Нобелівська премія з медицини та фізіології – 2011
Нобелівська асамблея при Каролінському медичному інституті вирішила присудити найпрестижнішу в науковому світі премію з фізіології та медицини за 2011 рік трьом ученим-імунологам. Однієї половини премії удостоїлися спільно Брюс Бойтлер і Жюль Хоффман за їх відкриття, що стосуються активації вродженого імунітету, а друга половина дісталася Ральфу Стейнману за відкриття дендритних клітин і їх ролі в надбаному імунітеті. На жаль, професор Стейнман не дожив до цієї радісної події: він помер за три дні до оголошення лауреатів.
Що ж нового змогли знайти ці вчені в імунітеті, про який кожен з нас чув з самого дитинства і вивченням якого займаються тисячі провідних лабораторій світу? Якщо спрощено, то імунітет – це властивість імунної системи організму людини або тварин розпізнавати різницю між власними і чужими складовими (макромолекулами, клітинами, тканинами і органами, а також вірусами, бактеріями тощо), які штучно чи природно потрапляють в організм, або з’являються за рахунок перетворення свого у організмі, та протидіяти розповсюдженню «чужого», бо останнє часто пов’язане із захворюваннями. Найчастіше (але не виключно) імунітет спрямований проти чинників – патогенів, які викликають інфекційні захворювання, до яких відносять віруси, бактерії, патогенні грибкові мікроорганізми та паразити.
В біології майже 100 років панувало традиційне уявлення, сформоване ще під впливом робіт П. Ерліха та І. Мечнікова про існування двох ланок імунітету: клітинної та гуморальної, які взаємодіють між собою. У 1883 р. І.І.Мечніков дійшов висновку, що несприйнятливість організму до деяких інфекційних захворювань (імунітет) забезпечується фагоцитарною активністю лейкоцитів. Майже в цей же час П.Ерліхом було встановлено, що захисні властивості крові зумовлені здатністю деяких видів лейкоцитів у відповідь на проникнення в організм збудників захворювання утворювати протеїни (імуноглобуліни або антитіла), що спрямовані проти цих збудників і знешкоджують їх. Отже, за своєю природою імунітет може бути клітинним (фагоцитоз) і гуморальним (антитіла). У 1908 р П. Ерліх та І. Мечніков одержали Нобелівську премію з медицини та фізіології за створення клітинно-гуморальної теорії імунітету.
Слід зауважити, що цю найбільш престижну наукову нагороду не раз отримували вчені, що працювали в галузі імунології: в 1901 р першу Нобелівську премію отримав Еміль Адольф фон Берінг «за роботу із сироваткової терапії, головним чином за її вживання при лікуванні дифтерії, що відкрило нові дороги в медичній науці і дало в руки лікарів звитяжну зброю проти хвороби і смерті»; в 1913 р – Шарль Ріше «на знак визнання його робіт по анафілаксії»; в 1919 р – Жюль Борде «за відкриття, пов'язані з імунітетом» (роль комплемента, механізми преципітації, аглютинації та інш.); в 1960 р – Макфарлейн Бернет, Пітер Медавар «за відкриття штучної імунної толерантності (переносимості)»; в 1972 р – Джеральд Едельман, Родні Портер «за відкриття, що стосуються хімічної структури антитіл»; в 1980 р – Барух Бенасерраф, Жан Доссе, Джордж Снелл «за відкриття, що стосуються генетично визначених структур (антигенів гістосумісності) на клітинній поверхні, регулюючих імунні реакції»; в 1984 р – Нільс Єрне, Георг Кьолер, Сезар Мільштейн «за відкриття і розробку принципів одержання моноклональних антитіл за допомогою гібридом»; в 1987 р – Судзумі Тонегава «за відкриття генетичного принципу для генерації різновиду антитіл»; в 1996 р – Пітер Доерті, Рольф Цинкернагель «за відкриття в області імунної системи людини, зокрема її здібності виявляти клітини, уражені вірусом». Як бачимо, досягнення вчених-імунологів часто визнавалися найвагомішими в галузі медицини та фізіології, оскільки імунна система є дуже важливою для організму, а вивчення принципів її функціонування має фундаментальне значення для профілактики (вакцинація), діагностики і терапії багатьох захворювань. При чому існують захворювання самої імунної системи, захворювання інших органів та тканин, викликаних порушеннями в імунній системі, та захворюваннями інших органів і тканин, але які викликають зміни в імунній системі. Практично немає захворювань, які б тим чи іншим способом, прямо або опосередковано не були пов’язані з імунною системою.
В той же час дослідження імунної системи та її компонентів є вкрай важливим для експериментальної біології різних рівнів (молекулярної, клітинної, органної тощо), тому що вже на протязі багатьох років імунна система – її організація та функціонування, її компоненти - використовуються як унікальні моделі для вивчення структури протеїнів; організації генів, що кодують компоненти імунітету; внутрішньоклітинного та міжклітинного «сигналінгу», структури і ролі рецепторів на поверхні імунокомпетентних клітин тощо. Часто відкриття в галузі імунології змінювали напрям розвитку інших галузей науки. Так, у 1945 р Дж. Бідлом і Е.Татумом була сформульована гіпотеза, яку можна виразити формулою "один ген – один фермент". Згідно з цією гіпотезою, кожна стадія метаболічного процесу, що приводить до утворення в організмі (клітині) якогось продукту, каталізується протеїном-ферментом, за синтез якого відповідає один ген. Пізніше, коли було показано, що багато білків мають четвертинну структуру, в утворенні якої беруть участь різні пептидні ланцюги, формула, що відображає зв'язок між геном і ознакою, була дещо перетворена: "один ген – один поліпептид", а ще пізніше – для кожного з ланцюгів імуноглобулінів – "два гени – один поліпептид". Однак, відкриття Судзумі Тонегавою організації структурних генів імуноглобулінів, відзначене Нобелівською премією у 1987 р, остаточно змінило класичне уявлення про те, що кожний поліпептид кодується одним геном. Виявилось, що для кодування поліпептидних ланцюгів імуноглобулінів існують досить складні генетичні механізми, що призводять до створення величезного різноманіття активних центрів антитіл. Гени, що кодують поліпептидні ланцюги імуноглобулінів, розташовані на різних хромосомах. У людини, наприклад, локус генів для всіх класів важких ланцюгів імуноглобулінів розташований на хромосомі 14, для легкого ланцюга ? – на хромосомі 2, для ланцюга ? – на хромосомі 22. Кожна група генів для важких ланцюгів імуноглобулінів містить інформацію щодо різних VH доменів для створення величезного різноманіття антитіл, а також для структур константних ділянок імуноглобулінів – для різних класів імуноглобулінів. В свою чергу, група генів для легких ланцюгів імуноглобулінів має інформацію для різних VL доменів і одного з СL. Різноманіття VH доменів важких ланцюгів імуноглобулінів формується здебільшого за рахунок ймовірнісної соматичної рекомбінації V (варіабельних), D (різноманітних) та J (об’єднуючих) сегментів генів, які тандемно розташовані на хромосомі, та їхнього об’єднання у VH ген. Цей VH ген кодує однакові VH домени усіх антитіл, що синтезуються однією В-клітиною або її нащадками, зокрема плазматичною клітиною, незалежно від класу синтезованого важкого ланцюга імуноглобулінів. При переключенні синтезу одного класу імуноглобулінів на інший за рахунок об’єднання того ж VH гену з іншим Сн геном (наприклад, при переключенні з IgМ на IgG клас) відбуваються зміни у VH гені за рахунок соматичних гіпермутацій. Комбінація обох: і VH , і VL доменів вносить вклад у походження величезної різноманітності специфічностей антитіл, але, на відміну від VH гену, VL ген формується тільки за рахунок соматичної рекомбінації V та J сегментів. Протягом ХХ століття імунологія переживала бурхливий розвиток, наслідком якого ніби-то встановилося розуміння як функціонує адаптивний імунітет (той що викликаний «чужими» антигенами, які розпізнаються антиген-специфічними рецепторами В- чи Т-лімфоцитів імунної системи), що В-лімфоцити відповідають за синтез антитіл, а Т-лімфоцити – за клітинний (цитотоксичний) імунітет, що потрібна кооперація імунокомпетентних клітин для реалізації обох типів імунітету, але залишалося незрозумілим як функціонує система природного імунітету, який «не використовує» систему антиген-розпізнавальних рецепторів тонкої специфічності В- і Т-лімфоцитів, а також чому адаптивний імунітет може суттєво відрізнятися по силі імунної відповіді на однакові антигени. Відзначені Нобелівською премією дослідження були присвячені вивченню саме цих «незрозумілих» проблем.
Природний імунітет – еволюційно значно старший і притаманний багатьом живим організмам, зокрема рослинам, комахам і, навіть, бактеріям, які мають захисні механізми проти вірусів-бактеріофагів. Специфічний (адаптивний) імунітет притаманний лише вищим тваринам – хордовим, і досягає найскладнішої організації у теплокровних тварин (птахів і ссавців).
У людини і тварин природний імунітет, який діє в першу чергу проти патогенів, забезпечується декількома рівнями захисту. Перший – це шкіра і слизові оболонки. Ці оболонки виконують не тільки бар’єрну функцію на шляху проникнення більшості патогенів, але й здатні до активного знищення більшості патогенів, наприклад, під дією низьких рН або завдяки існуванню нормальної мікрофлори, яка асоційована зі всіма покривами організму. Другий рівень природного захисту – це існуванням в біологічних рідинах організму макромолекул (в першу чергу – ензимів, або їх інгібіторів), що руйнують «чужі» макромолекули, віруси або бактерії (як, наприклад, лізоцим шкіри, слини чи сліз, що розщеплює оболонки бактерій; трансферин, що позбавляє бактерії необхідного для їх росту заліза; інтерферони, які гальмують розмноження вірусів; фосфоліпаза А2, протимікробні пептиди, комплемент тощо). Патогени, що уникли перших двох рівнів захисту і починають розмножуватися, можуть знешкоджуватися клітинами природного імунітету, до яких відносяться клітини-фагоцити (макрофаги, нейтрофіли, еозинофіли), дендритні клітини, базофіли, тучні клітини та природні клітини-кілери, які складають третій рівень захисту. Реакція системи природного імунітету на потрапляння чужого до внутрішнього середовища організму проявляється як реакція запалення. Головною функцією запалення є обмеження розповсюдження по організму чужорідних антигенів, що необхідно, в ряді випадків, для первинної локалізації інфекційного процесу. Головним механізмом знешкодження антигенів (патогенів) у вогнищі запалення є фагоцитоз, що обумовлений переважно нейтрофілами (у гостру стадію запалення) або макрофагами (у хронічну стадію запалення). Фагоцити здатні впізнавати, поглинати та руйнувати патогени навіть без участі системи адаптивного імунітету. Вони розпізнають на поверхні патогенів притаманні останнім повторювальні мотиви (так звані «regular patterns»), наприклад, пептидоглікани, хітин, тейхоєві кислоти, ліпополіцукриди тощо, за допомогою рецепторів, які називають рецепторами, що розпізнають за зразком («pattern recognition receptors»). Природний імунітет діє швидко, тому що не залежить від клонального розмноження антигенспецифічних клітин, притаманних адаптивному імунітету, і, як правило, ефективно. Тому інфекційні захворювання трапляються відносно рідко, враховуючи постійне оточення організмів різними патогенами з навколишнього середовища. Клітини природного імунітету відіграють також важливу роль у адаптивному імунітеті – деякі з них (дендритні клітини) є антиген-презентувальними клітинами, що здатні до стимуляції антиген-специфічних клітин адаптивного імунітету (Т- і В-лімфоцитів). Наявні на поверхні антиген-презентувальних клітин костимуляторні молекули є необхідними для ефективної ініціації специфічної імунної відповіді. З іншого боку, фактори специфічної імунної відповіді – антитіла підсилюють фагоцитоз та інші прояви неспецифічного імунітету. На жаль, природний імунітет не завжди може знешкодити патогени, або клітини організму, що стали злоякісними. На відміну від адаптивного імунітету, він не має структур (рецепторів) з множинною і тонкою специфічністю та позбавлений імунологічної пам’яті.
Специфічний (адаптивний або набутий) імунітет називається так тому, що він розвивається специфічно у відповідь на потрапляння до організму чужорідних структур і зберігається довгий час як „пам’ять” про попередній контакт організму з антигеном. В основі специфічності імунітету лежить унікальна властивість імунної системи – однієї з найскладніших і найважливіших систем організму: в першу чергу – можливість специфічного молекулярного розпізнавання чужорідних структур за допомогою специфічних рецепторів клітин імунної системи (В і Т-лімфоцитів), а також розчинних факторів імунітету – антитіл, які являють собою розчинну форму В-клітинного рецептора. Антитіла і рецептори В- і Т-лімфоцитів мають унікальну будову активних центрів, які забезпечують їм вибіркову специфічність по відношенню до епітопів - певних хімічних угрупувань в структурі чужорідних антигенів. Основу теорії специфічного імунітету складає клонально-селекційна теорія Ф.Бернета, згідно якої антиген є селективним чинником, що призводить до проліферації клонів специфічних до нього лімфоцитів. Специфічний імунітет може бути набутий активно, після контакту з антигеном (внаслідок контакту зі збудником або штучної імунізації) або пасивним (після перенесення клітин-пам’яті, або антитіл від одного організму до іншого). Як правило, активний імунітет зберігається протягом багатьох років, а пасивний – декілька тижнів. Отже, специфічний і неспецифічний імунітет є взаємопов’язаними ланками імунного захисту організму, які можуть активувати одна одну та взаємодіяти під час звільнення організму від патогену.
У прес-релізі Нобелівської асамблеї при Каролінському медичному інституті вказується, що лауреати цього року кардинально змінили наші уявлення про імунну систему, виявивши ключові принципи її активації. Впродовж ХХ століття ученим удалося крок за кроком прояснити багато деталей імунних механізмів. Але до робіт, виконаних нинішніми лауреатами, було неясно, як активується вроджений імунітет і як він взаємодіє з надбаним імунітетом.
Найперше з відмічених премією відкриттів зробив Жюль Хоффман в 1996 р, вивчаючи, як бореться з інфекцією фруктова муха дрозофіла. Дослідник ставив експерименти на мухах-мутантах і, зокрема, виявив, що особини з мутацією гена, що кодує особливий білок, так званий толл-подібний рецептор (TLR), не здатні опиратися інфекції. TLR був незадовго до цього відкритий німецьким дослідником Кристиані Нюсслайн-Фольхард, але вона виявила його роль в ембріональному розвитку комахи. Хоффман же показав, що цей білок виконує важливу функцію і в процесі ідентифікації і знешкодженні патогенних мікроорганізмів. Француз Жюль Хоффман – найстарший з лауреатів. Він народився 2 серпня 1941 р в Ехтернахе в Люксембурзі. Там же закінчив школу і університет, а в 1963 р перебрався до Франції та продовжив освіту в Страсбурзькому університеті. Тоді ж він почав роботу в Національному центрі наукових досліджень Франції – провідній установі країни у сфері науки. У 1969 р Хоффман захистив дисертацію, після чого два роки пропрацював в Германії в Марбургському університеті. У 1978 р він став професором зоології та загальної біології і очолив наукову робочу групу "Імунна відповідь і розвиток у комах". Учений керував цими дослідженнями до 2005 року. Паралельно, з 1993 по 2005 роки він також очолював Інститут молекулярної та клітинної біології Національного центру наукових досліджень Франції в Страсбурзі. У 2005-2006 і 2007-2008 рр Хоффман був президентом французької Академії наук.
Другий лауреат - американець Брюс Бойтлер – наймолодший з трійки лауреатів. Він народився 29 грудня 1957 р в Чикаго, штат Ілліной, але незабаром сім'я переїхала до південної Каліфорнії. Брюс закінчив школу в Пасадіні і коледж Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, потім повернувся в рідне місто і в 1981 р у віці 23 років захистив дисертацію на медичному факультеті університету Чикаго. Після цього він два роки пропрацював в Південно-західному медичному центрі Техаського університету в Далласі, а потім на три роки виїхав до Нью-Йорка, в Рокфеллерівський університет, де став професором. У 1986 р він повернувся в Даллас, в Південно-західний медичний центр Техаського університету, де пропрацював 14 років і провів ті дослідження, за які тепер і удостоївся Нобелівської премії. З 2000 р і по теперішній час Бойтлер працював в Інституті біомедичних досліджень в Ла-Хойя, штат Каліфорнія – спочатку у відділі імунології, а згодом очолив відділ генетики. Брюс Бойтлер шукав рецептор, здатний зв'язувати ліпополісахариди (LPS). Ці сполуки синтезуються бактеріями та можуть викликати вкрай гостру реакцію імунної системи аж до септичного шоку. У 1998 р учений виявив, що у мишей, резистентних до LPS, є мутація в гені, дуже схожому на той, що кодує толл-подібний рецептор в мухи-дрозофіли. Виявилось, що саме TLR і є рецепторами, що реагують на LPS. Зв'язуючись з ними, TLR активують імунну відповідь, що виявляється в запаленні або, – в особливо важких випадках – в септичному шокові. Так були відкриті сенсори активації вродженого імунітету.
Як це часто буває після присудження Нобелівської премії, відразу з’явилися критичні статті щодо премії Бойтлера. Насправді, він першим показав, що толл-подібні рецептори (TLR4) зв’язуються з ліпополісахаридами, але ще до нього першими, хто показав участь TLR4 у активації природного імунітеті, були Чарлз Джейнвей та його учень Руслан Меджітов.
Третім лауреатом став Ральф Стейнман. У 1973 році він відкрив так звані дендритні клітини. Учений висловив гіпотезу, що ці клітини здатні активувати Т-лімфоцити, що відіграють ключову роль у формуванні надбаного (адаптивного) імунітету та імунологічної пам'яті. Свою гіпотезу дослідник підтвердив в дослідах на культурах клітин. Спочатку результати його роботи не були сприйняті науковою спільнотою, але учений продемонстрував скептикам, що саме дендритні клітки володіють унікальною здатністю активувати Т-лімфоцити. Більше того, згодом він показав, що дендритні клітки отримують сигнали від вродженої імунної системи і на їх основі здійснюють регуляцію надбаної імунної системи, визначаючи інтенсивність імунної відповіді. Ральф Стейнман народився 14 січня 1943 р в Канаді, в Монреалі. Там же закінчив школу і університет МакГілла, а в 1963 р переїхав в США і продовжив освіту на медичному факультеті Гарвардського університету в Бостоні. Два роки опісля захисту у 1968 р дисертації молодий учений поступив на роботу в Рокфеллерівський університет в Нью-Йорку. З цією всесвітньо відомою науковою установою, що спеціалізується на фундаментальних дослідженнях в біології і медицині, зв'язана вся подальша діяльність Стейнмана, – тут він виконав роботи, удостоєні тепер Нобелівської премії, тут він в 1988 р став професором, тут в 1998 р очолив Центр імунології й імунних хвороб. На жаль, вчений помер 30 вересня 2011 р від раку підшлункової залози за три дні до оголошення про присудження премії.
Відкриття, зроблені вченими, що відзначені Нобелівською премією 2011 року, дійсно є дуже важливими не тільки для подальшого розвитку науки, але й для розробки нових підходів до лікування та профілактики різноманітних захворювань. Оскільки вроджений імунітет відіграє важливу роль в патогенезі атеросклерозу та інших судинних захворювань, то не стало несподіванкою те, що толл-подібні рецептори здатні впливати на процеси, що відбуваються при атеросклерозі. Попередні дослідження показали, що рецептори TLR1, TLR2 та TLR4 експресуються в атеросклеротичних бляшках мишей і людини, а також беруть участь у патогенезі атеросклерозу у мишей. Подальше дослідження ролі TLR в розвитку атеросклерозу дозволить розробити нові препарати для протистояння цьому захворюванню.
На сьогоднішній день активно розвивається напрямок створення вакцин для внутрішньошкірної або епікутанеозної (поверхневої шкірної) імунізації, які спрямовані на активацію певних субпопуляцій дендритних клітин. Відомості про те, що клітини Лангерганса здатні ініціювати Т-клітинну імунну відповідь, відкривають можливості для підсилення цієї відповіді у випадку спрямування антигенів до рецепторів ендоцитозу на поверхні цих клітин. Такий підхід може дати неабиякі результати при лікуванні онкологічних та інфекційних захворювань різної етіології. Антигени пухлин або інфекційних агентів можуть бути спрямовані до рецепторів-мішеней на дендритних клітинах, наприклад, CD14 або CD36, які здатні підсилювати імунну відповідь. На сьогоднішній день більшість досліджень ефективності застосування цих підходів проводяться на мишачих експериментальних моделях, але поступово починають залучати і людські. Першим важливим кроком подібних досліджень є детальна характеристика субпопуляцій дендритних клітин шкіри, які активуються антитілами проти DEC-205, лангерину або інших антигенів, а кінцевою метою є впровадження отриманих результатів у клінічну практику та проведення клінічних випробувань нового покоління вакцин.
С.І. Романюк, С. В.Комісаренко.
Відділ молекулярної імунології Інституту біохімії ім.О.В.Палладіна НАН України
Cтаттю опубліковано у ж. «Вісник Національної академії наук», 2012. - №1.