Я или не я

Структура и функция

Большая часть биологов и медиков-исследователей работает в двух необъятных научных областях — физиологии и морфологии, и потому они делятся на физиологов и морфологов. Физиологи изучают функции органов и систем органов. Например, сердца или всей сердечнососудистой системы, нервной системы, головного или спинного мозга. Но нет функции без структуры. Всякую функцию кто-то (или что-то) выполняет. Сердце сокращается, потому что сокращаются мышечные клетки. Мышечные клетки сокращаются потому, что сокращаются специальные структуры этих клеток — миофибриллы, что в переводе с латыни означает "мышечные нити".

В прошлом столетии морфологи описывали то, что видел глаз. Потом стали рассматривать структуры пол микроскопом, затем — под электронным микроскопом. Открыли клеточное строение всего живого, увидели внутриклеточные структуры — ядро клетки, ее оболочку, митохондрии, микросомы. А физиологи открывали функции: ядро содержит наследственный аппарат и заведует всей жизнью клетки, митохондрии обеспечивают энергетические ресурсы для всех клеточных функций, на микросомах синтезируются белки.

Все эти примеры иллюстрируют случаи, когда морфологи как бы ставили задачу физиологам: есть орган, определите его функцию. Однако есть и десятки обратных примеров. Физиологи открыли условный рефлекс, морфологи расшифровали структуры всех его звеньев. Физиологи изучили законы памяти, но где, в каких структурах они осуществляются, никто не знает. В то же время описана масса структур, чьи функции неизвестны совсем или известны весьма поверхностно.

Морфологи и физиологи не выясняют, кто от кого отстает и кто кого перегоняет. Они отнюдь не конкурируют, но сотрудничают. Они знают, что нет функции без структуры и нет структуры без функции. Их объединяет единая простая формула: "Структура — функция".

Век медиаторов

Если то, что написано выше, прочтет биохимик — исследователь химии жизненных процессов, он непременно спросит: "Не слишком ли все просто? А как, какими средствами структура выполняет свою функцию?" Представим себе нервное окончание. Нервное волокно подошло, скажем, к мышечной клетке. Есть структура — нервное окончание. Есть другая структура — мышечная клетка. Функция нерва: отдать мышечной клетке приказ о том, чтобы она сократилась. Приказ отдан, мышца сократилась. Структура выполнила свою функцию. Как передан приказ? Кто выполнил роль курьера, передающего приказ?

Оказывается, нервное окончание (просто — окончание нервной клетки) выбросило особое химическое вещество, послало молекулярного курьера. Вещество это было воспринято оболочкой мышечной клетки, оно включило цепь химических реакций, короче стали молекулы особого белка миозина, из которого построены мышечные нити — миофибриллы. Мышца сократилась. Вот эти-то вещества, служащие молекулярными курьерами, обеспечивают исполнение функций структур и передают их от одной структуры к другой. Они получили название медиаторов, то есть посредников. Наиболее известны из медиаторов нервных окончаний, которые активируют функцию воспринимающих структур, знаменитые гормоны адреналин и норадреналин. Они ведают нашим настроением, помогают переносить тяжелые минуты стрессов.

Самые различные клеточные структуры организма исполняют свои функции с помощью медиаторов. Поджелудочная железа контролирует уровень сахара в крови, выделяя гормон инсулин. Он заставляет клетки печени превращать сахар крови в гликоген и откладывать его про запас в печени. Если сахара в крови много, выбрасывается инсулин, и сахар переходит в печень. Если мало, выработка инсулина тормозится, гликоген печени переходит в сахар крови. Так медиатор — гормон инсулин — помогает поддерживать нормальный уровень сахара в крови. Понятно, что формулу "структура — функция" следует усложнить: "структура — медиатор — функция".

Медиатор — это всегда конкретная молекула, иногда простая, чаще сложная. Адреналин, например, имеет молекулярный вес около 300 дальтон (единица, показывающая, во сколько раз молекула данного вещества тяжелее молекулы водорода; в дальнейшем, как это часто делают в научных публикациях, мы будем опускать ее название), а инсулин — около 3 тысяч. Но это всегда молекулярная структура. Морфологи ее уже не видят. Ее "видят" биохимики и молекулярные биологи.

Самые удивительные медиаторы из открытых в XX веке — гормоны: гормоны роста, половые гормоны, инсулин и другие удивительные молекулы, опосредующие функции желез внутренней секреции, контролирующие работу многочисленных систем организма. В последние годы открыты еще более удивительные медиаторы. Сенсацией стали нейропептиды — совсем небольшие молекулы, вырабатываемые нервными клетками. Одни из них — энкефалины, молекулы которых состоят всего из 5 аминокислот, обезболивают в сотни раз сильнее, чем самое сильное обезболивающее средство — морфин. (Их называют еще эндогенными морфинами — эндорфинами.) Биохимики уже выделили, расшифровали строение, синтезировали и применяют в медицине эти удивительнейшие вещества.

Дельта-пептид сна — чуть более крупная, чем эндорфин, молекула из 9 аминокислот — медиатор сна. В дозе 0,000001 грамма на килограмм веса животного он вызывает глубокий сои. Открыты медиаторы, стимулирующие обучаемость и ускоряющие запоминание. Приобрел особую известность один из них — нонапептидлизилвазопрессин.

Медиаторы иммунной системы

Итак, в иммунной системе сообща работает клеточный ансамбль, состоящий из макрофагов, Б-лимфоцитов, которые превращаются в плазматические клетки, из Т-помощников, Т-супрессоров, Т-киллеров (убийц). Эти клетки возникают в разных органах (костном мозге, тимусе, соединительной ткани) из общего для всех предшественника — из кроветворной стволовой клетки, о которой еще много будем говорить. Все участники ансамбля циркулируют по организму, встречаются в селезенке или в лимфатических узлах и совместно работают. Уже говорилось, что с помощью рецепторов они узнают друг друга при встрече. Но они пользуются еще и "языком" химических сигналов, обеспечивающих передачу информации на расстоянии. Они могут приглашать друг друга к действию. Отдавать "приказы", обмениваться информацией. Внутри иммунной системы неутомимо работают молекулярные курьеры.

В настоящее время обнаружено около 30 разных по химическому составу растворимых субстанций, или, как их называют, гуморальных факторов, выполняющих роль медиаторов — междуклеточных курьеров, обеспечивающих развитие иммунных реакций. Например, Т-лимфоцит, обнаружив чужеродную клетку — мишень своего действия, выделяет медиатор, который носит название MIF. Переведя эту латинскую аббревиатуру на русский язык, мы получим: фактор подавления миграции макрофагов.

Медиаторы иммунной системы

Для чего же лимфоцит выделяет этот медиатор? Чтобы остановить проплывающий мимо макрофаг, который выполняет функцию главного санитара организма. Выделенный медиатор не позволит макрофагу — пожирателю погибших клеток проскочить мимо мишени. "Чужак" будет поражен Т-лимфоцитом и поглощен макрофагом.

Другой медиатор, так называемый хелперный фактор (фактор помощи), выделяется Т-лимфоцитами, когда необходимо заставить Б-лимфоциты синтезировать антитела против чужеродных агентов: микробов, вирусов или чуждых белковых субстанций.

А есть медиаторы, которые усиливают функциональную активность макрофагов и лимфоцитов. Или стимулируют размножение клеток (этот медиатор называется митогенным фактором).

А вот, скажем, фактор переноса. Этот медиатор способен переносить "знание" с уже "обученных" лимфоцитов на изолированные, которые с врагом организма еще не контактировали, не соприкасались. К медиаторам, сдерживающим активность, работоспособность клеток, относится фактор, угнетающий клеточное размножение, лимфотоксины. Лимфотоксины участвуют в реализации эффекта Т-киллеров, содействуя, таким образом, уничтожению мишени.

Хемотаксис — явление активного движения клеток по направлению к химическому раздражителю или от него. Т-лимфоциты умеют выделять медиаторы (хемотаксические факторы), обеспечивающие положительный или отрицательный хемотаксис у других клеток тела.

Так, с помощью различных медиаторов Т-лимфоциты выполняют свою дирижерскую функцию: они могут усилить активность макрофагов или затормозить ее, привлечь на поле боя дополнительные клеточные отряды или, наоборот, приостановить их приток, включить Б-лимфоциты в выработку защитных антител или отдать команду "стоп, достаточно". Последнее делают Т-лимфоциты-супрессоры, выделяя, когда нужно, подавляющие факторы, антагонисты факторов помощи.

Следует подчеркнуть: проблему вырабатываемых Т-лимфоцитами медиаторов иммунной системы решают сейчас многие исследователи во всем мире. Активно ведется работа по выделению этих субстанций в чистом виде, по определению их природы и физико-химических свойств. Вся трудность в том, что большинство из них имеет близкие молекулярные массы и сходные физико-химические характеристики. Поэтому не всегда удается четко определить, осуществляется ли каждая из указанных функций отдельным химическим веществом, или один и тот же медиатор проявляет себя неоднозначно.

Большинство лимфоцитарных медиаторов — лимфокинов, как их обобщенно называют, имеет белковую природу. Они стабильны при нагревании до 56 градусов, устойчивы к ферментам, разрушающим нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК, но чувствительны к ферментам, разрушающим белки. Молекулярная масса их колеблется от 10 тысяч до 80 тысяч.

Лимфокины обеспечивают взаимодействие между Т-лимфоцитами, Б-лимфоцитами, макрофагами и другими клетками, а некоторые из них участвуют непосредственно в уничтожении лимфоцитами чужеродных для организма пришельцев.

Особая группа медиаторов, поддерживающая размножение лимфоцитов, получила название интерлейкинов.

Однако лимфокинами и интерлейкинами проблема молекулярных курьеров иммунитета не исчерпывается. Главные курьеры — это гормоны тимуса и костного мозга, которые стимулируют вызревание и нормальную работу самих Т- и Б-лимфоцитов. Их существование доказывает, что именно молекулярные курьеры, действующие на разных уровнях кроветворной и иммунной систем, обеспечивают нормальную работу этих систем. Любая же аномалия в их работе, как правило, связана с отсутствием того или иного медиатора.

Тимозин, АФТ-6

Гормоны тимуса привлекали внимание исследователей задолго до открытия Т- и Б-лимфоцитов и их роли в иммунных реакциях. Было замечено, что тимусные экстракты обладают различными видами биологической активности, в частности стимулируют иммунные реакции. Однако до открытия роли тимуса как центрального органа иммунной системы наблюдения и исследования носили случайный характер.

В 1961 году австралиец Джек Миллер удалил тимус у новорожденных мышат. У них развился так называемый вастинг-синдром: отставание в росте, облысение, кишечные расстройства, изменения в крови и, главное, нарушения иммунитета — пересаженные чужеродные клетки и ткани не отторгались, а микробные вторжения оказывались смертельными.

Так открыли центральную роль тимуса в иммунитете. Вскоре после этого обнаружили, что тимические экстракты, введенные при вастинг-синдроме, если и не отменяют его полностью, то в значительной мере смягчают.

Потом вывели специальную породу бестимусных мышей.

Тимус у них недоразвит, отсутствуют Т-лимфоциты, резко нарушена вся иммунная система. Т-дефицит у этих животных можно скомпенсировать гормональными препаратами, выделенными из тимуса.

Неожиданно обнаружили, что тимические препараты обладают противоопухолевым эффектом, и вскрыли основной механизм их действия: обеспечение созревания Т-лимфоцитов из клеток-предшественников. Все это послужило причиной бума в научном мире вокруг гормонов тимуса. Во многих лабораториях мира развернулись работы по выделению и изучению этих активных компонентов иммунитета. И результаты не замедлили сказаться.

Совсем недавно американский иммунолог Алан Бах выделил тимусный фактор из сыворотки крови, назвал его ГТ — фактором тимуса сывороточным и полностью расшифровал аминокислотный состав молекулы, состоящей всего из 9 аминокислот.

Другой исследователь из США, Аллан Гольдштейн, выделил из тимуса препарат, названный тимозином, и применил его для лечения детей с врожденными недоразвитиями железы. Это редкие заболевания, при которых, как у бестимусных мышей, частично или полностью выключена Т-система иммунитета. Дети тяжело болеют, резко отстают в развитии и погибают от инфекционных осложнений или от той или иной формы рака. О результатах этой работы говорить, видимо, пока рано.

Во 2-м Московском медицинском институте имени Н. И. Пирогова на кафедре иммунологии совместно с Центральной научно-исследовательской лабораторией, Онкологическим центром АМН СССР и 55-й клинической больницей под общим руководством академика АМН СССР Юрия Михайловича Лопухина проводится широкий цикл исследований по изучению природы, биологического действия и клинического использования еще одной активной фракции тимуса — АФТ-6.

Этот препарат получен в лаборатории, руководимой кандидатом биологических наук Виталием Яковлевичем Арионом. АФТ-6 по своим физико-химическим свойствам выгодно отличается от других тимических препаратов, в том числе и от гольдштейновского тимозина. Прежде всего своей чистотой. Об этом говорит значительно меньший вес молекул АФТ-6, с которым связана основная активность препарата.

Основное биологическое действие препарата АФТ-6 — его способность восстанавливать Т-систему иммунитета. Это было показано в опытах на животных с удаленным тимусом. В одинаковых тестах препарат АФТ-6 активен в дозе 1 микрограмм на 3 миллиона лимфоцитов, а тимозин Гольдштейна — в дозе 9-12 микрограммов на то же количество лимфоцитов. Препарат АФТ-6 действует на предшественников Т-лимфоцитов, усиливает киллерную активность, увеличивает число Т-лимфоцитов в культуре клеток и у больных, страдающих от их недостаточности. Ему дали название Т-активин.

Препарат успешно применяли с лечебной целью при некоторых заболеваниях лимфатической системы человека, в частности при лимфогрануломатозе. Есть основания полагать, что Т-активин окажется полезным в более широком плане как эффективное средство для восстановления Т-системы иммунитета.

Тимозин, АФТ-6

Стимулятор антителопродуцентов — САП

До последнего времени не были известны гормоны или медиаторы, которые обеспечивают нормальное созревание Б-системы иммунитета. Неизвестен абсолютно точно и орган, где происходит становление Б-лимфоцитов у млекопитающих, хотя и предполагается, что им служит сам костный мозг. В связи с этим представляет большой интерес описанный в самые последние годы новый класс медиаторов, вырабатываемых костномозговыми клетками.

Первый медиатор этого типа обнаружен в нашей лаборатории в Институте биофизики Минздрава СССР группой сотрудников, возглавляемой доктором биологических наук Августой Алексеевной Михайловой. Первые наблюдения сделаны в 1968 году, последних нет — исследование продолжается.

Михайлова ввела мышам чужеродный белок — антиген. Через четыре дня в лимфатических узлах животных накопились плазматические клетки, вырабатывающие антитела. Клетки лимфатических узлов извлекли и поместили в питательную среду — in vitro (то есть в стекле, в стеклянном флаконе). Через 18 часов подсчитали, сколько там антителопродуцентов и какое количество антител они выработали. Получили цифры.

В соседние флаконы с питательной средой поместили те же самые клетки, но к ним добавили равные количества клеток из костного мозга нормальных неиммунизированных мышей. Взвесь клеток костного мозга не содержала антителопродуцентов, да сами по себе они и не могут вырабатывать антитела. 18 часов спустя подсчитали: количество антителопродуцентов и антител в смеси выросло втрое.

Сразу же возник вопрос: чьи это клетки — лимфатических узлов или костномозговые? Иначе говоря, то ли иммунные клетки лимфатических узлов заставляют подключиться к работе неиммунные клетки костного мозга, то ли костномозговые клетки интенсифицируют работу ранее включенной и теперь уже зрелой популяции антителопродуцентов.

Культивируемые клетки разделили мембраной, через которую они не проникают, но проходят все вырабатываемые ими растворимые компоненты. С одной стороны мембраны поместили иммунные клетки лимфатических узлов, с другой — костномозговые. Через 18 часов культивирования посмотрели и подсчитали количество антителопродуцентов. В костномозговой суспензии они не появились, а среди лимфоидной их стало втрое больше. Значит, именно костномозговые клетки вырабатывают растворимый фактор — медиатор, который обеспечивает увеличение числа зрелых антителопродуцентов в 3 раза! Это происходит уже через 6 часов, без клеточного деления. Следовательно, медиатор активизирует готовые к выработке антител, но до поры "молчащие клетки".

Следующим этапом исследования было выделение этого медиатора из питательной среды, в которой находился костный мозг. Сначала убедились, что в этой среде действительно накапливается стимулятор. Для этого к лимфоидным клеточным суспензиям добавили не костный мозг, а лишь культуральную жидкость, в которой в течение 18 часов жили костномозговые клетки. Эффект воспроизвелся.

После этого жидкость стали разделять на фракции с помощью метода колоночной хроматографии (суть его в использовании различий молекулярных весов и размеров белковых молекул). Из 40 выделенных фракций активными оказались лишь те, чей молекулярный вес находился вблизи значений 13 тысяч. Это совсем некрупная молекула, молекулы антител достигают иногда 900 тысяч.

Костномозговому стимулирующему фактору авторы дали имя САП, что значит стимулятор антителопродуцентов. Молекула САП состоит из двух компонентов — белковой и рибонуклеиновой. Один миллион помещенных в культуру костномозговых клеток вырабатывает 10 миллиграммов САПа. При введении в организм активность препарата оказалась даже более выраженной, чем для культивируемых in vitro клеток: в лимфатических узлах иммунизированной мыши накапливалось в 4-5 раз больше антителопродуцентов.

Последнее, что надо было выяснить, — перспективен ли стимулятор для практических целей? Работа велась с клетками из лимфатических узлов и костного мозга мышей. В генетическом отношении клетки были тождественны, они изымались от животных одного генотипа. В пределах одной чистой линии все особи идентичны друг другу, подобно идентичным (однояйцевым) близнецам. Проводя исследования в таких условиях, мы видели, что клетки взаимодействуют и медиатор этого взаимодействия — САП — активен. А будет ли он работать, если клетки будут разных генотипов или разных видов?

Вопрос этот далеко не праздный. Например, взаимодействие Т- и Б-систем иммунитета осуществляется только при генетическом тождестве Т- и Б-клеток. Чужой Т-лимфоцит не включит Б-клетку. По этой причине практическое использование явления весьма проблематично. У больного человека в подавляющем большинстве случаев нет идентичного брата-близнеца. А ничьи другие Т-лимфоциты и выделяемые ими медиаторы не могут включить Б-лимфоцит в работу.

САП и здесь показал себя с отличной стороны. Использование костномозговых клеток крыс, кур, поросят и телят показало, что все они годятся для получения стимулятора. Это открывает перспективу его использования в фармакологии. Вот что предполагает Михайлова: "При лечении ряда инфекционных заболеваний больному вводят готовые антитела — гаммаглобулины, чтобы нейтрализовать микробные яды и снять интоксикацию. Но гораздо эффективнее было бы мобилизовать защитные силы организма, увеличить количество антител с помощью САПа. Его же можно использовать и для усиления воздействия вакцин, при лечении хронических инфекций и некоторых других заболеваний, связанных с дефектом Б-системы иммунитета". — К этому я могу добавить, что САП может оказаться эффективным средством лечения аллергий, ибо одна из основных причин аллергий в том, что организм не может вырабатывать защитные антитела против аллергенов.