Не все микроорганизмы и вирусы представляют угрозу нашему существованию, но многие из них могут серьезно навредить здоровью. Как устроены самые распространенные возбудители заболеваний?

Вирус (от лат. virus – «яд») – это неклеточный инфекционный агент, который поражает живые клетки. Вне клетки вирус существует в виде независимой частицы – вириона. Она состоит из двух или трёх компонентов: генетического материала в виде ДНК или РНК, белковой оболочки – капсида, защищающей нуклеиновые кислоты, и в некоторых случаях – дополнительных липидных оболочек. Как только вирус попадает в клетку, он постепенно убирает свои защитные оболочки, освобождает генетический материал и начинает размножаться за счет клеточного аппарата синтеза белка самой клетки. В результате этого процесса клетка не может функционировать нормально. Поскольку вирус распространяется, то из строя выводятся скопления клеток, тканей, а в некоторых случаях – даже органы (например, вирус гепатита C «выключает» печень).

Множеством загадок и мифов окружен вирус иммунодефицита человека или ВИЧ. Впервые он был обнаружен в 1981 году. По состоянию на 2017 год, в России зарегистрировано 1,2 млн ВИЧ-инфицированных. Это самый большой показатель среди всех стран Европы по данным UNAIDS – объединенной программы ООН по ВИЧ/СПИД.

Вирусы

Вирус иммунодефицита человека поражает T-хелперы, дендритные клетки, макрофаги, которые осуществляют важнейшие иммунные функции. За счет снижения количества иммунных клеток у зараженных ВИЧ, они становятся более восприимчивыми к разного рода инфекциям. В медицине это состояние получило название «синдром приобретенного иммунодефицита» (СПИД). Страдающие СПИДом чаще заболевают различными инфекциями – туберкулезом, цитомегаловирусной инфекцией, токсоплазмозом и другими заболеваниями. Условно патогенные штаммы бактерий и грибков – те штаммы, которые не являются болезнетворными для людей с нормальной иммунной системой – часто становятся причиной развития серьезных недугов у ВИЧ-инфицированных.

Бактерии

Бактерии (от др.-греч. βακτηριον – «палочка») – это одноклеточные микроорганизмы, которые не имеют оформленного клеточного ядра, то есть прокариоты. К безъядерным организмам также относят еще и археи, которые обитают в тех же экологических нишах, что и бактерии, включая кишечник человека. Весят прокариоты примерно столько же, сколько все растения нашей планеты, и по своей массе они превосходят массу всех животных, обитающих на Земле – 1015 кг. По оценкам ученых, 2/3 всего биоразнообразия представлено бактериями – от 10 миллионов до триллиона различных видов.

Клетки кишечной палочки Escherichia coli

Организм человека – это большой дом для множества микроорганизмов. Только представьте: масса бактериальных клеток, населяющих кишечник, составляет от 1 до 2 кг, а численность этих клеток превышает численность клеток нашего собственного организма в 10 раз! Микробы, живущие на других слизистых поверхностях организма, помогают нам получать витамины группы B, витамин K, и другие биологически активные вещества. Например, гамма-аминомасляную кислоту – ГАМК. Это вещество является нейромедиатором в центральной нервной системе, благодаря которому нейроны обмениваются электрохимическими импульсами.

ГАМК в ЦНС принимает участие в процессах центрального торможения – кислота «гасит» нервные импульсы. Такой подход можно было бы использовать для лечения заболеваний, когда происходит чрезмерная активация нервной системы и отсутствует торможение. Препарат «Аминалон» или «Гаммалон» – первый в истории ноотроп, представляющий собой гамма-аминомасляную кислоту. Ученые не уверены до конца в его эффективности из-за неоднозначных данных. Исследователи до сих пор не выяснили, может ли гамма-аминомасляная кислота ГАМК в чистом виде проникнуть через гематоэнцефалический барьер – физический барьер между мозгом и кровотоком – или нет. Управление по контролю продуктов питания и лекарственных средств (The U.S. Food and Drug Administration, сокращенно FDA) относит такого рода препараты ноотропы к биодобавкам, а не к лекарствам.

Большинство микроорганизмов не причиняют нам вреда. Наоборот, они участвуют в круговороте химических элементов – жизнь без них на нашей планете была бы невозможна. Некоторым представителям царства бактерий – бактериям-симбионтам – выгодно мирно сосуществовать с человеком. Они колонизируют те же ниши, что и патогенные микроорганизмы, вызывающие заболевания, но не причиняют вреда организму. Цель бактерий-симбионтов – получить комфортную среду обитания и питательные вещества. Наша иммунная система поддерживает определенное количество клеток бактерий-симбионтов, поскольку даже небольшое нарушение хрупкого баланса микрофлоры может приводить к возникновению воспалений.

Микроскопические грибы

Микроскопические грибы – это одноклеточные эукариотические организмы с оформленным ядром. Они, как и привычные нам лесные грибы, гетеротрофы. Микроскопические грибы не могут самостоятельно производить питательные органические вещества в отличие от автотрофов – растений и некоторых простейших, которые поглощают различные вещества, воду и производят питательные полисахариды.

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae

Около 300 видов микроскопических грибов представляют для человека опасность и могут вызывать заболевания – микозы. Чаще всего причинами микозов становятся одноклеточные дрожжи. Помимо известных каждому «хороших» дрожжей, которые помогают нам готовить пищу (пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae), варить пиво (дрожжи Saccharomyces cerevisiae и Saccharomyces uvarum, Saccharomyces carlsbergensis), существуют, например, микроскопические грибки Candida albicans, которые иногда вызывают серьезные инфекции – кандидозы.

Люди с первичным, чаще всего – наследственным иммунодефицитом, и люди со вторичным иммунодефицитом – то есть ВИЧ-инфицированные, страдающие от СПИДа, сахарного диабета и других заболеваний, угнетающих иммунитет, подвержены грибковым инфекциям больше всего.

Простейшие паразиты

Простейшие паразиты – это одноклеточные ядерные организмы микроскопических размеров. Они способны получать питательные вещества, захватывая их, передвигаться при помощи жгутиков, ложноножек, ресничек. Простейшие паразиты могут стать причиной серьезных заболеваний, таких как малярия (возбудитель Plasmodium falciparum), сонная болезнь (Trypanosoma brucei), приводящая к серьезным поражениям центральной нервной системы вплоть до изменения личности. Представители вида Trypanosoma cruzi вызывают болезнь Шагаса, основными симптомами которой являются головная боль, лихорадка, увеличение лимфатических узлов, бледность, мышечная боль, а на поздних стадиях возможен летальный исход от сердечной недостаточности. Из-за паразитов рода Leishmania возникают три типа лейшманиозов, поражающих селезенку, печень, кожу и слизистые.

Простейшее Trypanosoma cruzi

Простейшие паразиты используют тело человека как инкубатор, в котором они проходят важные стадии жизненного цикла, в том числе и размножение. Часто эти существа выбирают самые комфортные условия обитания – они заселяют органы и ткани с большим количеством питательных веществ для того, чтобы обеспечить свое потомство пищей, а также стараются укрыться от иммунной системы. Например, возбудитель малярии – плазмодий – размножается в эритроцитах – красных кровяных клетках, укрываясь там от иммунных клеток. В присутствии паразита эритроциты хуже осуществляют свою основную функцию – перенос кислорода в ткани и органы. Это приводит ко множеству негативных последствий. Например, к гипоксии (недостатку кислорода), которая часто вызывает необратимые изменения в головном мозге, в сердечной мышце, в тканях печени и почек, а в перспективе может стать причиной летального исхода. Возбудитель болезни Шагаса или американского трипаносомоза тоже способен обманывать иммунную систему человека. После того, как Trypanosoma cruzi оказывается в организме, этот паразит может блокировать реакции комплемента, который запускается в организме для того, чтобы уничтожить простейшее, а также замедляет образование клонов B- и T-лимфоцитов при первичном иммунном ответе на этот патоген.

Паразитические черви

Паразитические черви или гельминты – это плоские или круглые черви, чьих взрослых особей можно увидеть невооруженным глазом. Чаще всего гельминты живут в кишечнике и всасывают питательные вещества всей поверхностью своего тела. Они способны выживать в теле человека и животных в течение нескольких лет, поскольку обладают довольно прочными покровами, которые с трудом поддаются разрушению, а удерживаются в организме паразиты за счет множества приспособлений – крючков, липучек и присосок. Паразитические черви живут в организме благодаря тому, что они способны манипулировать иммунным ответом – выделять иммуномодулирующие вещества. Например, круглые черви филярии заставляют клетки иммунитета производить в 10 раз больше противовоспалительного цитокина IL-10, снижая эффективность иммунного ответа. Кроме того, они способны сокращать производство провоспалительных сигнальных молекул. Многие паразитические черви «обманывают» иммунитет и продолжают свое существование в организме человека, используя его ресурсы.

Паразитический червь Filaria sp

Все гельминты имеют сложный жизненный цикл, включающий в себя несколько стадий развития со сменой хозяина. Размножаясь, они откладывают яйца, которые защищают зародышей от неблагоприятных воздействий окружающей среды. В таком виде зародыши могут выживать вне организма хозяина несколько месяцев или даже лет.

Пребывание паразитических организмов в теле человека может вызывать тяжелые последствия для его здоровья. Однако смерть организма-хозяина этим инфекционным агентам не выгодна.

Именно благодаря способности гельминтов синтезировать вещества, которые регулируют иммунный ответ, самих паразитических червей иногда используют для лечения аутоиммунных и аллергических заболеваний, при которых иммунитет реагирует чрезмерно. Например, круглый червь власоглав способен вылечить аутовоспаление кишечника – болезнь Крона. Паразит вырабатывает вещества, которые способствуют синтезу противовоспалительных цитокинов. В результате организму удается избежать разрушительных последствий избыточной активации иммунной системы, которая вызывает сильное аутовоспаление в кишечнике.

Наш иммунитет по-разному реагирует на различные внешние угрозы. Например, зараженные вирусом клетки организма уничтожаются Т-киллерами и натуральными киллерами, а клетки бактерий поглощаются в основном фагоцитами. Все эти упомянутые выше клетки эффективно борются с возбудителями грибковых инфекций, тогда как простейших и паразитических червей в первую очередь атакуют эозинофилы. Не будем забывать и о молекулярном компоненте защиты. Антитела помогают распознавать чужеродные болезнетворные агенты, которые связались с клетками или частицами патогенов, а антимикробные белки и пептиды способны убивать патогены напрямую.

Умершие клетки или «клеточный мусор»

В организме постоянно гибнут клетки, которые в результате становятся клеточным «мусором». Его накопление чревато возникновением аутоиммунных заболеваний – воспалительных процессов, при которых здоровые клетки организма и их части воспринимаются иммунитетом как нечто чужеродное и опасное. Если распознавание осуществилось, запускается выработка антител, действие которых направлено против собственных белков, клеток и их частей. В подобных ситуациях антитела – главным образом IgM, IgG – сигнализируют иммунным клеткам об опасности и необходимости уничтожить потенциальную опасность. Они связываются с «клеточными отходами», маркируют их, образуя при этом иммунные комплексы. В результате в организме присутствуют антитела, связанные с антигенами, в роли которых выступают «свои» же белки, клетки и их фрагменты. С этими комплексами взаимодействуют иммунные клетки – макрофаги, нейтрофилы, тучные клетки, базофилы. Они попадают в очаг реакции, связываются с этими антителами и запускают процесс воспаления. Во многом благодаря сериалу «Доктор Хаус», одним из самых известных аутоиммунных заболеваний стала системная красная волчанка. Ее возникновение может быть вызвано накоплением «клеточного мусора». К сожалению, системная красная волчанка – одно из многих аутоиммунных заболеваний. Среди них – ревматоидный артрит, атипичный гемолитико-уремический синдром, наследственная ангиоэдема, болезнь Крона, сахарный диабет I-го типа, аутоиммунная гемолитическая анемия, рассеянный склероз и многие другие. Все аутоиммунные заболевания до сих пор неизлечимы.

Виды клеточной гибели: апоптоз и некроз

Когда клетки организма выходят из строя или погибают, в межклеточном пространстве появляются молекулы, которых в норме там быть не должно. Это своеобразный сигнал иммунной системе – она фиксирует такие сбои и удаляет мертвые клетки из организма. Удаление остатков клеток из организма происходит без воспалительных процессов, то есть с минимальными затратами для организма.

Опухолевые клетки

Раковые клетки или опухолевые клетки – это дефектные клетки-мутанты, которые не могут больше выполнять свои функции в тканях и органах. Раковые клетки опасны для организма человека, потому что они бесконтрольно размножаются, поглощают питательные вещества, необходимые для здоровых клеток, тканей и органов и не выполняют специализированных функций. Кроме того, опухолевые клетки могут распространяться по всему организму и вызывать опухоли в теле, то есть метастазировать. Это может приводить к отказу работы органов и смерти человека. Для того, чтобы опухоль не смогла образоваться и развиться, иммунитет находит злокачественные клетки и уничтожает их на самых ранних этапах.

Меланома. Клетки рака кожи

К сожалению, иммунная система не всегда может обнаружить и уничтожить опухолевые клетки – многие из них обладают набором свойств, которые позволяют избежать распознавания со стороны иммунитета. Если это происходит, раковые клетки продолжают бесконтрольно расти и размножаться. В некоторых случаях иммунная система начинает борьбу с опухолью, но все ее реакции лишь провоцируют рост числа раковых клеток и осложняют течение заболевания. Почему так происходит? Ответ на этот вопрос наука не знает до сих пор.

В наши дни активно развиваются несколько способов борьбы с раком. В том числе – иммунотерапия. Этот вид лечения подразумевает активацию или подавление нашего собственного иммунитета для борьбы с опухолями. В качестве терапевтических агентов часто используются антитела, способные распознавать опухолевые антигены. Они помогают клеткам иммунитета обнаруживать мишени и запускать в их отношении иммунный ответ. Помимо этого, для мобилизации иммунитета и действия против клеток злокачественных опухолей используют сигнальные молекулы – интерфероны и интерлейкины, привлекающие иммунные клетки в очаг опухоли, а также NK-клетки (натуральные киллеры) и T-киллеры, которые непосредственно уничтожают раковые клетки.

В 2018 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине вручили двум ученым – иммунологам Джеймсу Эллисону и Тасуку Хондзё за революционный подход в иммунотерапии опухолевых заболеваний. Ученые предложили способ обхода блокировки иммунных реакций, которые направлены на уничтожение раковых клеток, при помощи специальных молекул.

Еще один способ бороться с раком подразумевает использование модифицированных T-лимфоцитов со специально сконструированными рецепторами. Для этого сначала у пациента забирают собственные T-клетки, которые обучают распознавать опухолевые клетки в лабораторных условиях. После этого иммунные клетки размножают и возвращают в организм пациента. Этот тип лечения совсем недавно, в 2017 году, был официально разрешен в США – его одобрило Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов FDA (Food and Drug Administration). Терапию с использованием модифицированных Т-лимфоцитов врачи планируют применять для борьбы с аутоиммунными заболеваниями, а также для предотвращения случаев отторжения трансплантатов.