Kolejna warstwa ochronna, czyli adaptacyjny układ odpornościowyCzas czytania: 11 min

Od redakcji „Evolution News & Science Today”: Lekarze należą do grupy osób szczególnie zainteresowanych argumentacją na rzecz projektu – być może dlatego że w odróżnieniu od biologów ewolucyjnych lepiej zdają sobie sprawę z wyzwań związanych z utrzymywaniem funkcjonalności złożonego systemu, jakim jest ludzkie ciało. Mając to na uwadze, z przyjemnością przedstawiamy cykl tekstów zatytułowany „The Designed Body” [Zaprojektowane ciało]. Wszystkie artykuły opublikowane w tym cyklu można znaleźć na stronie „Evolution News & Science Today”. Doktor Glicksman praktykuje medycynę paliatywną w hospicjum.

Organizm człowieka jest nieustannie atakowany przez groźne drobnoustroje, które przejęłyby nad nim kontrolę, gdyby im na to pozwolono. Jego pierwszą linię obrony stanowią skóra i nabłonki wyściełające układ oddechowy, pokarmowy i moczowo-płciowy. Jeśli drobnoustroje sforsują tę barierę, muszą się zmierzyć z układem odpornościowym organizmu. Układ odpornościowy składa się z dwóch podsystemów – wrodzonego układu odpornościowego, reagującego identycznie za każdym razem, gdy napotyka intruza, oraz adaptacyjnego układu odpornościowego, który wykształca się z czasem i reaguje na zagrożenia w pewien określony sposób.

Bez wspomnianej pierwszej linii obrony oraz obu podsystemów układu odpornościowego nasi praprzodkowie nie dożyliby wieku rozrodczego. W innych artykułach omówiłem czynności komórek i białek wrodzonego układu odpornościowego¹. Jednak same nie są one w stanie ochronić organizmu przed chorobotwórczymi drobnoustrojami. Dlatego teraz przyjrzymy się adaptacyjnemu układowi odpornościowemu, który zapewnia dodatkowe informacje, siłę rażenia i precyzję na polu walki, dzięki czemu stanowi wsparcie dla całościowo pojmowanego układu odpornościowego.

Wytwarzane przez szpik kostny komórki adaptacyjnego układu odpornościowego to tak zwane limfocyty. Limfocyty B (komórki B) pozostają i dojrzewają w szpiku kostnym, a limfocyty T (komórki T) przechodzą do krwi i stamtąd wędrują do grasicy. Grasica znajduje się w klatce piersiowej pomiędzy mostkiem a sercem i nie należy jej mylić z tarczycą, wytwarzającym hormony gruczołem dokrewnym położonym wewnątrz szyi². W grasicy zachodzi dojrzewanie komórek T i wyodrębnianie się spośród nich komórek T pomocniczych i komórek T cytotoksycznych. Ze względu na to, że limfocyty powstają w szpiku kostnym i grasicy, narządy te nazywa się pierwotnymi narządami limfatycznymi.

Każda z komórek odpornościowych wrodzonego układu odpornościowego za pomocą około tysiąca różnych receptorów wykrywa około tysiąca różnych wzorów chemicznych na powierzchni atakujących drobnoustrojów. Gdy receptory łączą się z obcymi z punktu widzenia organizmu wzorami chemicznymi, te komórki podlegają aktywacji. Zatem chociaż komórki wrodzonego układu odpornościowego potrafią rozpoznawać tylko ograniczoną liczbę wzorów chemicznych, umiejętność rozpoznawania jest wspólna wszystkim komórkom. To oznacza, że gdy wykryją intruza, wszystkie komórki wrodzonego układu odpornościowego mogą współpracować w zwalczaniu zagrożenia.

Inaczej jest z limfocytami posiadającymi mniej więcej 100 tysięcy identycznych receptorów powierzchniowych wykrywających bardzo małe wzory chemiczne. Zazwyczaj jest to krótka sekwencja aminokwasów w bardzo dużym białku powierzchniowym drobnoustroju. Pierwszymi dobrze poznanymi komórkami adaptacyjnego układu odpornościowego były limfocyty B. Do ich aktywacji dochodzi, gdy receptory komórek łączą się z małymi wzorami chemicznymi na powierzchni drobnoustroju, wskutek czego limfocyty wytwarzają miliony specyficznych³ białek nazywanych przeciwciałami.

W każdym z przeciwciał występuje taki sam mały wzór chemiczny jak w specyficznym receptorze na powierzchni limfocytu B, który to przeciwciało wytworzył. Zetknięcie się z jednym z tych małych, specyficznych wzorów chemicznych na powierzchni drobnoustroju wywołuje wytwarzanie specyficznych przeciwciał przez limfocyt B, dlatego naukowcy nazywają te wzory antygenami. Słowo „antygen” jest skrótem od „anti(body) gen(erating)”⁴ i odnosi się do małego wzoru chemicznego na powierzchni drobnoustroju, który prowokuje odpowiedź immunologiczną limfocytów B lub T. W przeciwieństwie do komórek odpornościowych układu wrodzonego, z których każda wykrywa około tysiąca różnych wzorów chemicznych, szacuje się, że komórki adaptacyjnego układu odpornościowego potrafią wykrywać łącznie około 10 miliardów antygenów.

Limfocyt podlega aktywacji, gdy jego specyficzne receptory wiążą się ze specyficznymi antygenami na powierzchni drobnoustroju. Jednak, ponieważ każdy z 10 miliardów limfocytów potrafi wykrywać jedynie jeden mały, specyficzny wzór chemiczny na powierzchni drobnoustroju, w ciele jest ich zbyt mało, by zapewnić skuteczną, całościową obronę organizmu. Innymi słowy, komórki adaptacyjnego układu odpornościowego wraz z ich 10 miliardami receptorów wykrywają ataki obcych drobnoustrojów znacznie lepiej od wrodzonego układu odpornościowego liczącego jedynie tysiąc receptorów, ale nie są równie skuteczne w natychmiastowym reagowaniu na zagrożenia. Zadanie adaptacyjnego układu odpornościowego jest bardziej wymagające od zadania wrodzonego układu odpornościowego, ponieważ ten pierwszy musi wykorzystać zdobyte informacje o drobnoustroju, zintegrować je, a następnie użyć specyficznych komórek efektorowych do zainicjowania bardziej skutecznej obrony.

W drodze powrotnej do krwiobiegu płyn z naczyń limfatycznych przepływa przez tkanki zawierające skupiska limfocytów. W ten sposób w przepływającej przez narządy i tkanki chłonce dochodzi do zapoznania limfocytów z antygenami drobnoustrojów. Zjawisko zachodzi we wtórnych narządach limfatycznych, do których zalicza się węzły chłonne, śledzionę, migdałki i wyrostek robaczkowy. Gdy limfocyty dojrzeją, wędrują tam i z powrotem między wtórnymi narządami limfatycznymi a krwią, patrolując je w poszukiwaniu antygenów.

Na powierzchni każdej komórki T pomocniczej znajduje się około 100 tysięcy specyficznych dla komórek T receptorów, wykrywających tylko jeden specyficzny antygen. Po strawieniu drobnoustrojów przez tkanki, komórki dendrytyczne i makrofagi wrodzonego układu odpornościowego migrują do wtórnej tkanki limfatycznej. Biorą udział w prezentowaniu napotkanym komórkom T pomocniczym obcogatunkowego białka, eksponując jego fragmenty na swojej powierzchni po strawieniu. Dzięki temu dochodzi do aktywacji komórek T. Następnie komórki dendrytyczne i makrofagi uwalniają cytokiny, które umożliwiają komórkom T pomocniczym wzrost i powielanie się w procesie klonowania, skutkującym powstawaniem tysięcy identycznych kopii. W ten sposób dochodzi do przemiany naiwnych limfocytów T w limfocyty T pomocnicze efektorowe. Chociaż limfocyty T tego rodzaju nie potrafią zabijać drobnoustrojów, regulują odpowiedź odpornościową, uwalniając wiążące się ze specyficznymi receptorami na innych komórkach odpornościowych cytokiny, aby zwiększyć ich zdolność do zabijania intruzów i namnażania się.

Ponieważ tylko ograniczona liczba komórek w adaptacyjnym układzie odpornościowym potrafi zidentyfikować konkretny drobnoustrój, ważne jest, aby ich populacja mogła szybko wzrastać w odpowiedzi na atak. Ponadto niektóre z aktywowanych komórek T pozostają wewnątrz węzłów chłonnych, pełniąc funkcję komórek pamięci, by następnym razem układ odpornościowy mógł szybciej zareagować na to samo zagrożenie. Zachowanie komórek T pomocniczych demonstruje inteligencję układu odpornościowego. Dzięki temu, że wie, jakie specyficzne rezerwy rozmnożyć i zmobilizować do obrony organizmu w danej chwili i w trakcie przyszłych zakażeń, układ odpornościowy potrafi przystosowywać się do nowej sytuacji.

Podobnie jak w przypadku limfocytu T pomocniczego, na powierzchni każdego limfocytu T cytotoksycznego znajduje się około 100 tysięcy receptorów specyficznych dla komórek T, wykrywających tylko jeden konkretny antygen. Po wędrówce do wtórnych narządów limfatycznych, komórki dendrytyczne zakażone wirusem lub bakterią zawierają już obce antygeny na swojej powierzchni, z którymi następnie wiążą się i aktywują naiwne limfocyty T cytotoksyczne. Po uwolnieniu cytokin przez komórki dendrytyczne lub pobliskie komórki T pomocnicze, które zareagowały na ten sam antygen, komórki T cytotoksyczne dojrzewają i namnażają się, tworząc tysiące identycznych klonów. Komórki T cytotoksyczne efektorowe są zdolne do niszczenia każdej innej komórki gospodarza, która została zakażona przez ten sam wirus lub bakterię. Receptory powierzchniowe komórek T identyfikują i wiążą obce antygeny, a następnie uwalniają substancje i enzymy unieszkodliwiające antygeny i zapobiegające rozprzestrzenianiu się zakażenia.

Jak wszystkie limfocyty, komórki B powstają w szpiku kostnym, ale w przeciwieństwie do komórek T, dojrzewają w miejscu powstania. Gdy zostaną uwolnione, wędrują tam i z powrotem między wtórnymi narządami limfatycznymi a krwią, patrolując je w poszukiwaniu antygenów. Na błonie komórkowej każdego limfocytu B znajduje się około 100 tysięcy specyficznych receptorów, które pozwalają na rozpoznawanie i wiązanie się z tylko jednym, specyficznym antygenem. Wiążąca się z antygenem struktura cząsteczkowa i kształt części receptora są identyczne jak przeciwciała, które wytworzy limfocyt B po aktywacji. W przeciwieństwie do limfocytów T, limfocyty B nie potrzebują pośredników prezentujących im antygeny. Ponadto gdy antygen zwiąże się ze specyficznym dla niego receptorem, podlega wchłonięciu przez limfocyt B.

Przejęty antygen jest następnie przetwarzany i umieszczany z powrotem na powierzchni komórek. Gdy aktywowany limfocyt B zwiąże się z tak zwanym limfocytem T pomocniczym efektorowym, aktywowanym przez ten sam antygen, limfocyt T uwalnia cytokiny, które wiążą się z receptorami na powierzchni limfocytu B i pobudzają go do namnażania się i przekształcenia w liczne, identyczne plazmocyty. Każda z komórek plazmatycznych może wytwarzać miliony identycznych przeciwciał, które ze względu na swój kształt potrafią reagować z aktywującym proces odpornościowy antygenem. Ponadto, tak jak w przypadku limfocytów T pomocniczych efektorowych, niektóre limfocyty B efektorowe stają się komórkami pamięci przechowywanymi we wtórnych narządach limfatycznych, by następnym razem organizm mógł szybciej reagować, gdy zostanie zakażony przez ten sam drobnoustrój.

Tak jak otoczony murem średniowieczny gród musiał mieć wystarczającą liczbę obrońców, by przetrwać oblężenie, tak układ immunologiczny organizmu musi mieć wystarczającą liczbę specyficznych komórek i białek, by uchronić się przed poważnym zakażeniem. Wiemy już, że bez wystarczającej liczby komórek i białek wrodzonego układu odpornościowego nasi praprzodkowie nie dożyliby wieku rozrodczego. W litrze krwi musi się znajdować przynajmniej 500 milionów komórek T pomocniczych, bo wtedy w organizmie krąży wystarczająca liczba komórek T cytotoksycznych niezbędnych do unieszkodliwiania zakażonych komórek, a komórki B mogą wytwarzać miliony przeciwciał. Dzięki temu możliwe jest wykrywanie około 10 miliardów antygenów. Skąd to wiemy? Dzięki wirusowi HIV.

Wirus HIV, czyli ludzki wirus niedoboru odporności, bierze na celownik komórki T pomocnicze. Z biegiem czasu przewlekłe zakażenie HIV powoduje spadek stężenia tych komórek poniżej 200 milionów na litr krwi i wtedy mówi się, że ktoś jest chory na AIDS (zespół nabytego niedoboru odporności). Chory na HIV-AIDS cierpi z powodu zakażeń spowodowanych drobnoustrojami chorobotwórczymi, a ponadto zapada na zakażenia oportunistyczne. Te zakażenia na ogół nie powodują chorób u osób z prawidłowo funkcjonującym układem odpornościowym. HIV-AIDS może dotknąć niemal każdego narządu w ciele, a także prowadzi do występowania u chorych różnych typów nowotworów. W przypadku gdy stężenie komórek T pomocniczych we krwi spada poniżej 200 milionów na litr, adaptacyjny układ odpornościowy nie jest w stanie właściwie wykonywać swojego zadania, a w organizmie brakuje obrońców oblężonego grodu chroniących go przed inwazją i zniszczeniem. Zazwyczaj kończy się to zgonem wskutek rozległych zakażeń i sepsy.

Biologowie ewolucyjni snują fantazyjne teorie dotyczące powstania adaptacyjnego układu odpornościowego, ale żadna z ich koncepcji tak naprawdę nie tłumaczy ani powstania wszystkich nieredukowalnie złożonych i koniecznych elementów tego układu, ani naturalnej zdolności do przetrwania, o której świadczy występowanie tych elementów w ilości umożliwiającej przetrwanie. Następnym razem omówimy, w jaki sposób przeciwciała, białka układu immunologicznego, biorą udział w obronie organizmu poprzez zapewnianie mu dodatkowych informacji i precyzyjnej siły rażenia.

Howard Glicksman

Oryginał: Another Layer of Defense: The Adaptive Immune System, „Evolution News & Science Today” 2016, February 9 [dostęp 27 IX 2023].

Przekład z języka angielskiego: Weronika Kokot

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 27.9.2023

Literatura: