Городские Дни Науки 2016 - Иммунитет и прививки: как защищается организм? - О музыке без музы

Сайт Наука в Сибири 23 мая 2016 г.
Сайт Наука в Сибири 26 мая 2016 г.
Газета Наука в Сибири №20 (3031) от 26 мая 2016 г.
Сайт Новости Сибирской Науки 26 мая 2016 г.

Изобретут ли когда-нибудь вакцину от простуды, откуда берутся новые вирусы и почему кот не подхватит насморк, сколько на него ни чихай? На эти вопросы ответил Сергей Кулемзин, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории иммуногенетики Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН на публичной лекции Информационного центра по атомной энергии и СО РАН, которая состоялась в рамках Городских дней науки. 

S_Kulemzin_1.jpg

Все мы время от времени сталкиваемся с вирусными заболеваниями. Если сравнить рецепт конца 19 века, советующий “пить воду и лежать”, и рекомендации современных врачей — обильное питье и постельный режим — можно увидеть, что за сто с лишним лет прогресса в самых разных научных областях терапия этих болезней практически не меняется: она поддерживает человека, но непосредственно с самим возбудителем бОльшая часть медикаментов ничего сделать не может.

Когда нас лечат от бактериальных инфекций, лекарство “работает” вместо человека. В случае же с вирусами нет никакой возможности “сачкануть”: мы должны сами, при помощи собственной иммунной системы побороть врага. Существуют лишь единицы вирусных заболеваний, поддающихся терапии при помощи специфических средств: это грипп, который постоянно норовит мутировать, гепатит С — против него сейчас есть чудовищно дорогое, но эффективное лекарство и герпес — с последним справляется ацикловир.

Как известно, у вируса есть два способа существования. Вне клетки он, по сути, является просто контейнером для передачи информации — и в этом плане от компьютерного “собрата” на флешке никак не отличается. Попадая же внутрь, он задействует всю клеточную машину для того, чтобы она воспроизводила много таких же новых вирусов.

Люди часто болеют в компании: они успевают заразить своих родственников, сослуживцев, попутчиков в общественном транспорте. Но до сих пор никому еще не удавалось передать вирус собственному коту: как на домашних питомцев ни чихай, они не заболевают. Почему же человек может заразиться от животного, а обратная ситуация маловероятна? Чтобы вирус перешел от одного организма к другому, необходимо, чтобы произошло несколько мутационных событий. Если белковые рецепторы уже очень похожи и у кота, и у человека, можно ожидать, что несколько мутаций осуществят адаптацию вируса к новому хозяину. Когда это отличие сильнее, то и приспособление будет происходить дольше. Поэтому существование больших пулов животных-носителей вируса предполагает, что рано или поздно произойдет адаптация, и вирусы могут перейти на людей. У риновирусов (вызывающих т.н. “простуду”) рецепторы, через которые они проникают в клетки, сильно отличаются у нас и у зверей. Поэтому на кота хоть зачихайся, насморк ему не грозит. В случае же с вирусом гриппа, если собрать большую команду людей и долго чихать на питомца (представим, что кому-то захотелось поставить такой необычный эксперимент), возбудитель инфекции в конце концов передастся, поскольку накопится достаточное количество мутаций.

Для того чтобы инфекционный агент проник внутрь, белкам на его оболочке нужно прореагировать с белками на поверхности клетки, причем они должны идеально, как ключ к замку, подходить друг к другу. Соответственно, если помешать вирусу взаимодействовать с клеткой, то заражения не происходит. 

Например, вирус В, к которому у человека нет иммунитета, связывается с клеткой и проникает внутрь нее. Во втором случае антитела обклеивают вирус А и не дают его белковой части взаимодействовать с клеткой. Такой инфекционный агент внешне жив-здоров, и с генетической информацией в нем ничего не произошло, но он не может проникнуть внутрь. Чтобы антитела могли успешно со всех сторон нейтрализовать вирус, их нужно достаточно много, плюс они должны очень качественно распознавать вирусные белки и подходить к ним с прецизионной точностью.

S_Kulemzin_2.jpg

Откуда вообще берутся антитела?

В нашем организме существует огромное количество В-лимфоцитов, играющих важную роль в работе гуморального иммунитета. Когда происходит заражение, некоторые из таких клеток превращаются в плазматические и начинают производить нужные антитела, при этом постепенно улучшая их качество так, чтобы они как можно эффективней распознавали вирус, связывались с ним и могли его уничтожить.

Антитела могут либо напрямую связать инфекционный агент, не причиняя вреда, либо вызвать лизис, то есть уничтожение агрессора. Проделать это они способны как самостоятельно, используя специфические ферментативные реакции, так и с привлечением помощника: для этого антитела одной стороной связываются с вирусом, а другой — со специальной клеткой, которая хватает и уничтожает вирус.

Почему же при наличии такой отлаженной системы мы всё равно болеем? Почему она не срабатывает моментально? Дело в следующем: чтобы запустить эти процессы, чтобы антител стало достаточно, и они были качественные, распознающие вирус с высокой эффективностью, должно пройти достаточно много времени — примерно две недели. Но когда этот же возбудитель болезни повторно окажется в организме, антитела заведутся “с пол-оборота”, и их будет огромное количество, даже больше чем нужно для уничтожения инфекции.

А если по какой-то причине в организме нет нужных антител? Тогда можно воспользоваться чужими: так происходит в том случае, если зараженный клещ кусает человека, и в пункте вакцинопрофилактики ему ставят иммуноглобулин, представляющий собой не что иное, как препарат очищенных антител, полученный из плазмы крови людей, переболевших энцефалитом (возможно, в неявной форме) и выработавших к нему мощный иммунитет. Правда, в подобной смеси есть антитела ко всему, чем конкретный донор когда-либо болел, а “профильные”, работающие против энцефалита, занимают лишь 1-2 %, тем не менее это возможность заместить собственный иммунитет.

Современный путь предусматривает переход от медикаментов на основе сыворотки крови к созданию биотехнологическим путем препаратов, которые будут содержать только нужные антитела. В новосибирском Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН сейчас готовится к запуску линия специфических антител, направленных на борьбу только с клещевым энцефалитом. Клинические испытания она еще не проходила, но когда это совершится, мы получим препарат, содержащий строго нужные против этого заболевания антитела.

Триумф вакцин

Часто отсчитывают начало эпохи вакцинации с момента изобретения препаратов против бешенства, но первый большой успех вакцин — всё-таки случай полиомиелита. В середине прошлого века, во время эпидемии, это заболевание привело к тому, что огромное количество людей по всему миру стали инвалидами. На борьбу с вирусом были брошены огромные средства, и две независимые исследовательские группы — под руководством Джонаса Солка и Альберта Сэйбина — начали разрабатывать вакцину. Первый коллектив делал инактивированный препарат: вирус полиомиелита обрабатывался формалином, а полученное лекарство вводили при помощи инъекций. Группа Сэйбина делала вакцину с ослабленным вирусом, которую закапывали детям в рот. В организме возбудитель инфекции начинал потихоньку размножаться, но так как он был достаточно слаб, собственный иммунитет человека с ним легко справлялся, и возникал долговременный иммунный ответ. Причем в случае с живой вакциной появлялись дополнительно специфические антитела на слизистой оболочке, то есть такой способ предотвращал еще и возможность репликации вируса там.

В настоящее время используют три вида вакцин: ослабленные, инактивированные и рекомбинантные. Ослабленная — это та, что содержит самый настоящий вирус, который может заражать клетки, делиться, но по некоторым причинам не вызывает сильного патогенеза. Например, делится очень медленно, и собственная иммунная система человека его успевает убить. Либо проникает в клетку неэффективно, и из тысячи вирусных частиц только одна достигает успеха. При таком ослаблении получается, что в организме потихоньку протекает инфекция, иммунная же система активно реагирует, и тяжелого заболевания нет.

Инактивированная вакцина представляет собой препарат живого вируса, который затем подавляется каким-либо химическим веществом, чаще всего — формалином. Попадая в организм, инфекционный агент вызывает полноценный иммунный ответ, но более короткий, чем в первом случае, когда ослабленный вирус “теребит” организм в течение долгого времени. Поэтому ослабленную вакцину вводят один раз, второй же тип требует повторной вакцинации.

Рекомбинантную вакцину получают биотехнологическим путем, она не содержит частиц вируса вообще: в ней либо отдельные вирусные белки, либо пустые частицы, не содержащие генетического материала. Естественно, что максимально опасные для человека препараты — ослабленные, а наиболее щадящие — рекомбинантные. 

Прививать — не прививать?

В США правительство настоятельно рекомендует поставить ребенку прививки от гепатита В, ротавируса, дифтерии, столбняка, гемофильной, пневмококковой и менингококковой инфекций, полиомиелита, гриппа, кори, краснухи, паротита, ветрянки и гепатита А.

В России в соответствии с календарем прививок детей прививают от вирусного гепатита В, туберкулеза, коклюша, дифтерии, столбняка, полиомиелита, кори, краснухи и паротита (свинки). Из этих заболеваний к вирусным относятся гепатит, полиомиелит, корь, краснуха и паротит. Дополнительно можно привить ребенка от пневмококковой, менингококковой и гемофильной инфекций, ветрянки, гепатита А, ротавируса, вируса папилломы человека, гриппа (сезонный препарат) и клещевого энцефалита.

Как известно, в определенных группах современного общества очень распространены “антивакционные” настроения. Специально для борцов с прививками Сергей Кулемзин подчеркнул: из всех прививок в нашей стране ослабленными являются вакцины от туберкулеза, кори, краснухи, паротита — из обязательного списка, все остальные — или инактивированные, или рекомбинантные, то есть не содержат живого вируса. Из дополнительных ослабленные — от ветрянки и ротавируса. Чего же тут бояться?

Особенное внимание исследователь обращает на вакцину от ветрянки. “Ещё с советского времени повелось, что ветрянка — это не болезнь, а просто способ покраски детей, — улыбается Сергей. — Но это заболевание вызывает варицелла-зостер, вирус из семейства герпесных, который очень сильно подавляет иммунную систему человека. Поэтому если ребенок переболел ветрянкой, потом он несколько месяцев цепляет всё подряд. И такой способ получить иммунитет к этой болезни, как переболеть самому, приводит лишь к тому, что у человека надолго подорвана собственная иммунная система. Зачем играть в подобные игры, когда проще привиться?”

Почему же нет эффективной вакцины от простуды? Дело в том, что одних только риновирусов (тех самых, из-за которых у нас насморк и першение в горле) существует огромное количество — более 100 серотипов — они все друг от друга отличаются, и сделать от них действенный препарат невозможно.

Откуда вирусы берутся и когда они закончатся?

С начала 1970-х годов описано более 40 новых высокопатогенных вирусов человека, вызывающих очень тяжелые заболевания, многие — с высокой летальностью. Среди них — вирусы MERS (Middle East respiratory syndrome, ближневосточный респираторный синдром), SARS (severe acute respiratory syndrome, тяжелый острый респираторный синдром), свиного и птичьего гриппа, Эбола, Чикугунья, Зика.

Откуда они берутся? Во-первых, из-за глобализации. Путешествия стали доступны, и если где-то появляется инфекция, ничто не мешает ей очень быстро переместиться в самые разные точки мира. Во-вторых, пищевые продукты из разных стран иногда также становятся переносчиками: еще лет 50 назад люди питались преимущественно тем, что производилось в тех местах, где они жили. Контакты с животными — тоже серьезный фактор: именно от них к нам чаще всего переходят новые вирусы. Если поискать статьи по вирусной тематике за последний год, обязательно попадутся материалы, в которых говорится о том, как некий вирус, ранее известный только для животных, передался человеку.

Например, недавно в Германии был случай, когда у трех мужчин пожилого возраста обнаружился энцефалит в очень тяжелой форме. Врачи пытались вылечить заболевших, но безуспешно: в итоге все три пациента скончались. После вскрытия взяли небольшие участки мозга, отсеквенировали их, то есть установили нуклеотидные последовательности ДНК и РНК, и обнаружили новый вирус. Откуда он взялся, было совершенно непонятно: эти люди друг с другом никогда не общались, жили в разных местах, ели разные продукты. Единственное, что их объединяло — все трое были заводчиками белок (в Германии это достаточно прибыльный бизнес), и, видимо, животные их кусали и передали им новый борновирус, который вызвал тяжелый энцефалит. Группа ученых отправилась домой к заводчикам, у белок взяли образцы для извлечения нуклеиновых кислот, и выяснилось, что зверьки, действительно, были носителями этого вируса.

Почему такое, как может показаться, не случилось бы раньше? Возможно, об этом просто никто не знал — человек умер по непонятным причинам. Да и плотность населения была меньше, как и контакты с животными. Сейчас же, с развитием новых аналитических методов, в самых разных образцах из самых разных источников исследователи постоянно находят новые вирусы. Большая их часть неопасна для людей, но некоторые представляют угрозу.

Вирусы есть у всех

“Слышали ли вы о таком названии — Torque teno вирус? Нет? А он у вас есть”, — утверждает Сергей Кулемзин. Примерно 10-15 лет назад, изучая одного из больных гепатитом, специалисты обнаружили в его организме Torque teno вирус, пытались установить какую-то связь с заболеваниями и выяснили, что он ничего не вызывает. Тогда ученые сделали хорошую тест-систему, и стали проверять его наличие в самых разных группах людей. Например, в России тестировали олимпийскую сборную — людей максимально здоровых. И носителями TTV оказались 95% из них. Учитывая погрешность тест-системы, можно сказать, что этот вирус есть у всех. Что любопытно, у новорожденных детей его нет, но к году 93% населения его уже имеют. При этом до сих пор неизвестно, как он передается и что он вызывает. По-видимому, таких вирусов будет обнаруживаться всё больше и больше. Возможно, в прошлом они были патогенны, но сейчас условия изменились, и они для организма вреда уже не несут.

Есть ли вероятность, что в будущем они мутируют и снова станут патогенными? Тут могут повлиять экологические факторы. Существует закономерность: чем вирус менее опасен, тем его больше. Например, Эбола вызывает смерть в 60-80% случаев, и зафиксировано около 1000 случаев летального исхода. А герпес, вызывающий минимальные неудобства, есть у 80% населения земного шара: им инфицировано 5 млрд человек. Вероятнее всего, прессинг отбора будет давить на непатогенные вирусы таким образом, чтобы они таковыми и оставались. Хотя, относительно того же вируса Torque teno, сейчас появляются подозрения, что он может вызывать некоторые аутоиммунные заболевания. В каком случае вирус становится опасным или, напротив, переходит в разряд непатогенных, сказать сложно, так как переходы очень нечеткие.

В качестве ремарки о страшных эпидемиях, уничтожающих всё и вся, исследователь напомнил историю про кроликов, которые случайно попали в Австралию, где начали плодиться со страшной силой. Фрэнк Феннер, замечательный ученый-вирусолог, в середине прошлого века придумал, как с грызунами справиться. У кроликов есть такой вирус, миксома, который в лабораторных условиях вызывал гибель у 100% животных. И Феннер предложил выпустить этот возбудитель в среду. Предполагалось, что по всей Австралии животные должны погибнуть. И действительно, началась страшная эпидемия. Но в какой-то момент оказалось, что в этой огромной популяции есть небольшой процент суперкроликов, у которых из-за некоего генетического изменения возникла устойчивость к миксоме. Все животные без неё вымерли, а счастливые обладатели мутации вновь заполонили Австралию. И помогают от них, и по сей день, только заборы. “Это модель действия страшного пандемического вируса, убивающего всех, которую мы не раз видели в кино, — отмечает учёный. — И на таком эксперименте в масштабах континента можно убедиться: всех вирусам не убить”.

Елена Трухина

Фото автора и из презентации Сергея Кулемзина


A_Druzhkova_2016.jpg

Сотрудница Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН к.б.н. Анна Дружкова в Новосибирской областной юношеской библиотеке рассказала школьникам пятых-шестых классов, как ДНК помогает ученым узнавать много новой информации о древних животных. Так, благодаря полуразрушенным кусочкам сохранившихся геномов, исследователи выяснили, что на Алтае, оказывается, когда-то проживали родственники практически всех косуль, которые сегодня есть на территории Евразии. Животные сбежались туда во времена глобального похолодания, а как потеплело, снова распространились по материку. Также древняя ДНК помогла установить: лошади были одомашнены не четыре, а десять тысяч лет назад. Помимо этого удалось узнать, что у бурых, белых и вымерших пещерных медведей (в том числе и малых, проживавших на территории Алтая и оказавшихся ближайшими родственниками бурого) был когда-то общий предок. И сейчас Анна Дружкова пытается выяснить, как давно бурые и малые пещерные медведи были одним видом, и почему одни его представители эволюционировали, а другие исчезли. В конце лекции исследовательница задала детям несколько вопросов, и два правильно ответивших счастливчика получили в награду по кусочку бивня мамонта, найденного на территории Новосибирской области. 


O_Posukh_2016.JPG

Идею о том, что музыка в принципе может быть биологической адаптацией, предложил Чарльз Дарвин, — продолжила тему научный сотрудник Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН кандидат биологических наук Ольга Посух. — Он определял ее как составляющую полового отбора, который является частью естественного. Павлиньи хвосты, оленьи рога, яркие окраски не дают никакого преимущества для приспособленности жизни в природе, но при этом помогают иметь успех у противоположного пола.

Дарвин считал: у человека эволюционно развилась способность петь для выражения эмоций, таких как любовь или, например, ревность. Эту идею ученый подсмотрел у птиц, пение которых стало настолько красивым и сложным благодаря тому, что самки ассоциировали музыкальные способности самцов с высоким качеством их генов.

Ученые продолжили идею Дарвина и предположили: музыкальные способности у человека являются отражением высокого уровня его когнитивных процессов, а последнее в свою очередь — показатель высокого качества генов в целом. Якобы первобытные женщины, подобно самкам птиц, выбирали себе в мужья самых одаренных музыкантов в надежде, что эти прекрасные гены передадутся их потомкам. Получалось, сложная музыка — это такой способ мужчин прорекламировать свой могучий ум. Но оказалось, что не совсем, — предупреждает Ольга. — Если бы всё происходило согласно этой логике, то у одаренных музыкантов должно быть наибольшее количество сексуальных партнеров, много детей, они должны быть очень умны и физически приспособлены. Шведские ученые провели исследование и выяснилось, что да — у талантливых мужчин музыкальные способности действительно связаны с умственными, но к физическим они не имеют никакого отношения, так же как и к успехам в сексуальной жизни. Из этого мы можем сделать вывод: на самом деле музыкальные способности у человека развились не из-за полового отбора.

Появление музыки связывают и со становлением языка. Некоторые ученые считают, что сначала был язык, из которого возникла музыка, другие — что всё происходило наоборот, третьи думают, было некоторое предковое явление — музыкоязык, которое объединяло в себе функции обеих составляющих. Также есть мнение, будто музыка, как явление абсолютно бесполезное в хозяйстве и для выживания в природе, возникла в качестве приятного бонуса языка. Впрочем, утверждает исследовательница, эту точку зрения легко оспорить: “Музыка вполне могла помогать выживать. Например, колыбельные. Уже сейчас показано: эти песни снижают уровень кортизола — гормона стресса — в крови у маленьких детей. Также, вероятно, музыка помогала формировать и укреплять социальные связи за счет ритуалов с ее участием”.

Раньше ученые считали, что отделы мозга, отвечающие за музыку, так или иначе полностью пересекаются с участками, ответственными за язык. Но последние исследования с помощью современных методов нейровизуализации показали: это не совсем так. Есть группа нейронов, которые реагируют только на музыку, а остальные звуки оставляет без внимания. 

Представления биологов, какие отделы мозга за какие особенности восприятия музыки отвечают, долгое время базировались на информации о том, как разные группы повреждений мозга влияют на восприятие музыки и речи. Например, описан случай, когда после инсульта у людей пропадала способность говорить, но сохранялась способность петь. Либо они переставали узнавать мелодии, но по словам спокойно угадывали песни.  У Оливера Сакса в его книге “Музыкофилия” описано огромное количество подобных случаев нарушений, в том числе музыкальные галлюцинации и синестезия — явление, когда ноты ассоциированы с разными цветами и иногда даже вкусовыми ощущениями. 

Другой интересный вопрос: являются ли музыкальные способности аследуемыми? Для начала, чтобы исключить влияние среды, ученые исследовали младенцев, у которых еще не накопился достаточный музыкальный опыт. Оказалось, совсем крошечные дети способны замечать, когда в мелодии, например, поменяли местами некоторые ноты или сбили ритм. То есть базовые музыкальные способности оказались врожденными. Когда начали проводить исследования на целых семьях, стало совершенно понятно, что как минимум в половине случаев талант к музыке может определяться генетическими факторами. “Казалось бы, всё просто. Но это не так, потому что музыкальные способности (умение определять высоту звука, частоту, продолжительность тона) — это очень сложный количественный признак. То есть он контролируется огромным числом генов, “поймать” которые очень трудно. Пока ученые смогли определить лишь некоторые из них», — комментирует Ольга Посух.

Впрочем, даже если с “наследством” не очень повезло и достались потоптанные медведем уши, отчаиваться не надо. Восприятие базовых музыкальных параметров действительно, в основном, определяется генами, но дальнейшее формирование нейронных связей с эмоциональными отделами мозга происходит уже под влиянием культурной среды. Поэтому, чем раньше вы начнете заниматься музыкой, тем лучше.

Диана Хомякова

PDF-файл номера газеты Наука в Сибири со статьями, посвященными Дням Науки