Імунна система: як твій організм бореться з мікробами й запам'ятовує їх

Організм під постійною охороною

З кожним вдихом, кожним шматком їжі та кожним предметом, якого ти торкаєшся, до тебе потрапляють мікроби. Більшість із них нешкідливі, а багато навіть корисні, проте деякі є патогенами: вірусами, бактеріями, грибами й паразитами, що можуть спричиняти хвороби. Ми не хворіємо постійно завдяки імунній системі — мережі органів, клітин і молекул, яка захищає організм від хвороб.

Завдання імунної системи надзвичайно різноманітні. Вона має виявляти загарбників, несхожих один на одного, як крихітний вірус і паразитичний черв'як, що в багато разів більший за людську клітину. Вона також дає раду власним клітинам організму, коли ті перетворюються на ракові, і стороннім тілам, як-от дерев'яній скалці. А передусім вона мусить відрізняти все це від здорових тканин самого організму, щоб атакувати небезпечне й не чіпати решту.

У людини та багатьох інших тварин імунна система складається з двох великих частин. Вроджена імунна система реагує швидко, даючи готову відповідь на цілі групи загроз. Адаптивна (набута) імунна система вмикається повільніше, зате формує відповідь, скроєну під кожного конкретного загарбника, і запам'ятовує тих, із ким уже стикалася. Обидві спираються на спеціалізовані клітини й молекули та постійно працюють разом.

Перша лінія оборони: бар'єри

Найпростіший спосіб запобігти інфекції — взагалі не пустити мікроби всередину. Організм оточений фізичними, хімічними та біологічними бар'єрами, які саме це й роблять.

• Шкіра — міцна водонепроникна стіна. Її зовнішній шар складається з мертвих клітин, які постійно злущуються й забирають із собою мікроби, а її поверхня злегка кисла, що не до вподоби багатьом бактеріям.
• Слизові оболонки вистилають ніс, рот, дихальні шляхи та кишечник. Липкий слиз затримує частинки, а в дихальних шляхах крихітні волоскоподібні структури — війки — проштовхують його вгору, щоб його можна було проковтнути або відкашляти.
• Хімічний захист — це, зокрема, сильна кислота в шлунку, яка вбиває багато проковтнутих мікробів, і ферменти, такі як лізоцим у сльозах і слині, здатні руйнувати стінки деяких бактерій.
• Дружні мікроби, що живуть на шкірі та в кишечнику, займають місце й поживні речовини, тож шкідливим видам важче там оселитися.

Рефлекси, як-от кашель і чхання, і навіть промивна дія сечі також допомагають позбутися непроханих гостей. Коли патоген усе ж долає ці бар'єри, наприклад через поріз, у справу вступає наступна лінія оборони.

Вроджений імунітет: швидкий і завжди напоготові

Вроджена імунна система — це команда швидкого реагування організму. Вона є від народження, діє протягом хвилин або годин і щоразу реагує майже однаково, зустрівши певний тип загрози.

Розпізнати небезпеку

Клітини вродженого імунітету мають рецептори, що розпізнають молекулярні візерунки, спільні для великих груп мікробів, але відсутні в наших власних клітинах, — наприклад, складники клітинних стінок бактерій або певні форми вірусного генетичного матеріалу. Найвідоміші з цих сенсорів — Toll-подібні рецептори. Клітини також уловлюють сигнали, які виділяють пошкоджені або відмираючі клітини організму, і це попереджає їх, що щось пішло не так, ще до того, як мікроб розпізнано.

Клітини, що поїдають загарбників

Деякі білі кров'яні тільця є фагоцитами — від грецьких слів, що означають «клітини, які їдять». Вони поглинають мікроби та уламки клітин і знищують їх усередині себе. Нейтрофіли, найпоширеніший тип білих кров'яних тілець у крові людини, у великій кількості поспішають до інфікованих ділянок. Макрофаги більші й живуть довше; вони прибирають мертві клітини та надсилають хімічні сигнали, що скликають інших захисників. Дендритні клітини теж ковтають загарбників, але їхнє найважливіше завдання — віднести їхні фрагменти до лімфатичних вузлів і показати адаптивній імунній системі.

Ще одна клітина вродженого імунітету, природний кілер (NK-клітина), мікробів не поїдає. Натомість вона перевіряє власні клітини організму й знищує ті, що виглядають ненормально, як-от клітини, заражені вірусами, або деякі пухлинні клітини.

Запалення і гарячка

Коли тканину поранено або інфіковано, імунні клітини виділяють хімічні посередники, які спричиняють запалення. Кровоносні судини розширюються й стають проникнішими, тож до ділянки надходить більше крові, рідини та захисних клітин. Так виникають класичні ознаки, відомі ще з античних часів: почервоніння, жар, набряк і біль. Хоч яке неприємне запалення, воно свідчить, що оборона працює.

Деякі з цих посередників діють і на мозок та підвищують температуру тіла, викликаючи гарячку. Вища температура може сповільнювати ріст деяких патогенів і пришвидшує певні імунні реакції.

Система комплементу

У крові є також група білків, що називається системою комплементу. Активувавшись, вони запускають ланцюгову реакцію: обволікають мікроби, щоб фагоцитам було легше їх схопити, приваблюють імунні клітини й навіть можуть пробивати отвори в мембранах деяких бактерій.

Адаптивний імунітет: організм навчається

Саме адаптивна імунна система робить імунітет по-справжньому особистим. Її головні дійові особи — білі кров'яні тільця, які називаються лімфоцитами. Вони бувають двох основних типів: B-лімфоцити і T-лімфоцити. Обидва утворюються в кістковому мозку. B-лімфоцити там і дозрівають, а T-лімфоцити вирушають до тимуса — невеликого органа в грудній клітці, — щоб завершити розвиток; звідси й літера «T».

Кожен лімфоцит несе рецептори, що розпізнають одну певну молекулярну форму, яка називається антигеном. Оскільки гени цих рецепторів під час розвитку кожної клітини розрізаються й перетасовуються, організм зрештою має величезне розмаїття лімфоцитів, кожен з іншим рецептором. Разом вони здатні розпізнати неймовірно широкий спектр форм, зокрема й ті, з якими організм ніколи не стикався. Коли лімфоцит зустрічає свій антиген, він швидко розмножується, утворюючи армію однакових клітин, націлених на ту саму мішень. Цей процес називається клональною селекцією.

Лімфоцити циркулюють кров'ю та лімфатичною системою — мережею судин і сотень маленьких бобоподібних лімфатичних вузлів. Селезінка й лімфатичні вузли слугують місцями зустрічі, де лімфоцити можуть натрапити на антигени, принесені дендритними клітинами. Ось чому під час болю в горлі лімфатичні вузли на шиї можуть збільшуватися й ставати болючими: там розмножуються імунні клітини.

B-лімфоцити й антитіла

Активовані B-лімфоцити перетворюються на плазматичні клітини, які виділяють велику кількість антитіл — Y-подібних білків, що плавають у крові та інших рідинах організму. Кінчики літери Y пасують до певного антигену, як ключ до замка. Антитіла можуть не дати вірусу проникнути в клітини, склеювати бактерії між собою, знешкоджувати токсини й позначати загарбників, щоб їх знищили фагоцити та система комплементу. У ссавців є п'ять основних класів антитіл — IgG, IgA, IgM, IgD та IgE, — кожен із яких пристосований до різних завдань і місць в організмі.

T-лімфоцити

T-лімфоцити не здатні розпізнавати вільні антигени. Натомість вони оглядають фрагменти білків, які інші клітини виставляють на своїй поверхні за допомогою особливих молекул — головного комплексу гістосумісності (MHC). T-хелпери діють як координатори: вони виділяють сигнали, що активують B-лімфоцити, макрофаги та інші T-лімфоцити. Цитотоксичні T-лімфоцити — це вбивці: вони знаходять клітини організму, заражені вірусами, або деякі ракові клітини й наказують їм самознищитися. Інші T-лімфоцити допомагають заспокоїти імунну відповідь, коли загроза минула.

Імунологічна пам'ять

Після того як інфекцію подолано, більшість розмножених лімфоцитів гине, але деякі лишаються як довговічні клітини пам'яті. Якщо той самий патоген повертається, ці клітини реагують набагато швидше й сильніше, ніж першого разу, і часто знищують його ще до появи будь-яких симптомів. Ось чому на такі хвороби, як вітряна віспа, люди зазвичай хворіють лише раз. Під час першої зустрічі з мікробом на повноцінну адаптивну відповідь зазвичай ідуть дні; із другою зустріччю організм може впоратися значно швидше.

Вакцини: тренування без хвороби

Вакцинація свідомо використовує імунологічну пам'ять. Вакцина знайомить імунну систему з нешкідливою версією або частиною патогена — наприклад, з ослабленим чи вбитим мікробом, окремим білком або генетичною інструкцією для його виготовлення. Організм створює клітини пам'яті, не переживаючи самої хвороби.

Цю історію часто ведуть від англійського лікаря Едварда Дженнера. 1796 року він показав, що матеріал із коров'ячої віспи, легкої хвороби, може захистити людину від натуральної віспи — однієї з найсмертоносніших хвороб в історії. Слово «вакцина» походить від латинського слова, що означає корову, — vacca. Майже через два століття всесвітня кампанія вакцинації дала змогу Всесвітній організації охорони здоров'я 1980 року оголосити віспу знищеною — це була перша хвороба людини, яку вдалося викорінити.

Вакцини захищають і тих, кого не можна вакцинувати, наприклад зовсім маленьких немовлят або людей з ослабленою імунною системою. Коли в спільноті достатньо людей з імунітетом, патогену важко поширюватися; цей ефект називають колективним імунітетом.

Коли імунна система помиляється

Такий потужний захист потребує ретельного контролю. Під час розвитку лімфоцитів ті з них, що сильно реагують на власні молекули організму, здебільшого знищуються або вимикаються; цей процес називається імунологічною толерантністю. Проблеми виникають, коли система реагує надто сильно, не на ту мішень або надто слабко.

• Алергії виникають, коли імунна система надмірно реагує на нешкідливі речовини, як-от пилок, пилові кліщі чи певні продукти. Антитіла IgE змушують клітини виділяти гістамін та інші речовини, що спричиняють чхання, свербіж, набряк або, у рідкісних тяжких випадках, небезпечну реакцію — анафілаксію.
• Автоімунні хвороби трапляються, коли імунна система атакує власні тканини організму. Наприклад, при цукровому діабеті 1 типу вона руйнує клітини підшлункової залози, які виробляють інсулін; при ревматоїдному артриті — атакує суглоби.
• Імунодефіцити виникають, коли частина імунної системи відсутня або ослаблена. Деякі люди народжуються з ними, інші набувають їх. ВІЛ, наприклад, заражає та знищує T-хелпери, і без лікування це призводить до СНІДу, за якого організм уже не може добре боротися з інфекціями.

Лікарям доводиться керувати імунною системою й після пересадки органів. Оскільки новий орган несе чужі молекули MHC, T-лімфоцити реципієнта можуть його атакувати, тому пацієнти приймають ліки, що пригнічують імунну відповідь.

Дивовижні факти про імунітет

• Морська зірка і колючка. Зоолог Ілля Мечников відкрив фагоцитоз у 1880-х роках: він вколював маленькі колючки в прозорі личинки морської зірки й спостерігав, як навколо них збираються рухливі клітини. 1908 року він розділив Нобелівську премію з фізіології або медицини з Паулем Ерліхом, який досліджував антитіла.
• Імунітет починається ще до народження. Деякі антитіла (IgG) проходять крізь плаценту від матері до дитини, а грудне молоко постачає антитіла IgA, які захищають кишечник малюка. Цей позичений захист триває лише перші місяці життя.
• Тимус із віком зменшується. Він найактивніший у дитинстві, а після статевого дозрівання поступово меншає й заміщується жиром, проте дорослі зберігають великий запас T-лімфоцитів, утворених раніше в житті.
• Навіть бактерії мають імунну систему. Багато бактерій зберігають уривки вірусної ДНК і використовують їх, щоб розпізнати й розрізати ці віруси, якщо ті нападуть знову. Науковці перетворили цю систему, що називається CRISPR, на відомий інструмент редагування генів.
• Не всі хребетні використовують антитіла. Безщелепні риби, як-от міноги, мають адаптивну імунну систему, що ґрунтується на зовсім іншому типі рецепторів, — отже, природа винаходила адаптивний імунітет не один раз.
• Боротьба з раком за допомогою імунітету. Сучасні препарати імунотерапії знімають «гальма» з T-лімфоцитів, щоб ті могли атакувати пухлини. Джеймс Еллісон і Тасуку Хондзьо отримали Нобелівську премію з фізіології або медицини 2018 року за відкриття, які уможливили таке лікування.

Як підтримати міцний захист

Імунна система працює найкраще, коли решта організму здорова. Достатній сон, збалансоване харчування з належною кількістю вітамінів і мінералів, фізична активність і своєчасні рекомендовані щеплення — усе це її підтримує. Прості звички, як-от миття рук, до того ж зменшують кількість мікробів, з якими імунній системі взагалі доводиться мати справу.

Від кислоти в шлунку до клітин пам'яті, що можуть жити десятиліттями, імунна система — це багатошаровий захист, який безперервно навчається. Вона розпізнає майже безмежне розмаїття загроз, пам'ятає минулі битви й усе ж здебільшого примудряється не чіпати власних клітин організму.