Валерий Чолаков
Нобеловите награди (61) (Учени и открития (1901–1982))

Имунология

В организма на човека и другите живи същества има сложна система за защита от чужди тела и молекули. Огромен брой бактерии и вируси се срещат в природата, но само нищожна част от тях са патогенни. Срещу останалите човекът има вроден имунитет. Някои болестотворни микроби, попадайки в тялото, събуждат защитните сили и ги „научават“ да се борят с болестта. Това е активният придобит имунитет. При други заболявания организмът също образува антитела, борещи се с нашествениците, но това става твърде бавно, за да се спре ефикасно болестта. В този случай може да се помогне, като се инжектира кръвен серум с готови антитела от друг организъм. Това е пасивният имунитет.

Методът за ваксинация, създаден от Дженър в края на 18 век и доразвит от Пастьор и други учени през 19 век, води до създаването на активен имунитет. С помощта на патогени, които приличат на истинските причинители на болестта, организмът се научава да се бори с опасните микроби и да ги разпознава всеки път, когато попаднат в него. На един друг изследовател — Емил фон Беринг, науката дължи разработването и прилагането на първия метод за създаване на пасивен имунитет. Това средство бе изпробвано срещу дифтерията и победата над тази болест предизвика голям ентусиазъм в края на миналия век.

В 1890 г. Беринг и неговият сътрудник от далечна Япония Шибасабуро Китасато установиха, че при инжектирането в животни на стерилизирани култури от бацили на тетанус или дифтерия в кръвта се образуват антитела, които могат да неутрализират токсините, отделяни от живите бацили. Още по-важно беше, че антитоксините от едно животно могат да лекуват друго животно. Тези чудодейни вещества, се намираха в серума — кръвната течност. Една година по-късно, в коледната нощ на 1891 г., Гайслер преля серум на едно дете в една берлинска клиника. Това беше първият случай на лекуване на човек от дифтерия по метода на серумната терапия. Скоро този метод започна да се прилага широко в света и смъртността от дифтерията спадна от 35% до 5%. Лечебният серум се получаваше от животни, например коне, и след пречистване се използваше за лекуване на хора.

Изследванията на Емил фон Беринг не само доведоха до победа над дифтерията, но и откриха едно ново поле в медицината. Те дадоха силен тласък за развитието на имунологията. Спечелвайки си голяма известност, той стана първият лауреат на Нобелова награда по медицина през 1901 г. за въвеждането на серумната терапия в терапевтиката и медицинската наука.

В началото на века бе направено едно интересно откритие. Установи се, че явленията, които се наблюдават при кръвопреливане, могат да се обяснят с помощта на имунологията. През 1901 г. Карл Ландщайнер обяви пред научния свят, че е открил три различни групи човешка кръв, а в 1902 г. неговият сътрудник А. Щурли, заедно с А. фон Декастело, описа и четвърта кръвна група. Може да изглежда странно, но това изключително откритие не предизвика особен интерес.

Още към 1903 г. Ландщайнер твърдеше, че случаите на шок, жълтеница и хемоглобинурия, които се наблюдават при кръвопреливане, се дължат на несъвместимостта между различните видове кръв. Но едва към 1909 г. сред медицинските среди се наложи мнението, че преливането на кръв между хора от една и съща кръвна група е напълно безопасно. Така първото последствие от откритието на Ландщайнер се оказа хемотрансфузията, която е от изключително значение за хирургията и за редица случаи в клиничната медицина.

В същия период, между 1901 и 1903 г., Карл Ландщайнер показа и значението на кръвните групи за съдебната медицина. Червените кръвни телца са носители на различните фактори, които определят кръвногруповата принадлежност. Едни еритроцити имат фактора A, в еритроцитите на други индивиди се среща факторът B. Възможно е двата фактора да присъствуват едновременно — това е групата AB, или пък те да липсват — група 0. Така кръвните групи се оказаха една от проявите на човешката индивидуалност.

Третата насока, в която откритието на Карл Ландщайнер намери приложение, бе антропологията. Още първите изследвания показаха, че факторите на кръвта се срещат доста неравномерно сред различните човешки групи. Така например в Европа процентът на група А се засилва на север и на запад, а на група Б — на юг и на изток. Изучаването на кръвните групи даде нови и изключително интересни възможности за проследяване на човешките преселения и формирането на различните раси.

Ландщайнер запази своята научна активност до напреднала възраст. Той почина на 24 юни 1943 г. в своята лаборатория от сърдечен удар. Той работи в различни области на експерименталната медицина, но голямото му откритие бяха кръвните групи. В 1930 г. това го направи лауреат на Нобеловата награда по физиология и медицина.

Още Едуард Дженър, правейки първите си ваксинации, забеляза, че понякога вместо да доведе до невъзприемчивост, ваксинирането предизвиква остра реакция на организма. Беринг, за да получи своя антидифтеритен серум, имунизираше коне, които бяха източници на кръвна плазма с антитела. Всички коне получаваха една и съща доза токсин в последователни инжекции през определени интервали. Макар и рядко, случваше се някое от животните да получи тежка криза и дори да умре. Други учени, след въвеждането на серумната терапия, също имаха подобни наблюдения. Пръв обаче Шарл Рише от Парижкия университет разбра, че тук не става дума за някакъв куриоз, а за нова закономерност в жизнените процеси.

Откритието бе направено до известна степен случайно. По време на едно плаване с яхтата на принц Алберт от Монако, известен любител и покровител на океанографията, Шарл Рише получи от него идеята да се заеме с отровната секреция на медузите от рода Физалия. Но пътешествието скоро свърши и Рише се върна в Париж, където, трябваше да се задоволи с по-простите родственици на физалията от Атлантическото крайбрежие. В неговата лаборатория екстрахираната отрова се инжектираше на кучета. Рише очакваше, че те ще свикнат с отровата и ще се имунизират — този модерен термин вече беше въведен за обозначаване на създадената устойчивост на организма. За голяма изненада обаче повторното инжектиране на отровата се оказваше фатално за кучетата. Вместо да се имунизират, те бяха станали свръхчувствителни.

Повече от едно десетилетие Рише посвети на изследването на този феномен. Той изучи всичките му особености, показвайки, че това е нещо като имунитета, но с обратен знак. Той нарече това явление анафилаксис — обратното на профилаксис. Откритието на Рише веднага се оказа от непосредствена полза за медицината. Учените се заеха да създават тестове, с които да проверяват предварително реакцията на организма, за да не се получи фатален шок след инжектирането на някакво вещество. В 1907 г. Рише установи, че при преливане на кръвен серум се прехвърля и анафилактичната свръхчувствителност, т.е. тя е свързана с някакво химично вещество в кръвта. Френският учен обобщи своите резултати в една монография, публикувана в 1912 г. На следващата 1913 г. Шарл Рише бе удостоен с Нобеловата награда по медицина в признание за неговата работа върху анафилаксиса.

Рише постави началото на едно ново направление в медицината. Оказа се, че редица заболявания са свързани с проявите на свръхчувствителност. Те станаха обект на новата наука алергология. Терминът алергия бе въведен от Пирке в 1906 г. Начинът на борба с анафилаксиса бе посочен от руския учен А. Безредка — ученик и сътрудник на Мечников. Той въведе т.нар. десензитизация — постепенно въвеждане на изключително малки дози от опасното вещество, докато организмът свикне с него. Днес алергиите продължават да са проблем за медицината, а анафилактичният шок понякога изненадва лекарите. Но науката по принцип има средства за борба с тях.

Първите изследователи на имунитета смятаха, че тази реакция на организма е насочена единствено срещу болестотворните микроби. На Жул Борде, директор на Пастьоровия институт в Брюксел, се падна да покаже, че имунни реакции има и срещу безобидните клетки на други организми и че това е универсална реакция на организмите срещу всякакви чужди тела. Така бе поставено началото на неинфекциозната имунология.

Изучавайки имунологичните процеси, Борде се сблъска с неудобството да се използват бактерии като антигени. Микроорганизмите бързо се размножават и на този фон се нарушава картината на имунните процеси и те стават трудни за интерпретация. Много по-лесно се оказа, да се въвеждат клетки от друг организъм — например червени кръвни телца. Борде пръв изследва ефекта от такова въздействие и показа, че това е много удобен модел за изследване, тъй като чуждите клетки предизвикват същата имунна реакция, както и микробите. Впоследствие се оказа, че тези изследвания имат много по-дълбок смисъл, тъй като показват биологичната несъвместимост между клетките на различни организми — един проблем, който занимава трансплантолозите от десетилетия. Всъщност именно доразвивайки опитите на Борде с имунното отхвърляне на червени кръвни клетки, Ландщайнер откри човешките кръвни групи.

Многобройните научни приноси в имунологията донесоха на белгийския учен широка известност. В 1919 г. Борде получи Нобеловата награда по медицина за своите открития във връзка с имунитета. С цялата си дейност на учен той допринесе много за теорията и практиката на имунологията.

През 1882 г. в една лаборатория в Месина, Италия, руският учен Иля Мечников се занимаваше със сравнителна ембриология. Негов обект бяха ларвите на морската звезда. Малко преди Коледа Мечников постави прост експеримент — заби в ларвите малки трънчета от една мандарина, приготвена като коледно дърво за децата му. На другата сутрин той забеляза, че около трънчетата са се събрали подвижни клетки, които се стремят да унищожат чуждото тяло. Той описа своите наблюдения и през 1883 г. сподели впечатленията си с известния австрийски зоолог Клаус. Виенският професор му предложи да се нарече това явление фагоцитоза, а подвижните клетки фагоцити — „изяждащи“ клетки.

Това бе голямото откритие в живота на Иля Мечников. Всъщност още от младини той се бе подготвил за него. 80-те години на 19 век бяха период на утвърждаване на имунологията и теорията на Мечников идваше тъкмо навреме. За съжаление тези, за които тя бе предназначена, бяха предимно медици и просто отхвърлиха неговите зоологически доводи. Фактите свидетелствуваха, че в серума има активни вещества, които неутрализират токсините, а както по-късно се разбра, разрушават и микроорганизмите. Учените нямаха нужда от белите кръвни телца в своите теории. Нещо повече — мнозина все още смятаха, че тези елементи не са нормални за кръвта и се появяват само при болест и инфекция. По същото време, когато бе обект на атаки в теоретичните изследвания, Мечников бе подложен и на нападки заради практическата си дейност. В 1886 г. той бе основал Пастьоровата станция в Одеса за лечение на беса. Местните лекари не можаха да понесат факта, че един човек, който не е медик, се бърка в медицината и опитва да налага нови методи, и се постараха да отровят живота на емоционалния Иля Мечников. В 1888 г. той не издържа и отиде в Париж при Пастьор за съвет. Вместо съвет Пастьор му даде една лаборатория и назначение в института си. Мечников остана там до края на живота си.

След ларвите на морската звезда, Мечников се зае да провери теорията си върху по-сложни организми. Той изследва водните бълхи — вид ракообразни — и най-накрая стигна до човека. Четвърт век той събираше данни, докато накрая успя да се наложи. В 1903 г. английските учени Алмрот Райт и Стюарт Дъглас откриха, че в серума на имунизирани животни има вещества, наречени от тях опсонини, които полепват по бактериите и ги подготвят за поглъщане от фагоцитите. С други думи, бактериите трябва да бъдат „намазани с масло“, преди фагоцитите да ги изядат. Това до известна степен помиряваше химичната и биологичната теория.

През 90-те години на миналия век неоспоримият лидер на химичното направление в имунологията бе Паул Ерлих. Той пръв установи, че има латентен период между инжектирането на токсичните вещества и образуването на антителата. Доразвивайки идеите на Бухнер и Борде, той разви концепцията за амбоцептора и комплемента — вещества, които участвуват в подготвянето на микробите за унищожение и в самото им унищожаване. Ерлих изследва предаването на имунитета чрез плацентата и млякото, като с това допринесе за уточняването на истински наследствения и активния имунитет, който се придобива от организма, и пасивния, който се получава след инжектиране на серум. Макар и медик по образование, Ерлих имаше мисленето на химик и търсеше да открие какво представляват антителата. Той пръв показа, че те са вероятно глобулините — белтъчни молекули с кълбовиден строеж в кръвния серум. Връх на постиженията му в имунологията е неговата теория за страничните вериги. Той предположи, че клетката има рецептори, които улавят чуждите тела и се модифицират, нагаждайки се към тях. Това им дава възможност веднага да разпознават врага при втора среща. Гениалната догадка беше потвърдена десетилетия, по-късно, когато Родни Портър и Джери Еделман разкриха молекулния строеж на антителата.

В 1908 г. Нобеловият комитет при Каролинския институт реши да помири Иля Мечников и Паул Ерлих — ожесточените врагове от научните конгреси, като ги награди едновременно с Нобеловата награда по медицина и физиология в признание на тяхната работа върху имунитета. Мечников беше въвел клетъчната теория в имунологията, а Ерлих се беше доближил до молекулярните механизми на имунната реакция. Никой от двамата учени по това време вече не се занимаваше с имунология. Мечников изследваше чревната микрофлора и развиваше теорията, че отделяните от нея токсини отравят организма и го състаряват. Поради това препоръчваше да се яде повече кисело мляко — диета, която известно време беше доста популярна.

Ерлих беше разбрал ограничените възможности на серумната терапия и се беше върнал към изследванията от младите си години, когато изпробваше различни бои за оцветяване на микроскопски препарати. Този път той модифицираше химични оцветители, опитвайки се да ги превърне в лекарства. Той наистина успя, създавайки своя знаменит салварсан, и така се оказа сред създателите на съвременната хемотерапия. Той дори бе предлаган повторно за Нобелова награда.

Първите факти за дейността на имунната система бяха получени при изучаване на различни заболявания. Трябваше да минат десетилетия, за да стане ясно, че имунните процеси са универсално биологично явление, една от фундаменталните характеристики на живите системи. Новите идеи започнаха да се набелязват през 40-те години. Сред тези, които допринесоха за това развитие, бе Питър Брайън Медауор, син на натурализиран английски гражданин от ливански произход. През военните години този учен изследваше възможностите за присаждане на кожа. В 1947 г., вече професор по зоология в Бирмингамския университет, Медауор продължи работата си, като създаде тест за определяне на зиготността при телета-близнаци чрез кожни присадки. Така той се запозна с едно изследване на Р. Д. Оуен от 1945 г. В него се описваше как при телета-близнаци понякога се свързват кръвоносните системи и става обмен на кръвни клетки. В новородените до 50 процента от кръвните клетки могат да бъдат от другия индивид и въпреки това организмът не показва никаква реакция. Но пръв разбра значението на този факт в имунологията Франк Макфарлейн Бърнет от Института Хол в Мелбърн.

Австралийският учен обърна внимание на факта, че способността на организма да дава точно определен имунен отговор не се унаследява, а се развива през първите седмици на живота. Тръгвайки от тези факти, Бърнет разви в 1949 г., заедно с колегата си Ф. Фенър, обща теория за имунитета. Според нея централният проблем на имунологията е разпознаването на „своето“ от „чуждото“ и борбата срещу това чуждо. Тази способност започва да се развива към края на вътреутробния живот и ако тогава в организма попаднат чужди тела, както в случая с телетата-близнаци, недоразвитата имунна система след това ги смята за свои.

Всичко това беше само хубава теория, докато Медауор и неговите сътрудници не представиха експериментални данни в нейна подкрепа. Отначало се правеха кожни присаждания при телета, а после експерименти с мишки. При мишките съществуваше голямото удобство да се използват чисти линии — животни, които дълго време са били кръстосвани помежду си и са станали генетично почти идентични. Решаващите експерименти бяха направени през 1951–1953 г. от Питър Медауор, Рупърт Билингам и Лесли Брент. Те потвърдиха идеите на Бърнет за постепенното развитие на имунната система и възможността за създаване на имунна толерантност към чуждите тела в ранните етапи на това развитие. По същото време Н. Хашек в Прага достигна до същите изводи, работейки с пилета и тръгвайки от съвсем други теоретични предпоставки.

Тези изследвания от края на 40-те и началото на 50-те години дадоха тласък на теоретичните обобщения в имунологията и я доближиха до разгадаването на молекулярните основи на имунитета. Израз на признание за тези успехи бе решението на професорите от Каролинския институт да дадат наградата по медицина и физиология за 1960 г. на Бърнет и Медауор за откриването на придобитата имунологична толерантност.

По това време вече се набелязваха решаващи успехи в разкриването на природата на молекулите, които реализират имунния отговор. Още в края на миналия век беше известно, че при имунните реакции става свързване на някакво вещество от кръвния серум с антигена, попаднал отвън. По-късно се разбра, че антителата са белтъчни вещества. Тяхната структура обаче оставаше неясна. Едва в 1959 г. двама изследователи намериха начин да разкъсват молекулите на антителата на фрагменти, удобни за изследване. Това бяха Родни Портър от Националния институт за медицински изследвания в Лондон и Джералд Еделман от Рокфелеровия университет в Ню Йорк. Работейки успоредно, те успяха да разкрият структурата на антителата.

Някои от аминокиселините, влизащи в състава на полипептидните вериги, съдържат сяра. Между серни атоми от съседни вериги могат да се образуват т.нар. дисулфидни мостове, които свързват веригите. Еделман разрушаваше тези мостове със специални редуциращи агенти и така разграждаше белтъчните молекули на имуноглобулините на фрагменти. Портър постигаше същия ефект, използвайки ензима папаин. По този начин той показа наличието на три фрагмента в антитялото. Два от тях, еднакви по своята природа, можеха да реагират с антигена. Третият имаше други биологични функции, характерни за цялата молекула на антитялото. Този фрагмент беше еднакъв при всички антитела. Така се изясни една важна особеност на имуноглобулините — наличието на участъци, общи за всички молекули, и на фрагменти, определящи специфичността на антитялото. Тези резултати на Портър се съгласуваха добре с изводите на Еделман за наличието на тежки и леки полипептидни вериги в имуноглобулините.

Използвайки тези данни, в 1962 г. Портър предложи схема за строежа на антителата. Според него имуноглобулините се състоят от четири вериги. Две от тях са тежки и съдържат в себе си много аминокиселини. Тези две вериги са свързани помежду си с дисулфидни мостове. Към тях са прикрепени двете леки вериги също с дисулфидни мостове. Впоследствие тази схема бе блестящо потвърдена. В лабораторията на Еделман беше доказано, че дори при най-низшите гръбначни — миногите и акулите, молекулите на антителата са изградени на този принцип.

Забележителната способност на имуноглобулините с лекота да се модифицират затрудни изследванията в този ранен етап. Изхода намери Еделман, като показа, че при някои заболявания се образуват хомогенни имуноглобулини. В 1965 г. в неговата лаборатория започна изучаването на първичната структура на пептидните вериги на тези антитела. Четири години по-късно бе постигнат успех. Еделман и сътрудниците му вече знаеха пълната структура на един имуноглобулин. Потвърди се идеята, че полипептидните вериги на тези белтъчини се състоят от две части — променлива, която участвува в имунната реакция, и постоянна, характерна за дадения вид антитела. Резултатите на Еделман, получени върху антитела от болни, бяха проверени от Портър и при нормални имуноглобулини, които показаха същите закономерности.

Портър даде значителни приноси в изучаването на активните центрове на антителата. Той показа, че антигенът се свързва както с тежката, така и с леката полипептидна верига. Еделман уточни представите за третичната структура на антителата. Той показа, че пептидните вериги се състоят от компактни глобули и приличат на низ от мъниста. Тази схема бе потвърдена от много експерименти.

Решаващите приноси на Родни Портър и Джералд Еделман в изучаването на антителата, направени през 60-те години, изведоха тези учени на водещо място в световната наука. За своите забележителни открития те станаха лауреати на Нобеловата награда по медицина и физиология за 1972 г.

През 70-те години имунологията отбеляза нови успехи и стана една от най-модерните науки. В Каролинския институт зачестиха предложенията да бъдат награждавани учени, работещи в тази област. Такава идея имаше през 1979 г., но тогава общото събрание на професорите отхвърли предложението на Нобеловия комитет и даде наградата по медицина на двама физици, разработили компютърния томограф. Но на следващата 1980 г. наистина наградата бе дадена на трима учени, работили в областта на имуногенетиката.

Единият от лауреатите — Джордж Дейвис Снел — бе вече на почетната възраст 77 години. Повече от три десетилетия той бе работил в Джексъновата лаборатория в Бар Харбър. През 40-те години той бе сред тези, които поставиха началото на имуногенетиката. Работейки с чисти линии мишки, той пръв формулира петте основни генетически закона за съвместимост на тъканите — в пределите на една линия трансплантациите са възможни, докато между различни линии присажданията завършват с неуспех; възможно е присаждане от родителските линии, но присаждания от родителските линии на по-далечни поколения рядко завършват с успех; хибридите от първо поколение приемат присадки от второто и следващите хибридни поколения. Интерпретирани в генетичен аспект, тези закономерности показват, че и най-незначителните генетични различия между донора на присажданата тъкан и реципиента водят до отхвърляне на чуждия материал.

Тези изследвания на Снел го доведоха до извода, че реакцията на несъвместимост се осъществява от група гени, локализирани в т.нар. H-системи на мишките. Това е съкращение от термина хистосъвместимост, или тъканна съвместимост. Известни са 14 такива системи от гени, като тази, която се обозначава условно H–2, е водеща при отхвърлянето на чуждата тъкан. Детайлните изследвания установиха извънредно сложна генетична организация. В системата H–2 има около 500 гена, които контролират не само отхвърлянето на чужда тъкан, но и регулират най-различни имунни реакции. Тези изследвания над мишките дадоха стимул за подобни проучвания при човека. Един от пионерите в това направление бе Жан Досе от клиниката Сен Луи в Париж, който сега е един от 40-те френски академици.

В 1958 г., изследвайки серуми на пациенти, получавали многократно чужда кръв, Досе откри нова система антигени, свързани с левкоцитите, установи нейното генетично разнообразие и показа доминиращото участие на гените от тази система при реакциите на несъвместимост в трансплантациите. Впоследствие тези антигени бяха обединени в системата „HLA“ — от инициалите на английската фраза: човешки левкоцитни антигени.

От това интересно откритие започнаха изследвания, които дадоха възможност да се сортират по групи донорите на тъкани и органи за присаждане, подобно на кръводарителите, което значително повиши възможностите на трансплантолозите. В новото направление се включиха десетки известни учени от цял свят. Изясни се, че системата „ХЕЛА“ е аналог на системата H–2 при мишките. Още веднъж изследванията в чистата наука изведнъж дадоха практически резултат. „Мишият модел“ даде възможност бързо да се напредне в човешката имуногенетика и да се стигне до практическото използване на лабораторните данни.

Тези системи от гени, които играят такава роля в регулирането на имунните процеси, през 60-те и 70-те години бяха обект на изследване и на големия колектив учени, събран около Барух Бенасераф, професор по патология в Харвардския университет. Този учен, роден в Каракас, Венецуела, стана президент на Международния съюз на имунологичните дружества през юли 1980 г.

От края на 60-те години Бенасераф и неговите сътрудници изучаваха генетичния контрол на силата на имунния отговор. Фактът, че имунната реакция на организма е генетично обусловена, бе отдавна известен на учените. Едва към 60-те години обаче, благодарение на генетиците, които усъвършенствуваха метода на работа с чисти линии, и на имунохимиците, които синтезираха специални белтъчни антигени, стана възможно да се напредне в тази област. Изследователите можаха в строго контролирани условия да изучават реакцията на конкретни гени и техния контрол на имунния отговор. Установи се, че тези гени влизат в системата за хистосъвместимост. Всеки индивид има уникален набор такива гени и това определя неговата строго индивидуална реакция спрямо чуждите вещества. Тези резултати имаха важно практическо значение за провеждането на профилактични ваксинации. Учените разбраха, че всеки индивид трябва да бъде третиран по специфичен начин.

Впоследствие Бенасераф и голямата група имунолози около него хвърлиха светлина върху H–2 и хеласистемите в развитието на имунната реакция. Потвърди се, че тези гени регулират имунологичната ситуация в организма — отхвърлянето на трансплантанти, възникването на автоимунни разстройства, създаването на ваксинация, възникването на ракова патология и имунодефицитните състояния.

Най-сериозните заболявания, с които медицината все още не може да се справи, в редица случаи възникват на имунологична основа. Развитието на имуногенетиката дава възможност имунното инженерство да се съчетае с генното инженерство, за да се въздействува на имунитета в самата му основа, като се подменят дефектните гени и се създават в организма нови популации защитни клетки, които да се справят със заплахите за организма. Тези забележителни перспективи следват от работата на Джордж Снел, Жан Досе и Барух Бенасераф — Нобеловите лауреати по медицина и физиология за 1980 г.