Spotlight #40 – Імунологія та інфекційні хвороби: архітектура імунітету, механізми вакцин і динаміка епідемій

Імунологія перебуває на перетині молекулярної біології, еволюційної теорії та системної медицини. Імунна система повинна розв'язувати комбінаторну задачу приголомшливого масштабу: розпізнавати практично необмежений всесвіт можливих антигенів, маючи скінченний геном, запускаючи відповіді проти патогенів, залишаючись при цьому толерантною до 30 000 власних білків. Рішення включає стохастичне перекомбінування генів (що породжує понад 10¹⁸ унікальних рецепторів), клональний відбір та багаторівневий зворотний зв'язок. Математична епідеміологія потім масштабує ці молекулярні події до рівня популяції.

1. Вроджений імунітет

Вроджений імунітет — це перша лінія захисту, що діє протягом секунд-хвилин після зустрічі з патогеном. Він спирається на обмежений набір рецепторів розпізнавання патернів (PRR), які виявляють консервативні мікробні структури — так звані патоген-асоційовані молекулярні патерни (PAMP) — відсутні у клітинах господаря. Оскільки PAMP є необхідними для виживання мікроорганізмів і висококонсервативними серед видів, їх непросто змінити мутаціями, щоб уникнути виявлення.

Toll-подібні рецептори (TLR) — мембранні та ендосомальні:
  TLR4: ліпополісахарид (LPS) грамнегативних бактерій
  TLR3/7/8: одно- та дволанцюгова РНК (вірусна)
  TLR9: неметильована CpG ДНК (бактеріальна/вірусна)
  Подальша сигналізація: MyD88 → NF-κB → прозапальні цитокіни
  Шлях Trif: IRF3 → IFN-β (противірусний інтерферон I типу)

Шлях cGAS-STING (розпізнавання цитозольної ДНК):
  cGAS виявляє дволанцюгову ДНК у цитоплазмі → синтезує cGAMP
  STING → IRF3+NF-κB → IFN-β + TNF + IL-6
  Мішень для протипухлинної імунотерапії: агоністи STING для мікрооточення пухлини

Каскад комплементу:
  Класичний шлях: C1q зв'язує комплекс антитіло·антиген
  Лектиновий шлях: MBL зв'язує манозу на поверхні патогенів
  Альтернативний шлях: спонтанний гідроліз C3 (завжди активний на низькому рівні)
  Усі шляхи сходяться на C3-конвертазі: C3 → C3a (анафілатоксин) + C3b (опсонін)
  Термінальний етап: C5–C9 → пора мембраноатакувального комплексу (MAC)

Інтерферони (IFN):
  I тип: IFN-α/β — противірусний стан у сусідніх клітинах
    Індукують ~300 генів, стимульованих інтерфероном (ISG), через JAK-STAT1/2-ISGF3
    Підвищують експресію MHC I для посилення цитотоксичного знищення Т-клітинами
  II тип: IFN-γ — від NK-клітин та Т-хелперів 1 типу
    Активує макрофаги: посилений фагоцитоз + АФК + оксид азоту

Природні кілери (NK-клітини):
  Правило «відсутності свого»: знищують клітини без MHC I (= стресовані, інфіковані або пухлинні)
  Активуючі рецептори: NKG2D (стресові ліганди MICA/MICB) + DNAM-1
  Гальмівні рецептори: KIR/CD94-NKG2A → перевіряють експресію MHC I
  Баланс сигналів визначає рішення «знищити/не знищувати»
          

2. Набутий імунітет: Т-клітини

Набута імунна система породжує різноманітність через V(D)J- рекомбінацію — ендонуклеаза RAG1/2 випадковим чином розрізає та зшиває генні сегменти з варіабельних (V), різноманітних (D) та з'єднувальних (J) ділянок локусів Т-клітинних рецепторів та імуноглобулінів. Отриманий репертуар рецепторів, за оцінками, охоплює 10¹⁵–10¹⁸ унікальних специфічностей ще до будь-якого контакту з антигеном, а потім зазнає клонального відбору при зустрічі зі спорідненим антигеном.

Різноманітність V(D)J-рекомбінації:
  Ланцюг TCRα: ~50 Vα × 61 Jα = ~3 000 комбінацій
  Ланцюг TCRβ: ~52 Vβ × 13 Dβ × 13 Jβ = ~8 800 комбінацій
  Комбінаторно: 3 000 × 8 800 = 2,6 × 10^7
  Стикове різноманіття (додавання P- та N-нуклеотидів у CDR3):
    +10^9 додатково → загальний простір TCR >10^15 унікальних рецепторів
    Порівняння: ~10^7 Т-клітин на одну особу в конкретний момент часу

Презентація антигену через MHC:
  MHC I класу (HLA-A/B/C): презентує внутрішньоклітинні пептиди (8–10 а.з.)
    → цитотоксичним Т-клітинам CD8⁺ (CTL)
    Пептид завантажується в ЕПР через транспортер TAP, β₂-мікроглобулін допомагає згортанню
  MHC II класу (HLA-DR/DQ/DP): презентує позаклітинні пептиди (13–25 а.з.)
    → Т-хелперам CD4⁺
    Завантаження в ендосомі; пептид CLIP витісняється HLA-DM

Диференціація Т-клітин з наївних попередників:
  Сигнал 1: TCR + pMHC (антиген)
  Сигнал 2: CD28 + B7 (костимуляція; відсутність → анергія)
  Сигнал 3: цитокінове оточення → доля клітини
    IL-12 + IFN-γ → Th1 (внутрішньоклітинні кілери, активація макрофагів)
    IL-4           → Th2 (гельмінти; IgE)
    IL-6 + TGF-β   → Th17 (рекрутування нейтрофілів; бар'єрний захист)
    Лише TGF-β     → T-reg (FoxP3⁺; периферична толерантність)

Механізм знищення цитотоксичними Т-клітинами CD8⁺:
  Перфорин (утворює пори) + гранзими A/B (серинові протеази) → апоптоз через каспазу 3
  Шлях FasL + Fas (рецептор смерті)
  Ефективність знищення: ~10 хв на клітину-мішень; спостерігається послідовне знищення
          

3. Гуморальний імунітет: B-клітини та антитіла

B-клітини продукують антитіла — розчинні білки, що зв'язуються з антигенами з високою специфічністю. Після початкової активації B-клітини потрапляють у гермінативні центри лімфатичних вузлів, де зазнають соматичного гіпермутагенезу зі швидкістю у 10⁵ разів вищою за геномний базовий рівень, з відбором за спорідненістю до антигену. Цей ітеративний дарвіністський процес, афінне дозрівання, дає антитіла зі значеннями K_d у пікомолярному діапазоні.

Будова імуноглобуліну:
  Базова одиниця: два важкі + два легкі ланцюги (Y-подібна форма)
  Варіабельні ділянки (VH + VL): антигензв'язувальна ділянка (паратоп)
  Гіперваріабельні ділянки (CDR1/2/3): петлі, що контактують з антигеном
  Константна ділянка (Fc): ефекторна функція (опсонізація, комплемент, ADCC)

Класи антитіл (ізотипи) — визначаються константною ділянкою важкого ланцюга:
  IgM:  пентамер (J-ланцюг); перша відповідь; низька афінність, висока авідність; активує комплемент
  IgG:  мономер (IgG1–4); найпоширеніше сироваткове антитіло; проходить крізь плаценту; ADCC
  IgA:  димер (секреторний J-ланцюг + SC); імунітет слизових оболонок; материнське молоко
  IgE:  мономер; зв'язується з FcεRI на тучних клітинах/базофілах; алергія + протипаразитарний захист
  IgD:  переважно BCR на наївних B-клітинах; сигнальна роль

Рекомбінація перемикання класів (CSR):
  AID (індукована активацією цитидиндезаміназа) дезамінує C→U у ділянках перемикання
  Вирізає константну ділянку → IgM→IgG/IgA/IgE залежно від цитокінового сигналу:
    IL-4 → IgE;  TGF-β → IgA;  IFN-γ → IgG2a (миші)/IgG1 (людина)

Афінне дозрівання в гермінативному центрі:
  Швидкість соматичного гіпермутагенезу: ~10^-3 на п.о. на поділ (проти ~10^-9 геномної)
  Відбір: виживають центроцити з вищою афінністю BCR до антигену, представленого ФДК
  Приріст афінності: у 10–1000 разів за ~3 тижні реакції гермінативного центру
  Результат: довгоживучі плазматичні клітини (кістковий мозок) + B-клітини пам'яті

Моноклональні антитіла (мАт):
  Терапевтичні IgG: трастузумаб (HER2+), пембролізумаб (PD-1), ритуксимаб (CD20)
  Інженерія Fc: подовження періоду напіввиведення (мутація YTE), оптимізація ADCC
  Біспецифічні: блінатумомаб = анти-CD3 × анти-CD19 (залучення Т-клітин)
          

4. Вакцини та імунна пам'ять

Вакцина заздалегідь озброює імунну систему пам'яттю про антиген, з яким вона ніколи не стикалася у вигляді живого патогена. Чотири основні платформи різняться способом доставки антигену, якістю імунної відповіді, яку вони викликають, та складністю виробництва.

Інактивовані вакцини (напр., грип, ІПВ):
  Вбитий патоген → зберігає поверхневі білки
  Природна ад'ювантна активність за рахунок PAMP (флагелін, LPS) у препараті
  Зазвичай потребує 2–3 дози + бустери; слабша клітинно-опосередкована відповідь

Живі атенуйовані вакцини (КПК, жовта лихоманка, вітряна віспа):
  Пасажований вірус втрачає вірулентність, зберігаючи імуногенність
  Часто достатньо однієї дози; найсильніша й найтриваліша Т- та B-клітинна відповідь
  Протипоказані для осіб з імунодефіцитом (ризик повернення вірулентності)

Субодиничні / білкові вакцини (гепатит В, ВПЛ Gardasil):
  Рекомбінантний білковий антиген + ад'ювант (алюм/AS04/AS01)
  AS01 (Shingrix): MPL + QS-21 → активує TLR4 + індукує IL-12 → сильна Th1-відповідь
  Немає ризику інфікування; потребує ад'юванта для подолання слабкої імуногенності

мРНК-вакцини (SARS-CoV-2 BNT162b2/mRNA-1273):
  Модифікована мРНК, інкапсульована в ліпідні наночастинки (псевдоуридин замінює U → уникає TLR7/8)
  Транслюється рибосомами хазяїна → ендогенний антиген → презентація MHC I + II
  Генерує як CD8⁺ CTL, так і CD4⁺ Tfh → гермінативні центри → нейтралізуючі IgG
  Час розробки: від послідовності до першої дози за 63 дні (рекорд випробувань Moderna COVID-19)

Поріг колективного імунітету (модель SIR):
  h_c = 1 − 1/R₀
  Приклади:
    Кір:      R₀ ≈ 15 → h_c = 93%
    COVID-19: R₀ ≈ 3–6 (початковий штам) → h_c = 67–83%
    Грип:     R₀ ≈ 1,3 → h_c = 23%
  Ефективне R₀ за охоплення вакцинацією p_v та ефективності вакцини e:
    R_eff = R₀ (1 − p_v · e)   потрібно < 1 для елімінації
          

5. Епідемічні моделі SIR та SEIR

Компартментні моделі поділяють популяцію на стани хвороби та описують переходи диференціальними рівняннями. Базове репродуктивне число R₀ — середня кількість вторинних інфікувань, спричинених однією інфікованою особою в повністю сприйнятливій популяції — визначає долю епідемії: R₀ > 1 призводить до експоненційного зростання, R₀ = 1 є ендемічним порогом, а R₀ < 1 призводить до згасання.

Модель SIR (Кермак і Маккендрик, 1927):
  dS/dt = −β S I / N
  dI/dt =  β S I / N − γ I
  dR/dt =  γ I
  N = S + I + R = const (замкнена популяція, без демографічної динаміки)

  β = ефективна частота контактів [контактів/день × P(передачі)]
  γ = швидкість одужання = 1/тривалість_інфекційного_періоду [день⁻¹]
  R₀ = β/γ

Епідемічний поріг:
  Пік захворюваності при S = γN/β = N/R₀
  Кінцевий рівень охоплення розв'язує: 1 − f = e^(−R₀·f)   (трансцендентне рівняння)
  Наближений кінцевий розмір: f ≈ 1 − e^(−R₀)   для малих R₀
  Приклад R₀=3: f ≈ 94% популяції зрештою інфіковано (без втручань)

Модель SEIR (додає компартмент експонованих/латентних):
  dS/dt = −β S I / N
  dE/dt =  β S I / N − σ E   (σ = 1/тривалість_латентного_періоду)
  dI/dt =  σ E − γ I
  dR/dt =  γ I
  R₀ = β/γ  (без змін; латентність зсуває терміни, а не кінцевий розмір)
  Час генерації: T_g = T_латентний + T_інфекційний/2

Непрямі (немедикаментозні) втручання:
  β знижується завдяки маскам, соціальному дистанціюванню (зменшення контактів)
  R_eff(t) = R₀ · S(t)/N · [1 − ε(t)]  (ε = ефективність втручання)
  Число відтворення оцінюється за допомогою rt.live або EpiNow2 (баєсівська оцінка Rt)

SIR зі структурою за віком:
  Матриця контактів C_ij (дані WHO POLYMOD): контакти між віковими групами i та j
  β_ij = p_ij × C_ij   (неоднорідне змішування → різні оцінки R₀)
  Молодші: вища частота контактів; старші: вищий IFR (показник летальності інфекції)
          

6. Порушена регуляція імунітету: автоімунність та імунотерапія

Ті самі механізми, що породжують величезний репертуар антиген-специфічних рецепторів, можуть давати збій двома шляхами: самореактивні клони можуть уникнути видалення (автоімунність), або імунна система може розвивати надмірно сильні відповіді на нешкідливі антигени (алергія). І навпаки, пухлини використовують імунні контрольні точки, щоб уникнути знищення. Сучасні імунотерапевтичні препарати спрямовані на відновлення або перенаправлення відповіді.

Типи гіперчутливості (класифікація Гелла і Кумбса):
  I тип (IgE-опосередкований): алерген → IgE на тучних клітинах → дегрануляція → гістамін
    Стани: анафілаксія, астма, кропив'янка, алергічний риніт
    Десенсибілізація: сублінгвальна/підшкірна імунотерапія (утворення блокувального IgG4)
  II тип (цитотоксичний): IgG/IgM націлюються на антиген на поверхні клітини → CDC/ADCC/фагоцитоз
    Приклади: автоімунна гемолітична анемія, синдром Гудпасчера
  III тип (імунні комплекси): розчинні ІК осідають у стінках судин → комплемент + нейтрофіли
    Приклади: СЧВ, сироваткова хвороба, васкуліт
  IV тип (клітинно-опосередкований, затримка 48–72 год): Th1 + CD8 CTL; без антитіл
    Приклади: контактний дерматит, туберкуліновий шкірний тест (проба Манту), відторгнення трансплантата

Автоімунність — порушення центральної та периферичної толерантності:
  Центральна (тимус): негативна селекція високоафінних самореактивних Т-клітин
    Транскрипційний фактор AIRE: експресує периферичні антигени в тимусі
    Мутація AIRE → APECED (мультиорганна автоімунність)
  Периферична: супресія T-reg; CTLA-4 конкурує з CD28 за B7
    Втрата T-reg → спонтанна автоімунність (нокаут FoxP3 = миші scurfy)
  Молекулярна мімікрія: епітоп патогена нагадує власний (М-білок стрептокока → ревматична лихоманка)

Інгібітори контрольних точок (протипухлинна імунотерапія):
  Блокада CTLA-4: іпілімумаб (анти-CTLA-4) → знімає ко-інгібувальне гальмо праймінгу Т-клітин
  Блокада PD-1/PD-L1: пембролізумаб/ніволумаб → відновлює функцію виснажених TIL
    PD-L1, що експресується пухлинними клітинами → пригнічує знищення CD8⁺ TIL → уникнення імунної відповіді
  Частота об'єктивної відповіді:
    Меланома (іпілімумаб): 20% проти 10% (попередня терапія)
    НДРЛ (пембролізумаб + хіміотерапія): 60% проти 45%
  irAE (імуноопосередковані небажані явища): ~30% III–IV ступеня, лікуються кортикостероїдами
  CAR-T-клітинна терапія: анти-CD19 (тисагенлеклейцел), анти-BCMA (ідекабтаген)
    Синдром вивільнення цитокінів (CRS) I–IV ступеня; порятунок тоцилізумабом (анти-IL-6R)
          

Спробуйте ці симуляції