Простейшие — симбионты многоклеточных

«Чужие здесь не ходят». Возбудитель сибирской язвы. Возбудители бруцеллеза. Возбудитель туляремии. Возбудитель чумы. Вирус натуральной оспы. Микобактерии. Ретровирусы.

При усложнении многоклеточных организмов сложившиеся за миллиарды лет отношения между клетками, способными к фагоцитозу и их паразитами, продолжали оставаться прежними.

«Чужие здесь не ходят*. Такие отношения обнаруживаются уже тогда, когда начинаешь анализировать пути проникновения в организм людей и животных микроорганизмов, вызывающих у них опасные инфекционные болезни. Не только легионеллы проникают в организм человека через макрофаги (см. разд. 2.1, «Границы феномена сапронозного существования патогенных для людей микроорганизмов*). Эти же макрофаги «спасают* возбудитель сибирской язвы, попавший в альвеолы легких в составе мелкодисперсного аэрозоля, и переносят его в более благоприятные условия медиастинальных лимфатических узлов, где он размножается, а затем вызывает генерализованную инфекцию (Guildi-Rontani C., 2002). Возбудители брюшного тифа, дизентерии, патогенные иерсинии (Y. entero- colitica и Y. pseudotuberculosis) используют для своего выживания в организме человека посредничество М-клеток пейеровых бляшек (Agmina s. insulae Реуегі) подвздошной кишки. Дальнейшая их диссеминация происходит исключительно благодаря выживанию внутри макрофагов, мигрирующих через лимфатическую систему (Smith H., 1996; Finlay В., Falkow S., 1997). Возбудитель туляремии проникает в макрофаги при любом механизме инфицирования и с их «помощью» в течение нескольких дней поражает все ретикулоэнд отел нал ьные ткани (Ellis J., Green M., 2002). Возбудитель бруцеллеза инфицирует как фагоцитарные клетки — макрофаги, так и нефагоцитарные — трофобласты беременных животных (Ко J.,

Splitter G.

Возбудитель сибирской язвы. В настоящее время экология Bacillus anthracis изучена плохо и обычно ее описание ограничивается упоминанием того, что микроорганизм может долго существовать в почве, и хорошо растет на мясопептонных средах (см. например, работы Шуваловой Е. П, с соавт., 2001; Таршиса М. Г. и Черкасского Б. Л., 1997). Но из-за его высоких поражающих свойств как агента биологического оружия, патогенез сибирской язвы у людей и животных изучен очень обстоятельно (см. работы: Dixon Т. D., et аі., 1999; Prince A. S., 2003; GuamerJ. et al., 2003).

Эндоспоры В anthracis могут проникать в макроорганизм любыми путями (чрезкожно, аэрогенно, энтерально и др.), но все их пути ведут в макрофаги, выступающие как универсальные входные ворота инфекции. Отношения В. anthracis с эволюционными предшественниками макрофагов, свободноживущими почвенными амебами, в процессе эволюции сложились как паразитические, т. е, они их использовали для своего размножения, разрушали и сохранялись в окружающей среде в виде спор. После заглатывания спор другими простейшими, цикл повторялся. Такой вывод можно сделать, не имея пока данных о взаимоотношении сибиреязвенного микроба с простейшими почв исходя из наблюдений за его поведением в альвеолярных макрофагах млекопитающих. Макрофаги поглощают споры В. anthracis посредством фагоцитоза. Инфицировав альвеолярные макрофаги, споры быстро достигают эндосомальных компартментов, где должно происходить их разрушение (рис. 28 и 29).

Рис. 28. Фагоцитоз спор δ. anthracis альвеолярными макрофагами (AM) AM были инфицированы спорами В. anthracis (штамм Steme) и через 30 мин исследованы с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. Положение споры внутри AM показано стрелкой. По W. Ribot et аі. (2006)

по эндосомно-лизосомному пути обмена ограничено, и вирулентные штаммы переносятся во внутриклеточный компартмент, обычно называемый репликативной фагосомой.

Рис. 31. Биогенез репликативной фагосомы, являющейся местом обитания В. abortus в культивированных мышиных макрофагах. По R. М. Roop е! аі. (2004)

Недавно было продемонстрировано, что гладкий липополисахарид (ЛПС) В. abortus обладает иммуномодулирующей активностью, которая потенциально помогает бактерии в обеспечении длительного существования в макрофагах хозяина. В частности, эта молекула не разрушается фагоцитами, а переносится к их клеточной поверхности, где она образует макродомены с молекулами MHC класса II. Образование комплекса «МНС класса II — ЛПС»· приводит к снижению способности инфицированного хозяина активировать специфичные к антигенам Bracella CD4⁺ Т-клетки (Forestier et а!., 2000).

Отсутствие этапа слияния с лизосомами сближает репликативный цикл бруцелл с репликативным циклом легионелл (см. рис. 22). Бруцеллы имеют совершенно иной набор генов «факторов вирулентности», чем В. anthracis. Большинство из таких идентифицированных генов необходимы не для нанесения микроорганизмом «поражения» фагоцитирующей клетке, а для физиологической адаптации к условиям среды в ее репликативной фаго- соме. Например, это гены, кодирующие фермент цитохром-Ьй-оксидазу, имеющий высокий аффинитет к кислороду и позволяющий бруцеллам выживать в условиях окислительного стресса. Оперон bvrRS Brucella кодирует двухкомпонентную регуляторную систему, контролирующую экспрессию генов, содействующих сохранению целостности клеточной оболочки. Измененные свойства мембраны bvrRS-мутантов В.

Для нас в цикле размножения бруцелл в макрофагах важно другое — проглядывающееся многообразие отношений между прокариотами и эукариотическими одноклеточными почвенными обитателями. В отличие от В. anthracis, бруцеллы ведут эндосимбиотический образ жизни в макрофагах и, соответственно, в свободноживущих почвенных амебах, что неизбежно сказывается на клинике вызываемой ими болезни. Бруцеллез — хроническое и длительное страдание, сопровождающееся изнурительной лихорадкой. В настоящее время не существует безопасной и эффективной вакцины, которую можно использовать.для предупреждения развития бруцеллеза у людей. Лечение этой болезни антибиотиками требует длительного применения их определенной комбинации. К тому же число случаев возврата болезни после завершения курса антибиотикотерапии достигает 10 % — сложившиеся в архее эндосимбиотические отношения бруцелл с фагоцитирующими клетками пока выше возможностей человека.

Возбудитель туляремии. Экспериментально установлена способность возбудителя этой болезни, F. tularensis, поддерживаться в почвенных простейших A. castellanii (см. рис. 25) и макрофагах (рис. 32).

L, Antony et аі. (1991) изучили рост в макрофагах грызунов F. tularensis и близкородственного микроорганизма F. novicida. Ими обнаружено, что хотя представители Francisella sp., попав в макрофаги, выживают в пределах фагосом по одинаковому механизму, не сливаясь с лизосомами (также как бруцеллы и легионеллы), но макрофаги разных видов грызунов они «различают». Так, возбудитель туляремии оказался способным расти в макрофагах мышей, крыс и морских свинок; F. novicida размножалась в макрофагах мышей и морских свинок, но не крыс. Этот феномен косвенно свидетельствует о существовании у представителей таксона Francisella разных хозяев среди одноклеточных в природных резервуарах.

Показательно и то, что F. tularensis убивает своих случайных хозяев- макрофагов точно таким же образом, как и паразиты свободноживущих амеб — размножившись, они индуцируют апоптическую гибель клетки- хозяина. В отношении макрофагов так поступают многие патогенные для человека микроорганизмы — Salmonella, Yersinia, Shigella, Legionella,

В лимфоидных тканях при чумной инфекции происходят процессы, которые берут свое начало еще во времена господства на Земле одноклеточных организмов. В весьма содержательных экспериментах М. Marketon et аі. (2005) было обнаружено, что в селезенке мыши при экспериментальной чумной инфекции практически не поражаются T- и В-клетки, хотя они там представляют большинство. Зато «в полном составе» гибнут такие клетки-мишени, как макрофаги, дендритные клетки и гранулоциты/ней- трофилы. Авторы делают вывод, что Y. pestis, используя систему секреции Iil типа для разрушения клеток с врожденными иммунными функциями, добивается ускорения летального исхода при чуме. Невольно возникает вопрос к этим авторам, а что, T- и В-клетки у нас не обладают иммунными функциями, раз возбудитель чумы их «не замечает»? Т-клетки при взаимодействии с макрофагами инициируют у них эффективное слияние фагосом, захвативших бактерии, с лизосомами, разрушающими внутриклеточные патогены и выступают «организаторами» комплексного иммунного ответа на возбудитель чумы. И именно антигенраспознаюшие рецепторы В-клеток запускают синтез антител, специфичных к структурам Y. pestis. К феномену отбора возбудителями опасных болезней в качестве мишеней клеток иммунной системы мы еще вернемся в гл. 3.

Вирус натуральной оспы (ВНО).

В настоящее время натуральная оспа считается уничтоженной. Мы не нашли данных, свидетельствующих о возможности поддержания BHO среди почвенных амеб, но его поведение среди макрофагов ничем не отличается от поведения тех микроорганизмов, для которых такая связь установлена, впрочем, судите сами.

BHO среди людей распространяется воздушно-капельным путем. В организме человека он предварительно накапливается в альвеолярных макрофагах, затем по лимфатическим путям проникает в лимфатические узлы, где происходит его репликация, после чего BHO обнаруживается в свободных макрофагах иммунной системы и в крови (первичная виремия). Дальнейшее его распространение происходит по лимфатической системе, и, только накопившись в фагоцитах, он в больших количествах попадает в кровоток (вторичная виремия). Даже если BHO попадает в организм человека нехарактерным для него путем, например, через порез в коже, его накопление осуществляется фагоцитирующими клетками. Сначала он проникает в макрофаги, ими заносится в лимфатические узлы, там размножается и затем распространяется по организму (более подробно о генерализации BHO см. разд. 3.1).

Микобактерии. Ежегодно в мире выявляется до 8 млн новых случаев туберкулеза среди людей (Hui Pan et al., 2005) и 500-700 тыс. новых заболевших «малозаразной» болезнью — проказой (Scollard D. М. et аі., 2006). Сегодня имеются основания считать возбудители туберкулеза (М. tuberculosis) и проказы (М. leprae) сапронозами (см. разд. 2.1). Эти два микроорганизма, несмотря на свое таксономическое сходство, вызывают у людей разные болезни, а их распространение в человеческих популяциях проявляется различными эпидемическими процессами. Ниже мы рассмотрим элементы их прошлого сапронозного существования, наблюдающиеся в инфекционном процессе у людей. Механизмы которые вовлекают эти микроорганизмы в эпидемии, описаны в разд. 4.1.

М. tuberculosis. Ежегодно в мире погибает около 2 млн больных туберкулезом (Hui Pan et al., 2005). Возбудитель болезни проникает в организм человека через альвеолы, куда он попадает в составе капелек аэрозоля. Далее он дксселшнируегся по организму посредством фагоцитирующих клеток. Прежде всего, это альвеолярные макрофаги, клетки альвеолярного эпителия Il типа — пневмоциты (pneumocytes), они присутствуют в альвеолах в гораздо большем количестве, чем макрофаги, и могут попадать в желудочно-кишечный тракт человека; и дендритные клетки (Smith I., 2003). Последние в фундаментальных руководствах обычно описываются с точки зрения осуществления ими «иммунного надзора» в нелимфоидных органах и тканях, где они захватывают антигены и процессируют их в пептиды. После этого, процессированные антигены связываются с антигенпредстав- ляющими молекулами дендритных клеток (белки классов 1 и Il главного комплекса гистосовместимости), те представляют эти антигены цитотоксическим лимфоцитам и Т-хелперам, и «иммунный надзор» пресекает развитие инфекционного процесса (см. руководство Пальцева М. А., 2004).

Возможно, эта схема работает против каких-то других микроорганизмов, но только не в отношении «старых знакомых» фагоцитирующих клеток— М. tuberculosis и М. leprae. В отличие отдифференцированных макрофагов, дендритные клетки обладают способностью к активной миграции по тканям организма и поэтому их считают важным фактором в развитии инфекционного процесса при туберкулезе и проказе (Smith I., 2003; ScoUard D. М. et а!„ 2006),

Однако вернемся к М. tuberculosis. Инфицированные фагоцитирующие клетки в пределах от 2 до 6 недель вызывают в легочных тканях клеточные иммунные ответы. Они проявляются «наплывом» лимфоцитов, активацией и повреждением макрофагов, формирующих так называемую гранулему — казеозные очаги, окруженные фибриновой тканью. Казеозную («творожистую»; caseum = cheese) массу гранулемы формируют погибшие макрофаги (более подробно о формировании и классификации таких гранулем см. в работе Grosset J., 2003). Жизнеспособные М. tuberculosis обычно сохраняются в казеозном центре гранулемы и могут реактивироваться и инфицировать дыхательные пути, вызывая некроз бронхов и образуя полости в легочной ткани. Фиброзные изменения легочной ткани соответствуют отчаянной попытке защитных механизмов хозяина остановить инфекционный процесс путем формирования вокруг центральной зоны некроза защитного вала из коллагена, эластина и гексозаминов (Schluger N. W., 2005).

Роль альвеолярных макрофагов в этом процессе следующая. М. tuberculosis связывается с ними посредством рецепторов комплемента (CR1, CR2, CR3 и CR4), маннозных рецепторов и других поверхностных молекул, хорошо «знакомых» микобактерии из их совместного эволюционного прошлого (например, toll-like receptor 2; TLR2) (Schluger N. W., 2004). Взаимодействие бациллы с маннозным рецептором фагоцитирующей клетки происходит через поверхностный микобакгериальный гликопротеин липо- арабиноманн (lipoarabinomannan, ІАМ) (Schlesinger L. S., 1994). М. tuberculosis проникает в макрофаг посредством эндоцитирующей вакуоли — фагосомы (Smith 1., 2003).

Туберкулезная палочка не имеет классических факторов вирулентности, подобных токсинам С. diphtheriae, Е. coli 0157:Н7, S. dysenteriae или V. cholerae, определяющих клинику болезни. Однако микобактерия ингибирует фагосомно-лизосомное слияние (phagosome-lysosome (P-L) fusion) еще в момент своего контакта с фагоцитирующей клеткой. Р. Kang et аі.

(2005) установили, что взаимодействие липоарабиноманна микобактерии с маннозным рецептором является ключевым моментом предотвращения фагосомно-лизосомного слияния. Благодаря ему предотвращается форми- рование кислой среды во внутриэндосомальном пространстве и блокируется увеличение концентрации Ca²⁺ в цитозоле макрофага. Так как увеличение концентрации Ca²⁺ стимулирует другие защитные реакции клетки- хозяина на инфекцию, например, такие как «респираторный взрыв», продукция NO и цитокинов, то блокирование этой реакции помогает М. tuberculosis избежать срабатывания защитных механизмов хозяина не только на уровне макрофага, но иммунной системы в целом. Такая «выносливость» туберкулезной бациллы в ранней эндосоме уменьшает экспрессию белка главного комплекса гистосовместимости II типа на поверхности макрофага и презентацию антигенов М, tuberculosis Т-хелперам, что приводит к длительному персистированию этого микроорганизма среди клеток реликтовой иммунной системы (объяснение термина «клетки реликтовой иммунной системы» приведено в разд, 2.3).

Детально механизм, посредством которого патогенные микобактерии предотвращают созревание фагосомы, не изучен (Smith I., 2003), Однако микобактерии могут существовать в фагоцитирующих клетках в больших количества и это никак не отражается на прогрессировании болезни (Kaushal D, et аі., 2002). Неконтролируемый рост М. tuberculosis, начинающийся обычно из сайта инфекции, приводит к обширным разрушениям легочной ткани и гибели пациента из-за кислородной недостаточности и легочного кровотечения. Неблагоприятный исход болезни может быть связан с массивной облитерацией легочной паренхимы из-за хронической кислородной недостаточности, с обструкцией бронхо-альвеолярной проходимости в результате гранулематозного роста и по другим причинами (Шебанов Ф. В., 1964). Их мы рассмотрим в разд. 4.1.

М. leprae — возбудитель «малозаразной» инфекционной болезни — проказы (другое название — лепра). «Малозаразной» она считается с позиций контагионистических представлений, предполагающих, что источником возбудителя болезни является больной человек, но эпидемические цепочки между случаями заражения людей удается проследить далеко не всегда. Общее количество больных лепрой в мире в 1988 г. приближалось к 11 млн, из них 62 % приходилось на Азию, 34 % на Африку (Hastings R. et аі., 1988), в начале этого века, по данным ВОЗ, их насчитывалось уже 13 млн человек (Шувалова Е. П. с соавт., 2001). Сами механизмы заражения человека М. leprae далеко не так очевидны, как казалось еще несколько лет тому назад. Например, A. Hagge et аі. (2004) и D. М. Scollard et аі. (2006) вообще предпочли не давать их конкретного объяснения, указав на то, что механизмы трансмиссии возбудителя проказы между людьми неизвестны. Неизвестны так же инфицирующая доза возбудителя болезни, точное количество инфицированных М, Ieprae людей, так как до появления первых клинических признаков болезни нет возможности установить сам факт их инфицирования; а соответственно нет полной ясности и по границам эндемичных по проказе регионов мира.

Таксономическое сходство М. leprae с М. tuberculosis свидетельствует об удивительном многообразии взаимоотношений в мире микроорганизмов. Геном М, leprae не превышает 3,3 м, п. о., тогда как у М. tuberculosis он достигает 4,4 м. п. о, У возбудителя проказы снижено соотношение содержания G+C (58 % у М. leprae, против бб % у М. tuberculosis). И главное, М. leprae содержит только 1614 открытых рамок считывания генов и 1133 псевдогенов, в отличие от 3993 функционирующих генов и 6 псевдогенов, имеющихся у М, tuberculosis. Массив функционирующих генов М. leprae почти на 50 % меньший, чем у М, tuberculosis, у которой около 90 % генома представлены функционирующими генами. Такое упрощение генома М. leprae проявляется элиминированием целых метаболических путей. У возбудителя лепры вырождена защита от токсических радикалов, отдельные гены, определяющие механизмы функционирования детоксикации клетки, являются псевдогенами, ни один из 142 дополнительных генов, найденных только у М, leprae, не связан с метаболическими путями. М. leprae не способна поглощать железо из окружающей среды (см. http://www.leprosy-ila.org/Mycobacterium.html). Ее до сих пор не научились культивировать на искусственных питательных средах.

Дегенеративность генома М. leprae сказывается на скорости ее размножения в клетках человека. Ее удвоение в макрофаге требует 10-20 суток. У М. tuberculosis этот процесс занимает не более 20 ч, Е. соіі в жидкой искусственной питательной среде делится за 20 мин (Bjune G. et аі., 1983). Сравнение геномов возбудителей туберкулеза и проказы показывает более глубокую специализацию М. leprae к пока еще неизвестному природному резервуару среди простейших, чем это можно ожидать для М. tuberculosis.

Более 95 % людей устойчивы к проказе. М. leprae проникает в организм человека через повреждения кожных покровов или поверхность слизистых оболочек. В большинстве случаев внедрившиеся бациллы погибают и не вызывают болезни у человека. Однако в отдельных случаях, рассмотренных в разд. 4.1, развивается латентная лепра, которая может переходить в ту или иную клиническую и иммуногистопатологическую форму болезни (лепроматозная, туберкулоидная и недифференцированная) в зависимости от характера иммунной реакции организма человека на возбудитель болезни. Лепроматозная лепра (Iepromatous leprosy, LL) развивается тогда, когда иммунный ответ проявляется ТЬ2-типом цитокинового профиля с плохо выраженным клеточным иммунитетом. На противоположном конце спектра иммунных ответов находится туберкулоидная лепра (tuberculoid leprosy, ТТ) с выраженным клеточным иммунным ответом и Thl-типом цитокинового профиля. Между этими двумя полярными формами лепры располагаются различные смешанные варианты ее течения (Hagge A. et аі., 2004}.

Для специфической гранулемы лепроматозного типа характерно наличие крупных «лепрозных клеток» (клеток Вирхова) с вакуолизированной протоплазмой и массой заключенных в них М. leprae. Кроме того, в состав гранулемы входят лимфоциты, плазматические клетки, фибробласты и изредка тучные и гигантские клетки. Между инфильтратом и нижней границей эпидермиса обычно остается узкая полоска неизмененной соединительной ткани. В период обострения болезни (лепроматозная реакция) присоединяются сосудистые изменения, гнойно-фибриноидная экссудация, затем расплавление с участием эозинофилов и лейкоцитов. Гранулема туберкулоидной проказы типична, но не специфична. Она состоит из эпи- телиоидных клеток с примесью гигантских и окружена лимфоцитарным валом. Около сильно измененных нервных веточек встречаются единичные бациллы М. leprae. В фазе обострения (туберкулоидная реакция) кровеносные сосуды расширены, наблюдается интерстициальный отек, в центре гранулемы — фибиновдный некроз и скопление лимфоцитов. Поражения недифференцированного типа состоят из лимфоцитов и небольшого количества гистиоцитов и фибробластов. Инфильтрат располагается преимущественно периневрально. Нервные клетки подвергаются восходящим дегенеративным и деструктивным изменениям. Бациллы М. leprae обнаруживаются не всегда, и их, как правило, мало (Торсуев Н. А., 1964).

Как и М. tuberculosis, М. leprae паразитирует в фагоцитирующих клетках и способна подавлять их взаимодействие с Т-хелперами (подробнее об иммунных реакциях на возбудителъ проказы см. в работе D. М. Scollard et аі., 2006). В основном это дендритные клетки, макрофаги и Шваннов- ские клетки нервной ткани. М. leprae распространяется по тканям преимущественно дендритными клетками. Макрофаги являются основным хозяином М. leprae в организме человека. C поверхностью макрофагов человека возбудитель проказы связывается посредством рецепторов тех же типов, что и М, tuberculosis: маннозных (C-type lectin receptors, CD206), Toll-подобных и рецепторов комплемента (CR1 и CR3 на поверхности моноцитов; и CRl₁ CR3, и CR4 на поверхности макрофагов). Так же им блокируется слияние фагосомы с лизосомой, «респираторный взрыв», продукция NO и цитокинов, что позволяет М. leprae избежать быстрой гибели в фагосоме (Scollard D. М. et аі., 2006).

Макрофаг не убивает М. leprae, и если Т-специфический иммунитет активируется, как это имеет место у больных с лепроматозной формой

2) наличие «древних» ретровирусов приматов в геноме отдельных «молодых» ввдов млекопитающих.

Например, получены доказательства по крайней мере двух «взрывов» распространения ERV-L по геному мышей, но не крыс, имевших место менее чем 10 млн лет назад. Однако в геноме приматов ERV-L «обосновались» не менее чем 45 млн лет назад (Benit L. et аі., 1999). Естественно, что мыши не могут быть эволюционной ветвью приматов и инфицировались они ERV-L уже после дивергенции их предкового вида на крыс и мышей. Поэтому объяснить наличие в их геноме копий этих ретровирусов от какого-то общего предка грызунов, а не от источника «вне вида», поддерживающего эти ретровирусы в экзогенном состоянии миллионы лет, весьма затруднительно,

* * ф

Ни один из перечисленных в данном разделе микроорганизмов, включая ВИЧ, не нуждается для своего поддержания в природе в существовании человека как биологического вида. Поэтому не может быть и речи об их совместной эволюции. Даже те механизмы их взаимодействия, которые производят впечатление «хорошо пригнанных» друг к другу, «пригонялись» в тот период геологического времени, когда в природе господствовали эукариоты-простейшие и прокариотические организмы. ВИЧ взаимодействует с фагоцитирующими клетками человека с использованием тех же механизмов, что и другие паразиты свободноживущих простейших. Поддержание экзогенных ретровирусов клетками реликтовой иммунной системы многоклеточных организмов проявляется другим процессом, эволюционным. Мы рассмотрим его ниже.

2.3.