -- токсинами или, наконец, с другими неживыми чужеродными телами специфически изменяют характер и направление своей активности, «меняют свою реактивность». Образно выражаясь, они мобилизуют свои силы и меняют уровень напряжения и активности в соответствии с особенностями и силой «вражеского нападения». «Реакция фагоцитарных клеток, -- писал Мечников, -- совершается вследствие их чувствительности».
У своего друга А.О. Ковалевского Мечников увидел в аквариуме лаборатории тусклых дафний. При изучении выяснилось, что они заполнены спорами грибка Monospora bicuspidata.
Мечников организовал экспериментальное воспроизведение этого факта и наблюдал, как иглообразные споры грибка, словно иголки, проходят через стенки пищеварительного тракта и проникают в полость тела дафнии.
Как же будет «защищаться» раненая дафния против проникших в нее врагов?
Микроскоп дает возможность наблюдать, как разыгрываются «драматические события» в теле рачка-дафнии. Прежде всего, лейкоциты, циркулирующие в большом количестве в теле дафний, совершают «бурный» натиск на «непрошеных гостей». Вокруг каждой споры грибка, как ранее вокруг занозы в личинке морской звезды, скапливаются лейкоциты. Они обволакивают и изолируют каждую спору. Но этого мало. Ведь споры грибка -- не стекло. Лейкоциты дафнии заглатывают их путем внутриклеточного пищеварения, и от спор не остается и следа. Поле битвы очищено. Убирать трупы врагов, по остроумному выражению ученика и продолжателя Мечникова, Безредка, не приходится.
Дафния «победила» споры грибка, хотя она тоже микроскопична. Ранее мутная, она светлеет и снова «здравствует» до очередной инфекции. Но этот счастливый для дафнии исход бывает не всегда. Если вражеских сил (в данном случае спор грибков) окажется больше, чем их могут одолеть образующиеся в теле дафнии лейкоциты, то те споры, которые не заглочены лейкоцитами, успевают прорасти в грибки, и общая инфекция приводит к гибели дафнии.
Таков образный пересказ, близкий к изложению самого Мечникова и его ближайших продолжателей о нескольких интересных экспериментальных эпизодах. Но именно эти эпизоды помогли Мечникову раскрыть ход процессов, лежащих в основе его бессмертного учения о фагоцитозе. Глубоко плодотворное значение фагоцитарной теории прежде всего в том, что закономерности, рассмотренные нами в двух предыдущих экспериментах, подтверждаются в основных чертах на высших животных и на человеке.
Значение в медицине
Велико значение этой теории в медицине. Она по-новому раскрывает сущность воспалительных процессов, как защитных приспособлений организма, лежит в основе борьбы с инфекциями, объясняет рассасывание тканей при явлениях регенерации и т.д.
В Стокгольме в 1908 году Мечников получил Нобелевскую премию за открытия в области иммунитета. Премию за фагоцитарную теорию иммунитета Мечников разделил с выдающимся немецким ученым Эрлихом, который разрабатывал гуморальную теорию иммунитета. Этим как бы подчеркивалось, что обе теории взаимно дополняют одна другую.
Мечников, мысленно оглядываясь на годы изнурительной борьбы, которую ему пришлось вести «в условиях недоверия и жесткой критики», язвительно сказал, что воспоминания о Bipinnaria с занозой, окруженной со всех сторон подвижными клетками, и о дафниях с кровяными шариками, пожирающими колючие споры инфекционных микробов, поддерживали в нем надежду, что его идеи избегнут поражения. История блистательно оправдала его надежды. Учение о фагоцитозе вошло в золотой фонд науки.
Современные исследования о роли вирусных факторов в развитии злокачественных опухолей обязывают с большим вниманием отнестись к этой ценной мысли гениального в своей прозорливости ученого.
“Исследовать – это видеть то, что видят все, и думать так, как не думает никто другой”
Г. Селье
В 19 веке в области естествознания были совершены три фундаментальных открытия – закон сохранения веществ и энергии М.И. Ломоносова, клеточная теория Вирхова, и происхождение видов путем естественного отбора.
Не менее гениальное открытие – это клеточная теория иммунитета, которая была создана И.И. Мечниковым в декабре 1882 года. Понадобилось больше 18 лет трудной и напряженной работы, чтобы создать эту теорию. Что же послужило толком к развитию фагоцитарной теории?
В 1865 году Мечников обнаружил у ресничного червя планарии внутриклеточное пищеварение. Сравнивая этот способ пищеварения с питанием у высших инфузорий, он увидел в этом акте лишнее доказательство генетической связи между червями и простейшими. Это был первый шаг к созданию теории фагоцитов. На основании наблюдений был сделан следующий вывод:
“Предшественник многоклеточных организмов должен представлять собой скопление клеток, способных к внутриклеточному пищеварению”. Мечников утверждал, что первичный многоклеточный организм “автономен” и без наличия пищеварительной полости, представляет собой конгломерат клеток, способных к внутриклеточному пищеварению. Сначала такой организм Мечников назвал – паренхимеллой, а позднее назвал – фагоцителла, подчеркнув тем самым его функцию – фагоцитоз, т.е. способность захватывать и внутриклеточно переваривать чужеродные частицы.
На основе этого Мечников делает вывод: внутриклеточное пищеварение – универсально. Но если у низших животных оно выполняет пищеварительную функцию, то у высших “способен на большее” - на защиту от инфекции.
В течение 18 лет Мечников работает над теорией фагоцитоза, и в 1882 году наступает его звездный час, он открывает явление фагоцитоза.
Сам Мечников описывает это явление так: “Работая с микроскопом и наблюдая за жизнью подвижных клеток у прозрачной личинки морской звезды, меня сразу осенила мысль. Мне пришло в голову, что подобные клетки должны служить в организме для противодействия вредителям организма. Я сказал себе, что по всей видимости заноза, вставленная в тело личинки морской звезды, не имеющей ни сосудистой, ни нервной системы, должна в короткое время окружиться налезшими на нее подвижными клетками, подобно тому, как это наблюдается у человека занозившего себе палец”. Мечников проделал этот опыт и на утро увидел, что лейкоциты человека и неподвижные фагоциты морской звезды эмбриологически гомологичны, т.к. происходят из мезодермы. Отсюда Мечников делает вывод, что лейкоциты выполняют защитную функцию. Болезнь рассматривается как борьба между патогенными микробами и фагоцитами.
Основоположник учения о стрессе канадский биохимик и патолог Ганс Селье писал: “Исследовать – это видеть то, что видят все, и думать так, как никто другой”. Это определение применимо к Мечникову. До Мечникова явление фагоцитоза видели многие, но осмыслить это явление они не могли. А Мечников понял, что он столкнулся не с частым фактом, а с глубинной общебиологической проблемой.
В этом особенность гения – он думает так, как до него никто не думал.
Великому Луи Пастеру принадлежат слова: “Случай приходит на помощь к тому, кто его ищет”. Казалось бы, произошло какое-то озарение, произошла случайная находка, но к этой находке Илья Ильич шел почти два десятилетия, занимаясь проблемами внутриклеточного пищеварения.
Открыв фагоцитарную теорию, ученый и не предполагал, каких упорных трудов будет стоить борьба за ее признание. Не так все было гладко. Зарубежные и отечественные микробиологи начали нападать на фагоцитарную теорию. И даже ученик Мечникова Гамалея писал: “…история фагоцитаризма – это целый ряд разочарований:
первое разочарование – это открытие химических вакцин,
второе разочарование – это открытие бактерицидных свойств крови,
третье разочарование – это открытие антитоксинов и серотерапии”.
Почему же ученые отвергали фагоцитарную теорию?
Объяснялось это тем, что в конце 19 века получили быстрое развитие микробиология и иммунология. Все были заняты разрабатыванием средств для борьбы с инфекциями. Были обнаружены в крови человека антитела против микробов, проникших в организм. В это же время была создана противодифтеритная сыворотка. Таким образом, на первое место вышла гуморальная теория.
Мечников не отвергает гуморальную теорию, а наоборот, стремится объединить две теории. И сейчас доказано, что антитела – результат деятельности иммунокомпетентных клеток. Иначе говоря, “клеточный иммунитет лежит в основе гуморального иммунитета”.
25 лет понадобилось Мечникову для полного признания фагоцитарной теории иммунитета. Сдались его непримиримые враги – Кох, Бутнер, Беринг.
В 1908 году Нобелевский комитет за исследования в области иммунитета присудил Мечникову и его другу Эрлиху Нобелевскую премию. Гуморальная и фагоцитарная теории объединились. Но окончательно проблема прояснилась в середине 20 века, когда австралийский ученый Макфарлан Бёрнет создал общепризнанную селекционно-клональную теорию образования антител, по которой гуморальный иммунитет производный от клеточного.
Настоящий бой противникам И.И. Мечников дал на международном гигиеническом конгрессе в Будапеште. Ученик Пастера и близкий друг Мечникова Эмиль Ру так вспоминал об этом конгрессе на семидесятилетии Ильи Ильича: “До сих пор я так и вижу Вас на будапештском конгрессе 1894 года, возражающим Вашим противникам: лицо горит, глаза сверкают, волосы спутались, Вы походили на демона науки, но Ваши слова, Ваши неопровержимые доводы вызывали рукоплескание аудитории. Новые факты, сначала казавшиеся в противоречии с фагоцитарной теорией, вскоре приходили в стройное сочетание с нею. Она оказалась достаточно широкой, чтобы примирить сторонников гуморальной теории с защитниками клеточной…”