Иммунная система и иммунокомпьютинг



Скачать 489.5 Kb.
страница1/2
Дата05.05.2016
Размер489.5 Kb.
  1   2

УДК 502.085

Иммунная система и иммунокомпьютинг


2007 г. Блюм В. С. 1, Заболотский В. П. 2
Иммунная система одна из немногих биологических систем, обладающих способностями "интеллектуальной" обработки информации. В настоящем обзоре приведены современные представления о составе, структуре и основных функциях иммунной системы. Вычислительные способности иммунной системы исследуются в рамках нового научно-технического направления, названного иммунокомпьютингом. В обзоре приведены базовые формализмы иммунокомпьютинга и сформулированы основные задачи данного направления исследований.— Библ. 54 назв.

Ключевые слова: иммунная система, иммунокомпьютинг




Введение

Только два типа биологических систем – нервная и иммунная – обладают способностями "интеллектуальной" обработки информации, включая память, обучение, распознавание и принятие решений в заранее незнакомых ситуациях. Известно, что свобода – это осознанная необходимость. Возможно именно этим тезисом руководствовались те, кто систему охраны и обороны живого организма назвал иммунной системой (от лат. Immunitas - освобождение). Иммунную систему называют также "вторым мозгом позвоночных" за ее способность распознать любую потенциально опасную молекулу, даже если последняя никогда до этого не встречалась на Земле.
В результате непрерывного исполнения функций распознавания, переработки и устранения чужеродных тел и веществ организм обладает замечательным свойством – иммунитетом.
Иммунитет - невосприимчивость, сопротивляемость организма к инфекционным агентам и чужеродным веществам.

Иммунная система живого организма (в первую очередь, иммунная система человека) нам интересна:

  1. как объект для математического и компьютерного моделирования с целью выявления ее уязвимости и поиска эффективных методов борьбы за здоровье человека;

  2. как источник новых знаний об эффективных алгоритмах и структурах данных для использования в системах информационной безопасности.

Совет по биотехнологическим и биологическим научным исследованиям (Biotechnology and Biological Sciences Research Council - BBSRC) в 2007 году выделил в качестве актуальной проблемы разработку общей модели, описывающей работу иммунной системы и всех ее компонентов.
        Иммунная система является одной из самых сложных систем организма, о работе которой ученые до сих пор не имеют исчерпывающего представления.
        Новый междисциплинарный подход к изучению иммунной системы потребует дополнительной информации, описывающей взаимодействие ее компонентов, которая должна быть представлена в количественном выражении. В таком виде она будет доступна не только иммунологам, но и специалистам из других областей науки – математикам, физикам, инженерам и другим исследователям.

Вычислительные способности иммунной системы только недавно были оценены как новое перспективное направление, названное иммунокомпьютингом (ИК) [1].



Иммунная система

В процессе эволюции живых существ возникли многоклеточные организмы. По мере усложнения их строения происходила специализация функций разных клеток и состоящих из них органов: пищеварения, дыхания и других. На определенном этапе эволюции в многоклеточном организме появились клетки, призванные защищать организм от микробов-паразитов. Постепенно сформировалась особая система органов и клеток, обеспечивающих защиту (иммунитет) организма от любых типов вторжений, которая получила название иммунной системы. Клетки, входящие в состав иммунной системы, были названы иммунокомпетентными.

Защита осуществляется с помощью двух систем - неспецифического (врожденного, естественного) и специфического (приобретенного) иммунитета [5-23]. Это две стадии единого процесса защиты организма. Неспецифический иммунитет выступает как первая линия защиты и как заключительная ее стадия. Система приобретенного иммунитета выполняет промежуточные функции специфического распознавания и запоминания болезнетворного агента (или чужеродного вещества), после чего подключаются мощные средства врожденного иммунитета для заключительного этапа борьбы с вторжениями.

Система врожденного иммунитета действует на основе воспаления и фагоцитоза. Эта система реагирует только на корпускулярные агенты (микроорганизмы, занозы) и на токсические вещества, разрушающие клетки и ткани, вернее, на корпускулярные продукты этого разрушения.

Cистема приобретенного иммунитета основана на специфических функциях лимфоцитов, клеток крови, распознающих чужеродные макромолекулы и реагирующих на них либо непосредственно, либо путем производства защитных белковых молекул.

Доказано, что рассматриваемая реакция организма (специфический иммунитет) имеет следующие неразрывно связанные особенности:



  1. способность отличать ''свое'' от ''не своего'',

  2. способность запоминать вторжения, так называемая иммунологическая память,

  3. способность запоминать вторжения с “большой” точностью, так называемая специфичность,

  4. способность проявлять терпимость к вторжениям (белкам), произошедшим на ранних стадиях развития организма, так называемая толерантность.

Открытыми остаются вопросы:

  • Каким образом защитные клетки, циркулирующие в крови или осевшие в органах и тканях иммунной системы, отдаленных от мест уязвимости организма, получают и воспринимают сигнал опасности микробной агрессии?

  • Как обеспечивается строгая последовательность включения отдельных типов клеток в борьбу с инфекцией?

  • Откуда узнает иммунная система, какие именно защитные механизмы следует использовать при данной инфекции?

  • Множество иных вопросов.

Структура и состав иммунной системы

Система информационных каналов. Эта компонента традиционно не входит в состав иммунной системы, но с позиций инженерии без ее рассмотрения нельзя ответить на вопросы о маршрутах и трафике информационных потоков в иммунной системе. Речь идет о работе сердечно-сосудистой системы, которая не только обеспечивает транспорт жизнеобеспечивающих материалов, но и создает сеть информационных каналов иммунной системы с соответствующим информационным трафиком [3]. Сердечно-сосудистая система (ССС) состоит из подсистемы магистралей крови (СМК) и подсистемы магистралей лимфы (СМЛ). В составе ССС можно выделить следующие информационные компоненты (рис.1.):

  • b1,…,bn – модули биомассы большого круга кровообращения;

  • a1,…,am – модули биомассы малого круга кровообращения;

  • da – артериальная чудесная сеть;

  • dv – венозная чудесная сеть;

  • L1,…,Lk – лимфатические узлы.

Модули биомассы, по нашему мнению, могут формироваться по критерию диаметра входящего сосуда, например, мкм.



Рис.1. Структура информационных каналов.



  • C – сердечная мышца;

  • сечение выхода (аортального клапана) желудочка «левого» сердца – ,

  • сечение микроциркуляторного русла – ,

  • сечение входа предсердия «правого» сердца – ,

  • сечение трехстворчатого клапана «правого» сердца – ,

  • сечение выхода (легочного клапана) желудочка «правого» сердца – ,

  • сечение перехода венозной крови в артериальную – ,

  • сечение входа предсердия «левого» сердца – ,

  • сечение митрального клапана «левого» сердца – ,

  • сечение входа лимфатического потока – .

Для данного согласно закону Маррея в теле взрослого человека можно насчитать около 16 тысяч модулей биомассы большого круга кровообращения – областей микроциркуляторного русла, в каждой из которых обслуживается порядка клеток.

Система поверхностей вторжений. Организм позвоночного животного, в рамках которого имеет смысл понятие «иммунная система», обладает огромной и непрерывной, с позиций топологии, поверхностью контактов с внешним миром. Речь идет, в первую очередь, о поверхностях кожного покрова, органов дыхания и органов пищеварения. Ограниченное указанной непрерывной поверхностью 3-х мерное пространство может быть названо пространством иммунитета, защитой от вторжений в которое занимается иммунная система. Далее можно говорить о иерархии вложений поверхностей вторжений, имея ввиду поверхности внутренних органов и поверхности клеточных мембран [4].

Центральные органы иммунной системы. К первичным центральным органам относят вилочковую железу (тимус) и сумку Фабрициуса (bursa of Fabricius), обнаруженную только у птиц. У человека (и других млекопитающих) роль сумки Фабрициуса выполняет, очевидно, костный мозг, поставляющий стволовые клетки-предшественники лимфоцитов. Оба центральных органа иммунной системы являются местами дифференцировки (выращивания и обучения для конкретных применений) популяций лимфоцитов. Вилочковая железа поставляет Т-лимфоциты (тимус-зависимые лимфоциты), а в костном мозге (сумке Фабрициуса) образуются В-лимфоциты.

Вилочковая железа (тимус) получила название из-за сходства с вилами и листьями растения тимиана. У человека зачаток тимуса появляется на шестой неделе эмбрионального развития. Он интенсивно развивается и его масса по отношению к общей массе тела увеличивается до последней трети периода внутриутробного развития. B дальнейшем рост тимуса замедляется, и еще до рождения начинается прогрессивное снижение его относительной массы, сопровождающееся постепенным уменьшением количества лимфоцитов и телец вилочковой железы (тельца Гассаля), фиброзом и жировым перерождением. Однако у молодых людей размеры тимуса еще значительны. Динамика развития тимуса позволяет предположить что свою основную функцию он осуществляет на ранних этапах внутриутробного развития.

Костный мозг у млекопитающих состоит из ретикулярной стромы и находящихся в ней клеток эритроцитарного, гранулоцитарного и мегакариоцитарного рядов. Костный мозг у человека имеет общую массу около 3 кг. Расположен в губчатом веществе костей, содержит кроветворную и жировую ткань в соотношении 1:1. Представлен сетью, образованной ретикулярной стромой, сосудами, нервными волокнами и эндостом. В ячейках ретикулярной сети располагаются клеточные элементы. С пятого месяца внутриутробного развития это основной кроветворный орган у человека. В костном мозге содержатся предшественники IgM-синтезирующих клеток. Если добавлять к вводимому облученным животным костному мозгу Т-клетки, то при иммунизации бараньими эритроцитами титры антител возрастают в десятки раз, т. е. в костном мозге имеется дефицит Т-клеток.

Центральные лимфоидные органы заселяют лимфоцитами всю лимфоидную систему, а иммунологические процессы осуществляются в основном в лимфоидной ткани вторичных лимфоидных органов - в лимфоузлах, в селезенке, в миндалинах, в аппендиксе, в скоплениях лимфоидной ткани.



Периферические органы иммунной системы. К периферическим органам иммунной системы относятся селезенка, лимфатические узлы, миндалины, а также ассоциированная с кишечником и бронхами лимфоидная ткань. К моменту рождения они еще практически не сформированы, поскольку не контактировали с антигенами. Лимфопоэз в них осуществляется лишь при наличии антигенной стимуляции. Периферические органы иммунной системы заселяются В- и Т-лимфоцитами из центральных органов иммунной системы, причем каждая популяция мигрирует в свою зону – тимусзависимую и тимуснезависимую. После контакта с антигеном в этих органах лимфоциты включаются в рециркуляцию, поэтому ни один антиген не остается незамеченным лимфоцитами.

Лимфатические узлы представляют собой скопления лимфоидной ткани различных размеров губчатой структуры по ходу лимфатических и кровеносных сосудов. Они распространены по всему организму и соединены между собой и с другими лимфоидными органами посредством лимфатических сосудов. Состоят лимфоузлы из лимфоцитов, расположенных в сети, образованной ретикулярными клетками. Их функция - элиминация чужеродных частиц из лимфы. У человека и приматов лимфоузлов значительно больше, чем у других видов животных. У человека имеется 500-1000 лимфоузлов диаметром от 1 до 5 мм. В лимфатическом узле различают корковое и мозговое вещество, являющиеся тимуснезависимыми зонами, и расположенную между ними паракортикальную зону. Это тимусзависимая зона, так как после тимэктомии в ней наступают атрофические изменения. В паракортикальной зоне происходит пролиферация Т-клеток и кооперативное взаимодействие Т- и В-клеток.



Селезенка располагается в левой верхней части брюшной полости. Покрыта снаружи соединительнотканной капсулой. От последней отходят многочисленные трабекулы, образующие структурный каркас органа. Селезенка является лимфоидным органом и органом кроветворения. В ней осуществляется деструкция старых, мертвых и поврежденных эритроцитов. Как и в тимус, в селезенку лимфоциты поступают кровеносным путем. Селезенка не имеет ни афферентных, ни эфферентных лимфатических сосудов. Артерии проникают в селезенку через ворота и их ветви расходятся по трабекулам в виде мелких артерий и артериол, переходящих в паренхиму. В участках, где артерии выходят из трабекул, они окружены бледно окрашивающейся массой лимфоидной ткани, именуемой белой пульпой, которая состоит из лимфоцитов, моноцитов, макрофагов и ретикулярных клеток (лимфоидные муфты). Центральные артериолы дают ответвления в виде капилляров. Затем кровь переходит в красную пульпу, состоящую из селезеночных тяжей и синусов. Последние представляют собой длинные сосудистые каналы, а селезеночные тяжи - это скопления клеток, лежащих между синусами. В них находятся лимфоциты, макрофаги, нейтрофилы и эритроциты. Как и лимфоузлы, селезенка продуцирует лимфоциты и плазматические клетки. Особо важное значение имеет в детском и молодом возрасте, когда лимфоидная система еще не развита.

Небные миндалины. Физиологическая функция небных миндалин окончательно не установлена, как не решен вопрос о том, относятся ли они к центральным или периферическим лимфоидным органам. Возможно, что небные миндалины выполняют несколько важных функций: осуществляют защиту верхних дыхательных путей от инфекции, снабжают лимфоидную ткань всего организма коммитированными лимфоцитами и участвуют в формировании микробного ценоза полости рта и носовой части глотки. Небные миндалины, являющиеся основным образованием лимфоидного глоточного кольца, находятся у человека между небными дужками у входа в полость глотки.

Кожа не является лимфоидным органом, однако в коже имеются антигенпредставляющие дендритные (ретикулярные) клетки, лимфоциты и лимфоидная ткань. Кожа обеспечивает защиту от патогенных внутриклеточных микробов и от развития опухолевых клеток. Лимфоидные и ретикулярные клетки и лимфоидная ткань кожи обеспечивают функцию иммунного надзора в коже, в частности иммунное распознавание. В осуществлении иммунных реакций в коже участвуют кератиноциты, клетки Лангерганса и иммунокомпетентные лимфоциты. Клетки Лангерганса имеют костномозговое происхождение, составляют около 4 % эпителиальных клеток базального слоя кожи. По морфологии и способности к экспрессии белков Iа на цитоплазматической мембране они сходны с дендритными клетками, но отличаются по маркерам и наличию ферментов. Они, возможно, являются предшественниками дендритных клеток. Клетки Лангерганса играют важную роль в развитии гиперчувствительности замедленного типа, противоопухолевого иммунитета и реакций в отношении кожных трансплантатов.

Лимфоидные скопления. Лимфоидная ткань в виде скоплений ее элементов обнаруживается под слизистой оболочкой кишок, гортани, бронхов, мочеполовых органов, а также в почках, коже. Такие конгломераты легко возникают при хроническом воспалении. Лучше других изучены лимфоидные образования кишок. Лимфоидная ткань кишок синтезирует антитела, что имеет важное значение в невосприимчивости организма к кишечным инфекциям. Доказательством может служить проникновение микробов из кишок в кровь у облученных животных. Лимфатические узлы вдоль кишок и верхних дыхательных путей - это мелкие скопления лимфоидных элементов и фагоцитирующих клеток, отличающиеся от лимфоузлов отсутствием капсул. Они участвуют в реакциях неспецифической резистентности и специфического иммунитета. В них синтезируются IgE и IgA. Иммунологически компетентные клетки лимфоидной ткани кишок могут мигрировать в другие ткани и там размножаться.

Все выше перечисленные органы являются неотъемлимыми участниками сложной функции, которая названа ИММУННЫМ ОТВЕТОМ (IMMUNE RESPONSE). ИММУННЫЙ ОТВЕТ - это действия иммунной системы в ответ на вторжение чужеродных веществ.

В иммунном ответе участвуют специализированные клетки: лимфоциты, плазмоциты, ретикулярные клетки, эозинофилы и макрофаги. Лимфоциты и плазмоциты являются иммунокомпетентными клетками, все остальные - вспомогательными.

Основные операнды процедуры ИММУННОГО ОТВЕТА – это антигены, антитела, макрофаги, В- и Т-лимфоциты и цитокины.



Антигены - (от анти и греч. génos - рождение, происхождение), высокомолекулярные коллоидные вещества, которые при введении в организм животных и человека вызывают образование специфических реагирующих с ними антител. Непременным условием антигенности является отличие антигенов от веществ, имеющихся в норме в организме реципиента. К антигенам относятся прежде всего чужеродные белки, некоторые полисахариды (большей частью бактериального происхождения), комплексы белков с разнообразными химическими соединениями. Антигены бывают корпускулярные (например, взвеси бактерий), дающие с антителами реакцию агглютинации (склеивания), и растворимые (например, токсины), дающие реакцию преципитации (осаждения). Низкомолекулярные, простые белки, такие, как желатина, не являются антигенами, яичный и сывороточный альбумины (молекулярная масса 40000-70000) имеют меньшую антигенность, чем гамма-глобулины и другие белки с большей молекулярной массой (>160000). Липиды и углеводы, не обладающие антигенными свойствами и приобретающие их в соединении с белками, называются гаптенами. Можно искусственно синтезировать антигены, соединяя те или иные химические вещества с белком. В антигенах содержатся два компонента: высокомолекулярное вещество, являющееся проводником антигенного раздражения (большей частью это белок), и небелковая группа, структура которой определяет специфичность данного антигена. Эти группы называются детерминантными (или факторами специфичности); они расположены на поверхности антигена и могут быть отделены от коллоидного носителя. При некоторых патологических состояниях (например, гемолитической анемии) собственные белки организма приобретают антигенные свойства, т. е. становятся аутоантигенами. Т. к. белки имеют индивидуальную специфичность (имеют генетический код), то белки одного животного являются антигенами для другого животного того же вида (изоантигены).

Антитела (antibodies)—белки относящиеся к подклассу гамма-глобулинов, образующиеся в организме при попадании в него некоторых чужеродных веществ (антигенов) и обладающие способностью избирательно соединяться с теми же антигенами или (в меньшей степени) со сходными с ними по строению веществами, вызывая тем самым иммунный ответ организма.

Выделяют антиинфекционные или антипаразитарные антитела, вызывающие непосредственную гибель или нарушение жизнедеятельности возбудителя инфекции либо паразита, и антитоксические антитела, не вызывающие гибели самого возбудителя или паразита, но обезвреживаюшие вырабатываемые им токсины (яды). Кроме того, выделяют также так называемые «антитела-свидетели заболевания», наличие которых в организме сигнализирует о знакомстве иммунной системы с данным возбудителем в прошлом или о текущем инфицировании этим возбудителем, но которые не играют существенной роли в борьбе организма с возбудителем (не обезвреживают ни самого возбудителя, ни его токсины, а связываются со второстепенными белками возбудителя).

Антитела реагируют только с теми антигенами, которые индуцировали их синтез. Изменения химической или физической структуры антигенов приводят к образованию иных, видоизмененных антител. Такое прямое соответствие между антигенами и антителами известно под названием специфичности.

В настоящее время представление о том, что комплементарность структуры определенного участка антигена и активного центра антитела определяет специфичность их взаимодействия, является общепризнанным.

Форма молекулы антитела и распределение электрического заряда по ее поверхности делают ее способной связывать антиген, комплементарный ей по форме и распределению заряда.

Антитело состоит из двух идентичных пар полипептидных цепей: Н (Heavy - тяжелых) с молекулярным весом примерно 50000 и L (Light - легких) - примерно 25000. Цепи соединены друг с другом ковалентными (дисульфидными) связями.



Макрофаги — это вид белых кровяных телец лейкоцитов, известных как фагоциты, получившие свое название от греческого phago —«есть» и cyt — «клетка». Кроме кровотока, главная территория макрофагов в организме — это селезенка, костный мозг, лимфатические узлы, альвеолярные мешочки в легких (легочные альвеолы), брюшина (мембрана брюшной стенки), печень, соединительная ткань и центральная нервная система. Макрофаги рождаются в костном мозге, но их резерв рано или поздно исчерпывается, и их приток в организм прекращается. Сами макрофаги тоже смертны. Одна клетка делится не более 50-60 раз. Когда они престают поступать в органы и ткани, начинается старение.

Макрофаги называют клетками-мусорщиками из-за их способности захватывать, поглощать, убивать и переваривать все, с чем они соприкасаются. Часть макрофагов ведет оседлый образ жизни, найдя себе место в селезенке, в одном из лимфоузлов, в печени, в легких или даже в костях. Другие ведут блуждающий образ жизни, ползая по серозным оболочкам и передвигаясь внутри рыхлой соединительной ткани. Все они происходят из моноцитов крови, а те, в свою очередь, из промоноцитов костного мозга, которые постепенно созревают из более ранних клеток-предшественников. У макрофагов есть обратная связь с этими клетками-предшественниками: зрелый макрофаг может продуцировать специальные цитокины - ростовые факторы, которые с кровью поступают в костный мозг и усиливают процессы деления и созревания клеток-предшественников. При инфекции, когда многие макрофаги погибают в борьбе с микробами, им на смену приходят новые молодые макрофаги, ускоренно созревающие в костном мозге.



Лимфоциты. Различают малые, средние и большие лимфоциты. Малые лимфоциты имеют диаметр менее 8 мкм. В ядре у них находятся глыбки хроматина. Цитоплазма располагается вокруг ядра в виде узкого ободка, гомогенна, содержит мало или не содержит вовсе пиронина и рибосом. Средние лимфоциты имеют сходную с малыми структуру, размеры их 8-12 мкм. Большие лимфоциты имеют диаметр 12-14 мкм, ядро большое, светлое, с ядрышком и зернами хроматина, в цитоплазме много рибосом и пиронина. Лимфоциты составляют основную массу клеточных элементов лимфоидной ткани, 95 % клеток лимфы и 30 % общего числа лейкоцитов крови.

Обратим внимание на тот факт, что количество лимфоцитов в иммунной системе имеет, по крайней мере, один порядок величины, что и число нейронов в нервной системе. Лимфоциты среди прочих клеток нашего тела, распространяемых по крови и лимфе, имеют наибольшие концентрации в селезенке, лимфоузлах, тимусе и костном мозге. Но их практически нет в мозге. [THE IMMUNE SYSTEM Nobel lecture, 8 December 1984 by NIELS K. JERNE ]



Каталог: user -> sgma -> MMORPH -> N-16-html
N-16-html ->  2007 г. Федосов Е. А., Азовскова О. В., Усай Л. И., Доросевич А. Е
MMORPH -> Особенности биологических систем информационной безопасности
N-16-html -> Роль боковой волны в электромагнитной терапиИ  2007 г. Тукембаев Ч. А
MMORPH -> Пояснительная записка содержит 64 страницы, 26 рисунков, 5 таблиц
MMORPH -> Романтическая прогулка по кафедре анатомии человека и ее
N-16-html -> Роль боковой волны в электромагнитной терапиИ  2007 г. Тукембаев Ч. А


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница