Obrona immunologiczna, czyli jak działają przeciwciałaCzas 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.

Ludzki organizm jest nieustannie atakowany przez groźne drobnoustroje, które mogłyby doprowadzić do poważnego zakażenia lub nawet śmierci. 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.

Pierwszym jest obecny od urodzenia wrodzony układ odpornościowy, reagujący identycznie za każdym razem, gdy napotyka intruza. Drugim jest adaptacyjny układ odpornościowy, który wykształca się z czasem i reaguje w pewien określony sposób na zagrożenia. Bez wspomnianej pierwszej linii obrony oraz obu podsystemów układu odpornościowego, nasi najstarsi przodkowie nie dożyliby wieku rozrodczego.

W poprzednich artykułach omówiłem, w jaki sposób komórki i białka odpornościowe układu wrodzonego współpracują, by chronić organizm przed atakiem drobnoustrojów. Natomiast w bezpośrednio poprzedzającym niniejszą publikację artykule¹ dokonałem przeglądu komórek odpornościowych adaptacyjnego układu odpornościowego – limfocytów, między innymi limfocytów T pomocniczych, które pomagają innym komórkom odpornościowym w namnażaniu się i doskonaleniu umiejętności zabijania limfocytów T cytotoksycznych, które niszczą zakażone komórki gospodarza; oraz limfocytów B, z których każdy produkuje miliony identycznych przeciwciał. A teraz przyjrzyjmy się, w jaki sposób przeciwciała – białka adaptacyjnego układu odpornościowego – wspierają obronę immunologiczną organizmu, dostarczając mu dodatkowych informacji, siły rażenia, precyzji i dokładności.

Przeciwciała, nazywane również immunoglobulinami i gamma-globulinami, krążą we krwi jako białka osocza. Dzięki temu, że należące do wrodzonego układu odpornościowego komórki pierwszego kontaktu uwalniają prozapalne substancje chemiczne, inne komórki odpornościowe oraz białka krwi, w tym immunoglobuliny, mogą dołączyć do walki. Przeciwciała pełnią rolę czynników pomagających innym komórkom odpornościowym w identyfikowaniu i zabijaniu bakterii, neutralizowaniu toksyn i ograniczaniu wnikania wirusów do komórek gospodarza. Aby zrozumieć, jak działają przeciwciała, należy poznać ich budowę².

Cząsteczka przeciwciała składa się z czterech połączonych ze sobą łańcuchów aminokwasowych –  dwóch identycznych par połączonych ze sobą łańcuchów ciężkich i lekkich, przyjmujących kształt litery Y. Podstawę struktury przeciwciała stanowi odcinek, na którym obydwa łańcuchy ciężkie są ze sobą połączone. W miejscu, gdzie dochodzi do ich rozgałęzienia, z łańcuchami ciężkimi łączą się łańcuchy lekkie. Na dwóch wierzchołkach przyjmującej kształt litery Y cząsteczki przeciwciała znajdują się identyczne sekwencje aminokwasowe budujące końce lekkich i ciężkich łańcuchów. Razem tworzą one konkretny, trójwymiarowy schemat chemiczny identyczny pod względem kształtu z receptorem antygenowym na powierzchni limfocytu B. Wierzchołki cząsteczki przeciwciała pełnią rolę miejsc wiązania antygenów i są nazywane fragmentami Fab³.

Ludzkie DNA jest zaprogramowane do wytwarzania około miliona unikatowych pod względem sekwencji aminokwasowych łańcuchów ciężkich i około dziesięciu tysięcy łańcuchów lekkich. Każdy limfocyt B wytwarza tylko jedno specyficzne⁴ przeciwciało, składające się z identycznych łańcuchów ciężkich i lekkich. To oznacza, że organizm jest w stanie wytworzyć ponad dziesięć miliardów różnych przeciwciał, z których każde ma swój własny układ miejsc wiązania. Zatem ciało dysponuje szerokim wachlarzem specyficznych, przenoszonych przez krew wartowników, którzy potrafią wykrywać specyficzne wzorce chemiczne na powierzchni różnych atakujących drobnoustrojów. Przyjmująca kształt litery Y cząsteczka przeciwciała ma u swojej podstawy niezmienną sekwencję aminokwasową, nazywaną fragmentem Fc⁵. Po przyłączeniu specyficznego antygenu przez fragmenty Fab, fragment Fc ulega aktywacji, przygotowując przeciwciała do działania.

Aktywowane przeciwciała pomagają układowi odpornościowemu chronić organizm przed zakażeniem na kilka sposobów. Jak być może pamiętacie, neutrofile i makrofagi wrodzonego układu odpornościowego mają własne receptory, wiążące się z dużymi fragmentami obcych białek na powierzchni atakujących drobnoustrojów. Jednakże wiele chorobotwórczych drobnoustrojów wykształciło sposoby na unikanie wykrycia i eliminacji przez te fagocytujące⁶ komórki odpornościowe. Często potrafią stawać się niewidzialne, co pozwala im bez przeszkód namnażać i rozprzestrzeniać się w organizmie. Fragmenty Fab przeciwciał ulegają aktywacji, kiedy łączą się ze specyficznymi antygenami na powierzchni komórek drobnoustrojów. W efekcie drobnoustroje tracą zdolność ucieczki i oporność na neutrofile i makrofagi. Na powierzchni tych komórek odpornościowych znajdują się receptory, które wiążą się z fragmentem Fc aktywowanego przeciwciała, co umożliwia im rozpoznawanie i przechwytywanie drobnoustroju. Ten proces nazywa się opsonizacją (od gr. opsonein, czyli kupować jedzenie); przeciwciała pomagają fagocytom w wiązaniu się z drobnoustrojami, udostępniając im mikrobiologiczne źródło pożywienia.

Kolejnym bardzo ważnym mechanizmem, za pomocą którego przeciwciała pomagają w zabijaniu drobnoustrojów i zakażonych komórek gospodarza, jest aktywacja dopełniacza. Jak zobaczyliśmy wcześniej, istnieją trzy różne ścieżki aktywacji układu dopełniacza. Najbardziej skuteczna z nich wymaga, by doszło do aktywacji fragmentu Fc specyficznego przeciwciała poprzez związanie fragmentu Fab ze specyficznym antygenem na powierzchni komórki drobnoustroju. Łączenie się dopełniacza z aktywowanym fragmentem Fc uruchamia wiele innych białek dopełniacza, które przystępują do akcji, tworząc kompleks atakujący błonę (MAC – Membrane Attack Complex). MAC wierci dziurę w błonie otaczającej drobnoustrój, doprowadzając tym samym do jego śmierci. Niektóre elementy aktywowanego dopełniacza (na przykład C3b) mogą się również wiązać z mikroorganizmami. Neutrofile i makrofagi mają receptory dla C3b, co umożliwia im rozpoznawanie i wiązanie się z drobnoustrojem oraz jego eliminację drogą opsonizacji.

Poza wzmacnianiem wiązania i aktywacją dopełniacza, łączenie się przeciwciał ze specyficznymi antygenami na powierzchni zakażonych komórek gospodarza aktywuje komórki NK⁷. Następnie komórki NK łączą się z aktywowanym fragmentem Fc i uwalniają pewne związki chemiczne do zakażonej komórki, powodując jej śmierć w procesie nazywanym cytotoksycznością komórkową zależną od przeciwciał (ADCC – antibody-dependent cellular cytotoxicity). Ponadto, na powierzchni zewnętrznej wirusów i bakterii znajdują się specyficzne struktury, które pozwalają im chwytać się ludzkich komórek i je zakażać.

Gdy przeciwciała wiążą się ze specyficznymi antygenami na tych zewnętrznych strukturach, tym samym uniemożliwiają wirusom i bakteriom łączenie się z ludzkimi komórkami, zapobiegając infekcji. Co więcej, niektóre bakterie uwalniają toksyny, które muszą się związać z receptorami na powierzchni komórek gospodarza, by spowodować uszkodzenia. Gdy przeciwciała wiążą się ze specyficznymi wzorcami cząsteczkowymi na tych toksynach, blokują im możliwość związania się z komórkami gospodarza. Na koniec, drobnoustroje są wyposażone w struktury takie jak wici i rzęski, służące do poruszania się i umożliwiające przemieszczanie się po całym ciele. Gdy przeciwciała wiążą się z antygenami na tych strukturach, zakłócają ich działanie, utrudniając drobnoustrojom przemieszczanie się i powodowanie szkód.

W poprzednich artykułach wyjaśniłem, że układ odpornościowy organizmu jest nieredukowalnie złożony, ponieważ zarówno wrodzony, jak i adaptacyjny układ odpornościowy wraz ze wszystkimi ich elementami są konieczne do przetrwania. Układ jest także świadectwem posiadania naturalnej zdolności do przetrwania, ponieważ nasi najstarsi przodkowie nigdy by nie dożyli wieku rozrodczego, gdyby nie mieli zabezpieczającej przed zakażeniami ilości komórek odpornościowych pierwszej linii obrony w tkankach, neutrofili i dopełniacza we krwi oraz limfocytów T w układzie limfatycznym. A co z przeciwciałami?

Istnieją niedobory odporności powodowane chorobami genetycznymi, na skutek których układ immunologiczny nie jest w stanie przeciwdziałać zakażeniu. Jedna z tych chorób, agammaglobulinemia, prowadzi do nieprawidłowego funkcjonowania limfocytów B i niemal całkowitego braku przeciwciał. Wszystkie niemowlęta otrzymują tymczasową odporność od swoich matek dzięki przeciwciałom przechodzącym do ich krwiobiegu przez łożysko. Jednakże po sześciu miesiącach ta ochrona zanika i gdyby nie współczesna medycyna, szybko doszłoby do śmierci niemowląt z agammaglobulinemią wskutek infekcji. To pokazuje, że nawet gdyby wszystkie inne części układu immunologicznego działały prawidłowo, bez przeciwciał nasi najstarsi przodkowie nigdy by nie przetrwali.

Na koniec, należy zdawać sobie sprawę, że podobnie jak kaskada krzepnięcia krwi i układ dopełniacza, ten system musi się włączać tylko wtedy, gdy jest potrzebny, i pozostawać uśpiony lub wyłączony, kiedy potrzebny nie jest. Jako że przeciwciała powodują, iż organizm reaguje nieadekwatnie na stosunkowo nieszkodliwe antygeny, może to doprowadzić do znacznego osłabienia lub nawet śmierci. Niektóre alergie, takie jak katar sienny i astma, są spowodowane pewnymi rodzajami reakcji przeciwciał na pyłki. W przypadku jadu z pszczelego żądła, takie przesadne reakcje mogą spowodować wstrząs anafilaktyczny. Gdy przeciwciała reagują nieprawidłowo, doprowadzając do aktywacji układu immunologicznego w odpowiedzi na normalne tkanki, dochodzi do tak zwanej choroby autoimmunologicznej, która prowadzi do zapalenia, uszkodzeń i niszczenia różnych tkanek i narządów. Niezbędne jest nie tylko, by wszystkie części układu immunologicznego były obecne, ale także by były pod kontrolą.

Kiedy George Washington zachorował na ciężkie zapalenie migdałków – co miało miejsce 14 grudnia 1799 roku – sądzono, że infekcja została spowodowana przez złe humory⁸, które należało leczyć za pomocą upuszczania krwi. W trakcie ostrej infekcji jego medycy upuścili ponad dwa litry krwi, co zajęło im kilku godzin Współczesny personel medyczny wie, że infekcje powodują zarazki, a nie złe humory, oraz że upuszczanie krwi osoby przechodzącej ostrą infekcję prawdopodobnie doprowadzi do jej dalszego osłabienia lub nawet śmierci.

Chociaż drobnoustroje obserwowano pod mikroskopem od prawie 200 lat, dopiero pod koniec XIX wieku medycyna zaczęła przypisywać konkretne choroby konkretnym zarazkom. Co więcej, dopiero gdy Louis Pasteur obalił teorię samorództwa drobnoustrojów (mówiącą, że życie może powstać z materii nieożywionej) w medycynie zdano sobie sprawę, że wielu chorób zakaźnych można uniknąć.

To jasne, że medycy w czasach Georga Washingtona mieli błędne pojęcie o infekcjach. Ponadto, mylne poglądy na temat przyczyn chorób doprowadziły ich do zastosowania ówczesnej metody leczenia (upuszczania krwi), która prawdopodobnie przyczyniła się do śmierci pacjenta.

To pokazuje, w jaki sposób stanowczo bronione, lecz błędne koncepcje mogą prowadzić do szkodliwych dla rozwoju i dobrobytu ludzkości założeń i praktyk. Innymi słowy, koncepcje mają konsekwencje. Obecnie dominująca wśród biologów ewolucyjnych teoria dotyczącą powstania życia zakłada pewną formę samorództwa, czyli abiogenezy. Powszechnie sądzi się, że pod wpływem przypadku i praw przyrody materia nieożywiona (pierwiastki chemiczne) z czasem przekształciła się w takie jak my, wieloukładowe organizmy o złożonych planach budowy ciała. Jak pisałem w poprzednich artykułach, oznacza to, że w przypadku kręgowców – ryb, ptaków, gadów, płazów i ssaków – powstanie odpowiedzi immunologicznej potrzebnej do przetrwania przypisuje się w całości procesom przyrodniczym. To silne, lecz błędne przekonanie przeniknęło naszą kulturę i ma wpływ na niemal każdy aspekt ludzkiej działalności.

Howard Glicksman

Oryginał: Immune Defense: How Antibodies Work, „Evolution News & Science Today” 2016, February 16 [dostęp 11 XI 2023].

Przekład z języka angielskiego: Weronika Kokot

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 11.10.2023

Literatura: