Имунитет
💉 На 14 май 1796 г. английският селски лекар Едуард Дженър одрасква ръката на осемгодишния Джеймс Фипс и втрива в раничката гной от мехурче по ръката на доячка, болна от кравя шарка – лека болест, която хората хващат от кравите. Шест седмици по-късно Дженър прави нещо, което днес никой лекар не би си позволил: заразява момчето с истинска едра шарка. Джеймс не се разболява. Едрата шарка по оценки е убила стотици милиони хора само през XX век, а през 1980 г. Световната здравна организация обявява, че я няма вече никъде на Земята. Как тялото „помни“ болест, която никога не е имало?
1. Три линии на защита
Около нас и в нас живеят безброй , , и . Повечето са безвредни или полезни, но някои са . Имунната система – клетки, органи и вещества, които разпознават и унищожават чуждото – ги държи настрана. Тя действа на три нива:
| Бариери | Вроден имунитет | Придобит имунитет | |
|---|---|---|---|
| примери | кожа, лигавици и слуз, стомашна киселина, лизозим в сълзите | фагоцити, възпаление, комплемент, интерферони, NK клетки, треска | B-лимфоцити и антитела, T-лимфоцити |
| специфичност | няма | разпознава общи белези на микробите | всеки лимфоцит – един-единствен антиген |
| скорост | винаги на място | минути до часове | дни (първия път около седмица) |
| памет | няма | почти няма | има – втория път е бърз и силен |
Клетките на имунната система са . Всички те започват живота си в червения костен мозък. B-лимфоцитите узряват там, а T-лимфоцитите отиват да „учат“ в тимуса – жлеза зад гръдната кост, която е най-голяма в детството. Тези два органа са първичните лимфоидни органи. Във вторичните – лимфните възли, далака, сливиците, лимфоидната на червата – лимфоцитите срещат антигените. Затова при гърлобол „подуват“ възлите на шията: в тях се размножават лимфоцити. ги носи из тялото.
2. Вроденият имунитет
Вроденият имунитет се ражда с нас и действа веднага. Той не разпознава точно този щам грип, а общи белези, които имат много микроби и нямат нашите клетки – например вещества от стената на бактериите или двуверижна РНК на вирусите. Затова реагира еднакво бързо и при първата, и при десетата среща.
Клетки и вещества на вродения имунитет
Фагоцитозата е открита през 1882 г. от Иля Мечников: той забожда трън от роза в прозрачна на морска звезда и на сутринта вижда, че трънът е обграден от подвижни клетки, които „ядат“ чуждото. Как клетката поглъща частици, виж в Мембрана и транспорт ().
Когато се порежеш или в раната влязат бактерии, започва възпаление. Мастоцитите отделят хистамин, който разширява капилярите и ги прави по-пропускливи: кръвта приижда, плазмата излиза в тъканта и неутрофилите се промушват през стените на съдовете към микробите. Затова възпалението има четири белега, описани още от римлянина Целз преди около 2000 години: зачервяване, затопляне, подуване и болка. Гнойта е мъртви неутрофили и бактерии. Ако микробите влязат в кръвта, пирогените предизвикват треска.
Пример
Защо при настинка носът „тече“, а при порязване мястото се зачервява и подува?
- При настинка лигавицата на носа е възпалена: хистаминът и други вещества разширяват съдовете и правят стените им пропускливи.
- Жлезите отделят повече слуз, а през стените на капилярите излиза течност – тя изтича от носа и отмива вирусите.
- При порязване разширените съдове носят повече кръв (зачервяване и затопляне), течността излиза в тъканта (подуване) и дразни нервните окончания (болка).
- Това не е „повреда“, а защита: така фагоцитите и белтъците на плазмата бързо стигат до мястото на нахлуването.
3. Придобитият имунитет: антигени и лимфоцити
Придобитият (специфичният) имунитет се изгражда след среща с конкретен микроб. Антиген е всяко вещество, което лимфоцитите могат да разпознаят – обикновено или от повърхността на микроб, отрова, полен, чужда клетка. Лимфоцитът не разпознава цялата молекула, а малко участъче от нея – епитоп. Един микроб има много антигени, а всеки антиген – много епитопи.
B- и T-лимфоцити
MHC (главният комплекс на тъканната съвместимост, при човека наричан HLA) са белтъци-„витрини“ върху клетките. MHC клас I има почти всяка клетка с ядро: тя непрекъснато показва на повърхността си парченца от собствените си белтъци. Ако в клетката се размножава вирус, на витрината се появяват вирусни пептиди и T-убиецът я унищожава. MHC клас II имат само антиген-представящите клетки – макрофагите, дендритните клетки и B-лимфоцитите: те поглъщат микроби и показват парчетата им на T-хелперите. Така вроденият и придобитият имунитет са свързани: дендритната клетка улавя микроба в тъканта, носи го в лимфния възел и там „запалва“ T-хелперите.
Най-трудната задача на лимфоцитите е да не нападат собственото тяло. В тимуса T-лимфоцитите, които биха реагирали силно на собствените белтъци, загиват – повечето от новите T-клетки там не оцеляват. Тази имунна толерантност понякога се проваля, и тогава идват автоимунните болести.
4. Антителата
Антителата (имуноглобулини, Ig) са Y-образни белтъци. Всяко е сглобено от четири вериги – две тежки и две леки, свързани с дисулфидни мостове. Двата върха на „Y“ са променливата част: тя е различна при всеки клон B-лимфоцити и пасва на един епитоп като ключ на ключалка. Затова едно антитяло хваща две еднакви молекули антиген. Опашката (постоянната част) определя класа и какво ще последва.
| Клас | Форма | Къде и за какво |
|---|---|---|
| IgM | пентамер (5 „Y“) | първи при първичния отговор; 10 върха – силно слепва микробите |
| IgG | мономер | най-много в кръвта; главен при вторичния отговор; минава през плацентата |
| IgA | главно димер | в слюнката, сълзите, слузта на червата и в майчиното мляко |
| IgE | мономер | закрепено на мастоцитите; срещу паразитни червеи и при алергии |
| IgD | мономер | рецептор по мембраната на наивните B-лимфоцити |
Антителата рядко убиват сами. Те неутрализират – покриват вируса или отровата и те не могат да се закачат за клетките; слепват микробите на бучки (аглутинация) и ги белязват – фагоцитите и комплементът разпознават опашките на антителата. Слепването на от антитела е причината за опасността при погрешно кръвопреливане – за и виж в Кръв и кръвообращение и Генетика на човека.
Пример
В тялото има около 20 000 гена, а различните антитела са милиарди. Откъде идва това разнообразие?
- Генът за тежката верига не е готов, а е на парчета: при човека има около 40 работещи V, 25 D и 6 J сегмента (числата се различават по източници).
- Всеки B-лимфоцит при узряването си изрязва ДНК и съединява по един V, D и J: варианта.
- Леката верига (κ или λ) се сглобява от V и J: около варианта. Заедно: .
- При съединяването се губят и добавят нуклеотиди наслуки, а по-късно и точкови мутации – разнообразието става над . За това откритие Сусуму Тонегава получава Нобелова награда през 1987 г.
5. Клонална селекция и памет
Разнообразието на рецепторите се създава преди срещата с микроба – наслуки. Всеки лимфоцит има рецептори само от един вид. Когато в тялото влезе антиген, той се свързва с малкото лимфоцити, чиито рецептори му пасват, и само те се размножават. Идеята е на австралиеца Франк Макфарлейн Бърнет (1957 г.) и е много близка до от Естествен отбор: разнообразие наслуки, после отбор и размножаване на пасващите.
Клонална селекция
От милионите различни B-лимфоцити само клонът с рецептор, който пасва на епитопа (тук – № 20), се свързва с антигена. Другите остават незасегнати – антигенът „избира“ клона, а не го създава.
💡 Моделът: рецепторът и епитопът пасват, когато зъбчетата и вдлъбнатините се допълват. Активираният лимфоцит се дели около два пъти на ден (грубо), 9 от 10 дъщерни клетки стават плазмени и всяка прави около 2000 антитела в секунда (оценките варират). Истинските клонове са не 27, а милиони до милиарди: тежката верига се сглобява от около 40 V, 25 D и 6 J гена (6000 начина), леката – по около 320 начина; заедно 6000 · 320 ≈ 1,9 милиона, а неточните съединения добавят още много пъти повече.
При първата среща нужните лимфоцити са малко и докато се размножат, минават около седмица – болестта има време да се развие (първичен отговор). Първо се появява IgM, а по-късно – IgG. При втората среща срещу антигена чакат хиляди клетки на паметта: вторичният отговор идва след 2–3 дни, прави главно IgG и е много пъти по-силен. По време на отговора B-лимфоцитите в лимфните възли мутират рецепторите си и се отбират тези, които хващат антигена най-здраво – затова антителата при вторичния отговор и пасват по-добре.
Вторичен отговор: клетките на паметта реагират след 2–3 дни и правят почти само IgG – около 86 пъти повече, отколкото при първата среща. Затова втори път човек обикновено не се разболява. На този принцип работят ваксините и реваксинациите.
💡 Моделът: при първа среща синтезът на IgM е най-силен около 8-ия ден, а на IgG – около 14-ия; при втора среща със същия антиген клетките на паметта правят IgG още на 5–7-ия ден. Антителата се разграждат с полуживот около 5 дни (IgM) и около 21 дни (IgG). Скалата е логаритмична: всяко деление е 10 пъти повече. В деня на второто срещане от първия отговор са останали 24 единици IgG. Числата са условни – при различните антигени и хора те силно се различават, но формата на кривите е типична.
6. Ваксини и колективен имунитет
Имунитетът може да е активен – тялото само прави антитела и клетки на паметта (след преболедуване или ваксина), или пасивен – получава готови антитела. Пасивният действа веднага, но изчезва за седмици до месеци, защото антителата се разграждат, а памет няма. Естествен пасивен имунитет е IgG, минал през , и IgA в майчиното мляко; изкуствен – серум с антитела срещу змийска отрова или тетанус.
Ваксина
Думата „ваксина“ идва от латинското vacca – крава, в памет на Дженър. Сто години по-късно Луи Пастьор прави ваксини срещу антракс и бяс, а за ваксините Каталин Карико и Дрю Вайсман получават Нобелова награда през 2023 г. Повечето ваксини се правят на няколко дози: втората (реваксинация) предизвиква вторичен отговор и много повече клетки на паметта.
Ваксината пази не само ваксинирания. Нека един болен заразява средно души, когато всички около него са податливи (основно репродуктивно число). Ако част от хората са имунни, той заразява по-малко – , където е делът на имунните. Когато , всяко поколение болни е по-малко от предишното и епидемията угасва.
Праг на колективния имунитет
R = R₀ · (1 − обхват · ефективност) = 2,5 · (1 − 0,40 · 0,95) = 1,55
R = 1,55 > 1 – епидемията тръгва. За да спре, трябва ваксинирани поне 63,2 % от хората. Обърни внимание: дори под прага всяка ваксинация намалява и пика, и общия брой болни.
💡 Моделът SIR: всеки болен е заразен 7 дни и заразява средно R₀ души, ако всички около него са податливи; ваксинираните и защитени започват направо като имунни. Прагът на колективния имунитет е 1 − 1/R₀ – тогава всеки болен заразява средно по-малко от един човек. Стойностите на R₀ за болестите са примерни: различните изследвания дават различни числа (за морбили обикновено 12–18, за сезонния грип – около 1,2–2), а R₀ зависи и от това колко гъсто и как живеят хората. Населението е смесено равномерно и затворено – истинските епидемии са по-сложни.
Пример
За полиомиелита R₀ е около 5–7 (по различни оценки). Какъв е прагът на колективния имунитет?
- При :
- При :
- Колкото по-заразна е болестта, толкова по-близо до 100 % трябва да е обхватът – при морбили (R₀ около 12–18) над 92–94 %.
7. Когато имунитетът греши
Алергията е силен отговор срещу безвреден антиген (алерген) – полен, прах, ядки, отрова на пчела. При първата среща се образуват IgE, които се закачат за мастоцитите. При следващата среща алергенът свързва тези IgE и мастоцитите изсипват хистамин: кихане, сълзене, сърбеж, при астма – свиване на . Най-опасната форма е анафилактичният шок: съдовете се разширяват в цялото тяло и налягането пада. Спасява го инжекция с .
При автоимунните болести толерантността се проваля и имунната система напада собствени клетки. Примери са тип 1 (разрушават се β-клетките на ), (обвивките на нервните влакна) и ревматоидният артрит (ставите).
При трансплантация присадката – , , сърце – носи чужди MHC (HLA) белтъци и T-лимфоцитите я отхвърлят. Затова се търси донор с възможно най-близки HLA (най-често роднина), а пациентът пожизнено пие лекарства, които потискат имунитета – и става по-уязвим за инфекции. Роговицата на окото почти няма съдове и обикновено се присажда без проблеми.
8. ХИВ и СПИН
ХИВ (вирусът на човешкия имунен дефицит) е – виж Микроорганизми. Той се закача за белтъка CD4 и влиза главно в T-хелперите – диригентите на целия придобит имунитет. Вирусната пренаписва РНК в ДНК и тя се вгражда в на клетката. Години наред човек може да няма оплаквания, но броят на T-хелперите бавно спада. Под около 200 в микролитър кръв (при здрав човек – обикновено 500–1500) настъпва СПИН – синдромът на придобитата имунна недостатъчност: човек умира от инфекции и тумори, които здравата имунна система лесно спира.
Ваксина срещу ХИВ все още няма: вирусът мутира много бързо, защото обратната транскриптаза греши често, и непрекъснато сменя антигените си. Съвременните лекарства (антиретровирусна терапия) обаче спират размножаването му: днес лекуваният човек с ХИВ може да живее почти колкото здравия, а при неоткриваемо количество вирус в кръвта не го предава по полов път.
9. Имунитет при другите организми
Вроден имунитет имат всички многоклетъчни – и растенията, и насекомите. Растенията нямат подвижни имунни клетки: заразената клетка често сама загива заедно с микроба, а сигналите предупреждават останалата част от растението. Насекомите имат фагоцити и много антимикробни пептиди. Придобит имунитет с антитела, B- и T-лимфоцити и MHC има само при челюстноустите – от акулите до човека. Дори бактериите имат своя „имунна памет“: системата пази парчета от ДНК на , които са ги нападали, и разпознава следващото им нападение – тя е в основата на генната редакция от Биотехнологии.
10. Тренажор
Праг на колективния имунитет, ефективно R, растеж на клон, на антителата, верижно заразяване и от V, D и J .
Един активиран B-лимфоцит се дели на всеки 6 часа. Колко клетки има клонът след 2 дни?
11. Имунитетът в числа
🔴 Морбили
Един болен от морбили заразява средно около 15 души, ако никой не е имунен. Две дози от ваксината пазят около 97 % от ваксинираните. Какъв процент от хората трябва да са имунни, за да не може болестта да се разпространява? Какъв трябва да е ваксиналният обхват?
🍼 Антителата на мама
Новороденото има в кръвта си IgG от майката (минали през плацентата) – 1600 единици срещу даден вирус. Полуживотът на IgG е около 21 дни, а за защита са нужни поне 100 единици. След колко дни бебето остава без тази защита?
🧬 Фабрика за антитела
Един B-лимфоцит се активира и 5 дни се дели на всеки 12 часа. 90 % от клетките стават плазмени и всяка прави около 2000 антитела в секунда. Колко клетки има клонът? Колко милиарда антитела на час правят плазмените клетки?
📈 Огнище
В затворен лагер един болен заразява средно 3 души, а между две поколения на заразяване минават около 5 дни. Колко нови болни ще има в 6-ото поколение (след около месец), ако всичко започва от един човек и никой не е имунен? Колко са заболелите общо, заедно с първия?
🩸 ХИВ без лечение
Здравият човек има около 1000 T-хелпера (CD4 клетки) в микролитър кръв. При нелекувана ХИВ инфекция в този пример те намаляват с около 60 на година, а под 200 в микролитър се казва, че човек е болен от СПИН. След колко години се стига дотам?
💉 Недостатъчен обхват
За една болест R₀ = 4. Ваксинирани са 70 % от хората, а ваксината пази 90 % от тях. Ще спре ли епидемията? Какъв обхват е нужен?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
12. ⚠️ Чести грешки
Антибиотици и вируси
✗ Антибиотиците помагат при грип и настинка.
✓ Антибиотиците действат на бактериите. Срещу вирусите не помагат, а безразборната им употреба създава устойчиви бактерии.
Антиген и антитяло
✗ Антигенът е това, което тялото произвежда срещу микроба.
✓ Антигенът е чуждото, което се разпознава; антитялото е белтъкът, който тялото прави срещу него.
Кой се учи
✗ Лимфоцитите сменят рецептора си така, че да пасне на новия микроб.
✓ Рецепторите се създават наслуки преди срещата; антигенът само избира пасващия клон (клонална селекция).
Ваксина и лекарство
✗ Ваксината лекува вече започнала болест.
✓ Ваксината подготвя имунната система предварително. Готови антитела (пасивен имунитет) могат да помогнат и след заразяване.
Колективен имунитет
✗ Щом аз съм ваксиниран, другите не ме засягат.
✓ Под прага 1 − 1/R₀ болестта се разпространява и стига до тези, които не могат да се ваксинират или при които ваксината не е подействала.
ХИВ и СПИН
✗ ХИВ и СПИН са едно и също.
✓ ХИВ е вирусът; СПИН е последният стадий на нелекуваната инфекция, когато T-хелперите са много малко.
13. 🎯 Бърз тест
Кое е част от вродения (неспецифичния) имунитет?
14. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
15. Обобщение
- ✓ Три линии на защита: бариери (кожа, лигавици), вроден имунитет (фагоцити, възпаление, комплемент, интерферони) и придобит имунитет (лимфоцити)
- ✓ Възпалението: хистамин → разширени и пропускливи капиляри → зачервяване, затопляне, подуване, болка
- ✓ Антигенът се разпознава по епитопите си; B-лимфоцитите → плазмени клетки → антитела (хуморален имунитет)
- ✓ T-хелперите (CD4) координират, T-убийците (CD8) убиват заразени клетки, разпознати по MHC клас I (клетъчен имунитет)
- ✓ Антитяло: 2 тежки + 2 леки вериги; IgM първо, IgG – най-много и минава през плацентата, IgA – в секретите, IgE – алергии
- ✓ Клонална селекция: рецепторите се създават наслуки, антигенът избира и размножава пасващия клон; остават клетки на паметта
- ✓ Вторичният отговор е по-бърз, по-силен и главно с IgG – на това се основават ваксините
- ✓ ; прагът на колективния имунитет е
- ✓ Алергии (IgE, хистамин), автоимунни болести, отхвърляне на присадки (HLA); ХИВ унищожава T-хелперите → СПИН
💡 Интересен факт
Почти 80 години преди Дженър, през 1717 г., лейди Мери Уортли Монтегю, съпруга на британския посланик в Цариград, описва в писмо как местни жени отварят малка драскотина и поставят в нея гной от лек случай на едра шарка. Заразените така обикновено боледуват леко и после са защитени. Самата тя е преболедувала едра шарка и има белези по лицето, затова прави процедурата на сина си, а след връщането си в Англия я популяризира. Тази вариолация е рискована – понякога човек умира от истинска шарка, – и ваксината на Дженър с безопасната кравя шарка постепенно я измества.