CC BY
148
ИММУНОЛОГИЯ № 4, 2012
ГИПОТЕЗА
© Е. П. ХАРЧЕНКО, 2012
УДК 615.371:616.98:578.828.6]-092:612.017.1.064
Е. П. Харченко
ВИЧ: КОЛЛИЗИИ ВАКЦИНОЛОГИИ
Учреждение РАН Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН, г Санкт-Петербург
В обзоре рассматриваются проблемы, связанные с поиском вакцин против возбудителей хронических вирусных инфекций, в частности против ВИЧ. Обсуждаются некоторые особенности ВИЧ-инфекции, коллизии поисков вакцин против ВИЧ и перспективы ретровакцинологии в аспекте иммунной привилегии, функциональной вырожден-ности и неопределенности.
Ключевые слова: ВИЧ, иммунная система, вакцины, иммуногены Kharchenko E.P.
HIV: THE COLLISIONS OF VACCINOLOGY
This review analyses the problems referring to searches of the vaccines against chronic virus infections, particularly HIV infections. It discusses some features of HIV infection, the collisions in developing HIV vaccines and perspectives of retrovassinology in aspects of immune privilege, functional degeneracy and uncertainty.
Key words: HIV, immune system, vaccines, immunogenes
Иммунология своим возникновением обязана стремлениям исследователей рационально организовать борьбу с инфекциями. Еще до открытия микроорганизмов и без опоры на какие-то фундаментальные знания об иммунной системе (ИС) с помощью вакцинации удалось избавить человечество от ряда опасных инфекций. Поэтому в борьбе против опасных хронических инфекций и рака вакцины по-прежнему рассматриваются как наиболее перспективные средства. Однако пути развития вакцинологии и иммунологии оказались, как справедливо замечено [16], дивергированными.
Сейчас установилось понимание, что долговременное действие вакцин связано с механизмами памяти адаптивного иммунитета и что замечательные эффекты вакцинации были достигнуты лишь с "самоограничивающимися" инфекциями, возбудители которых "поражают и уходят". Среди них вирусы кори, оспы, полиомиелита и др. Защита от них обеспечивается главным образом индукцией нейтрализующих антител (нАТ) [4]. Изменения в организме в случае инфекций, вызываемых, например, ВИЧ, вирусами гепатита В и С, вирусом Денге или респираторным синцитиальным вирусом, свидетельствуют об их сложности и параллельной вовлеченности множества молекулярных систем, обеспечивающих выживание и распространение вирионов в пораженном организме. Попытки предотвратить их ускользание от ИС терпят неудачи. На сегодняшний день, несмотря на блистательные достижения молекулярной биологии и иммунологии, беспрецедентные усилия исследователей разных стран по созданию новых вакцин пока не увенчались крупными успехами, так как они не вызывали сильного иммунного ответа и иммунной памяти против этих вирусов. Пробелы в наших знаниях о механизмах функционирования ИС и сегодня, как во времена Пастера, но на другом научном и методологическом уровне, низводят поиски вакцин до ловли удачи [4]. Иммунология не приблизила нас к полному пониманию, как формируется эффективный специфичный иммунный
Харченко Евгений Петрович — раб. тел. (812)552-70-31, e-mail:[email protected]; [email protected]
ответ и как преодолеть возникающую патологическую иммунную толерантность и привилегию. Хотя по своей природе хронические инфекционные болезни и рак фундаментально различны, многие стратегии патологической иммунной привилегии (ИП), ведущие к их возникновению и прогрессированию, оказываются не только общими для них, но и для физиологической ИП органов, т. е. ИП причастна и к нормальному функционированию организма, и к возникновению в нем в результате самоорганизации жизнеопасных состоянии. Сегодня пересмотр основ иммунологии продолжается, и необходимо обновление поиска концепций и стратегий преодоления ИП при хронических вирусных инфекциях, опирающегося на новые представления о границах узнавания ИС "своего" и "не-своего" и не исключающего признания возникновения в организме под влиянием вирусных инфекций особенно в случае ВИЧ необратимых или трудно обратимых состояний, не контролируемых ИС.
Некоторые особенности ВИЧ-инфекции. Среди уникальных свойств ВИЧ вторжение его в организм преимущественно через слизистые поверхности, предпочтительное поражение CD4+T-лимфоцитов и быстрое формирование персистирующего резервуара в латентно инфицированных клетках, причем в 70—80% случаев достаточно одного вириона либо инфицированной им клетки, для того чтобы установилась продуктивная клиническая инфекция, т. е. инфекция реализуется на участии предельно минимального количества вирионов. Преодолев поверхность слизистой, ВИЧ-1 инфицирует CD4+ Т-лимфоциты в подслизистой и быстро диссеминирует по организму. Избегание вирусом адаптивных АТ и Т-клеточного иммунного ответа содействует персисти-рующей репликации вируса и прогрессирующей деструкции CD4+ Т-лимфоцитов, что в итоге ведет к развитию синдрома приобретенной иммунной недостаточности [28]. Но менее чем у 0,2% ВИЧ-1-cеропозитивных пациентов (в литературе они именуются по-разному, например контроллеры ВИЧ) этот синдром не развивается в результате строгого контроля их ИС над репликацией вируса. На протяжении свыше 10 лет вирусная нагрузка у них может
- 206 -
ГИПОТЕЗА
составлять менее 50 копий РНК ВИЧ-1 на 1 мл сыворотки, при этом риск прогрессии к синдрому иммунной недостаточности остается удивительно низким [13].
Благодаря высокой скорости мутации генома ВИЧ из-за склонности к ошибкам обратной транскриптазы (1/105 нуклеотидов, что намного больше 1/109 нуклеотидов для клеточной ДНК-полимеразы) и селекции под влиянием ИС хозяина возникших мутаций вторгшийся в организм ВИЧ вскоре эволюционирует в разные подтипы, оказывающиеся резистентными как к лекарственным препаратам, так и к формирующимся реакциям ИС. Ошибки вирусной обратной транскриптазы — не единственный источник изменчивости генома ВИЧ-1 поскольку она может обусловливаться и генетической рекомбинацией между первично и вторично привнесенными в организм штаммами вируса, неполной нейтрализацией в лимфоцитах вирион-ным дополнительным белком Vif активности генов, которые кодируют семейство ферментов, конвертирующих гуанозин в аденозин в вирусной ДНК, тем самым изменяя закодированную последовательность белков, и, наконец, окислительным стрессом, под влиянием которого нуклеиновые основания могут окисляться [30].
Альтернативой активному размножению ВИЧ-1 является переход его в латентное состояние через встраивание в хромосомы хозяина реверсированного в ДНК вирусного генома. Среди механизмов, способствующих персистентной инфекции ВИЧ-1, недостаточность хозяйских факторов, необходимых для экспрессии, транскрипционная интерференция, рестрикция на уровне хроматина, т. е. привлечение эпигеномного уровня, включающего различные модификации гистонов, а также персистенция вируса через гомеостатическую пролиферацию инфицированных клеток [26].
С началом ВИЧ-инфекции стартует крушение ИС организма, однако последняя, не безмолвствует: все ее системы реагируют на инфекцию. Под влиянием формирующихся в острой стадии инфекции специфических CD8+ Т-лимфоцитов происходит селекция вирусных мутантов, избегающих ИС. Образуются также и АТ к гликопротеинам вирусной оболочки, но они не обладают нейтрализующей способностью и не влияют на процесс отбора вирусных мутантов. Первые аутологичные нАТ возникают не ранее 3 мес от трансмиссии ВИЧ-1. Этот иммунный ответ наблюдается практически у всех зараженных и обычно нацелен на вариабельные области гликопротеинов вирусной оболочки. Примерно 20% хронически инфицированных ВИЧ-1 субъектов имеют нАТ с широким спектром действия, которые нейтрализуют многие штаммы ВИЧ-1 (именуемые далее как шнАТ), а 2—4% таких субъектов содержат шнАТ, к которым чувствительны почти все штаммы ВИЧ-1 [28]. Именно к этому типу иммунного ответа ряд исследователей в рамках концепции ретровакцинологии ищут вакцину, полагая, что она будет эффективна против ВИЧ-1, индуцируя АТ, которые предотвратят начало инфицирования или ограничат ранние события диссеминации вируса [21, 27].
Однако возникают такие шнАТ через месяцы и годы после инфекции, т. е. возникают, что важно подчеркнуть, в контексте хронической инфекции ВИЧ-1 и не защищают от прогрессии самого заболевания [28].
Несравнимое превосходство ВИЧ в скорости размножения и мутации его генома над темпами развертывания механизмов адаптивного иммунитета хозяина обрекает ИС на роль аутсайдера, поскольку репертуар лимфоцитов хозяина не обновляется в том же темпе. Более того, прогрессирующая при поражении ВИЧ лимфопения обедняет его. Поражая вирусом CD4-лимфоциты, ВИЧ дезорганизует ИС в целом, нарушая в ней гомеостаз прежде всего тех популяций регуляторных лимфоцитов (как и уровень цитокинов, выделяемый ими), которые происходят пре-
имущественно от CD4-линии клеток, и функциональное состояние взаимодействующих с ними клеток.
Коллизии поисков. Сами искатели вакцин против ВИЧ характеризуют трудности в дизайне вакцин, которые могли бы индуцировать протективный иммунитет, как сложные и пугающие. Несмотря на почти три десятилетия поисков, мы не знаем специфических иммуногенов, достаточных для защиты против ВИЧ-1, и не знаем, как их предсказать. Испытано уже более 30 вакцин-кандидатов против ВИЧ (их перечень приводится в обзорах [27, 28]). Они базировались на разных вирусных векторах с включенными разными генами ВИЧ, плазмидных ДНК, ВИЧ-подобных частицах, растворимых белках ВИЧ или их пептидах (эпитопах) с адъювантами или без них при разных режимах иммунизации. Транслировать в эффективную вакцину для человека то, что обнадеживало в опытах по вакцинам на модельных системах (приматах) и в обследованиях зараженных лиц, проявлявших необычный контроль за репликацией ВИЧ-1, не удалось [28].
Из-за ограничений объема публикации мы коснемся лишь тех исследований, которые были выполнены на человеке. Такое сужение рамок анализа оправдано и тем, что моделирование процесса на животных часто оказывается, как справедливо подчеркивается, обесцененным из-за слишком существенных отличий их ИС от ИС человека [36], и сами неудачи в случае поисков вакцин против ВИЧ-1 еще раз подкрепляют этот довод. Кроме того, в модельных системах используются режимы заражения и иммунизации, существенно отличающиеся от естественного процесса заражения человека и дозировки вводимых ему вакцин.
Поскольку через взаимодействие гетеротримера (gpl20)3(gp41) на поверхности оболочки ВИЧ-1 с мембраной CD4+ T-лимфоцита осуществляется инфицирование последнего, то было вполне очевидно, что именно к гетеротримеру должны быть индуцированы нАТ, а для проявления у них широкого спектра специфичности они должны быть мишенированы к консервативным областям gp120 и gp41 при минимуме их реагирования на типоспецифические эпитопы и те области, которые не экспонированы поверхностно в нативном гетеротримере. Из соображений безопасности живые аттенуированные вакцины, как и вакцины из инактивированного ВИЧ-1 из-за отсутствия эффективности их у приматов, на людях не испытывались. Приоритет первоначально был отдан субъединичным иммуногенам ввиду их безопасности и эффектов при конструировании вакцин против других вирусов. Использование субъединичных иммуногенов на основе gp120 оказалось неэффективным — они не предотвращали ВИЧ-1-инфекцию, не снижали вирусную нагрузку и не задерживали прогрессию заболевания. Неудача сопутствовала и при использовании растворимых гетеротримеров и их модификаций, которые изначально рассматривались как идеальные мишени для связывания шнАТ [21,27 ,44].
Среди механизмов, минимизирующих иммуноген-ность белков оболочки ВИЧ-1, исключение связывания компонентов комплемента, которые обычно усиливают иммуногенность и определяют формирование типа иммунного ответа. Для многих антигенов связывание С3-компонента необходимо для транспорта их в фолликулы лимфоузлов, а при его отсутствии образование АТ редуцируется, и образуются лишь краткоживущие клетки памяти. При инъекции в организм gp140 не стабилен и быстро распадается на пептиды, которые быстро выводятся из циркуляции [22]. Такие особенности белков оболочки ВИЧ-1 в отношении связывания комплемента косвенно свидетельствуют о наличии у них свойств, характерных для белков хозяина, к которым ИС толерантна.
Препятствиями для создания иммуногенов широкого спектра к компонентам оболочки ВИЧ-1 служат прежде
- 207 -
ИММУНОЛОГИЯ № 4, 2012
всего замаскированность консервативных эпитопов углеводными компонентами, их временная экспозиция и сте-рическая "замурованность", необходимость преодолевать энтропический барьер для связывания с ними АТ. Некоторые эпитопы оболочечных гликопротеинов гомологичны белкам хозяина и иммуногены. Они вызывают образование полиреактивных АТ, которые могут формировать толерантность. Большинство же индуцируемых ВИЧ-1 АТ реактивны к вариабельным петлям gp120 и gp41 либо распознают те консервативные эпитопы, связывание с которыми не приводит к нейтрализации вирусов. Что особенно важно: эффект АТ, которые способны нейтрализовать инфекционный штамм, оказывается кратковременным из-за возникновения мутаций, позволяющих избегать ИС. В целом иммунизация приводит преимущественно к возникновению АТ к эпитопам иммуногена использованного штамма вируса либо легко нейтрализуемых штаммов (tier 1), спорадически и слабо нейтрализуя ВИЧ-1 из первичных изолятов [28].
После неудач с субъединичными иммуногенами внимание исследователей переключилось на дизайн вакцин, активирующих против ВИЧ-1 как клеточное (для блокирования репликации вируса в зараженных клетках цитолитическими СБ8+-лимфоцитами), так и гуморальное (для нейтрализации свободных вирионов АТ) звенья ИС. Испытание Merck rAd5 HIV-1 вакцины-кандидата (основана на аденовирусном векторе с включенными генами gag, pol and nef HIV-1), вызывавшей образование специфических к HIV-1 CD8+-лимфоцитов, было прервано из-за ее неэффективности и возникновения тренда увеличения инфицирования тех субъектов, которые содержали нАТ, вызванные вакцинацией [9, 20]. Другая вакцина-кандидат (испытание RV144 в Таиланде, первичная иммунизация рекомбинантным вирусом оспы канарейки с включенными генами gag, env и протеазы, вторичная иммунизация бивалентным gp120 в сочетании с адъювантом) проверялась на лицах с низким риском инфицирования и не вызывала образование специфических к HIV-1 CD8+-лимфоцитов, как и шнАТ. Ее эффективность составила 31%. Предполагается, что эффект вакцины длился в течение 1-го года после ее введения. У вакцинированных субъектов после инфицирования ВИЧ-1 не отмечалась более низкая вирусная нагрузка или меньшая потеря CD4+ T- лимфоцитов [37]. Скромный эффект новой вакцины воспринят многими как свидетельство того, что вакцинация против ВИЧ-1 в пределах досягаемости, и само получение вакцины является вполне реально. Несмотря на отсутствие существенного прогресса в поисках вакцин против ВИЧ-1, была получена ценная информация относительно оптимизации доз, вектора (выбор вставок, их экспрессия, способ введения), адъювантов и режима иммунизации, а также о неодинаковой чувствительности разных (по полу, расе, факторам риска) человеческих популяций [28]. Продолжающееся испытание RV152, завершение которого планируется в 2013 г., даст большую информацию об эффективности RV144 и коррелятах протекции и позволит уточнить вклад первичной и вторичной вакцинаций в индуцирование протективного иммунитета [8]. Их дополнят результаты испытания других вакцин-кандидатов.
Даже краткий анализ коллизий вакцинологии был бы не полным, если не упомянуть о роли нАТ у контроллеров ВИЧ. Поскольку самые низкие титры нАТ отмечены у контроллеров с самым низким уровнем проявления ВИЧ-инфекции [23, 25, 33], то сделан вывод о том, что нАТ не ответственны за контроль над ВИЧ у контроллеров [7]. Результаты исследований последних лет частично приоткрыли завесу загадочности этого естественного контроля за ВИЧ-инфекцией. Он слагается из вирусной, генетической и иммунологической составляющих. Оказалось, что ряд контроллеров заражены аттенуированными
штаммами ВИЧ с мутациями в генах nef, vpr, vif или rev типа единичных нуклеотидных полиморфизмов, менее часто ими являются крупные делеции в консервативных доменах. Некоторые контроллеры имеют уникальные генетические особенности, включающие гетерозиготность по полиморфизму корецептора CCR5, выявлены также мутации, обусловливающие повышение продукции хе-мокинов, которые конкурируют с ВИЧ-1 в связывании с корецептором CCR5 или CXCR4. Наконец, иммунологические факторы являются решающими в контроле над ВИЧ-1 у контроллеров: ВИЧ-специфические CD4(+) и CD8(+) Т-клеточные ответы у них коррелировали с низкой вирусной нагрузкой. Многие контроллеры являются носителями аллеля D57 HLА класса I, который усиливал презентацию антигенных пептидов на поверхности инфицированных CD4+-клеток цитолитическим CD8+-Т-клеткам [35]. Такое комплексное сочетание факторов, определяющих стабильный контроль над ВИЧ-инфекцией у контроллеров, перекликается с концепциями системной вакцинологии [36] и системной биологии [6]. Последние помогают расширить рамки нашего понимания трудностей проблемы в поисках вакцин против ВИЧ, интегрируя в более сложную сеть разные потоки информации (геномики, транскриптомики, протеомики и метаболомики), характеризующие наиболее существенные аспекты организации и функционирования ИС под влиянием вводимого иммуногена.
Ретровакцинология. Ряд исследователей видят возможность выявления иммуногенов для вакцины против ВИЧ в тщательном исследовании тех эпитопов на гетеротримере, к которым у некоторых зараженных ВИЧ-индивидуумов образуются моноклональные шнАТ с высокой авидностью, именуя такой подход как ретровакцинология [12, 44]. Рациональность такого подхода очевидна при условии, что в качестве иммуногена будет использована консервативная линейная область (или области) в gp120 и gp41, которая экспонирована и поэтому будет доступна для специфичных к ней АТ. В момент формирования этой концепции было известно минимальное количество моноклональных шнАТ, но на сегодняшний день оно перевалило за десяток, и развивающиеся биотехнологии предвещают, что их список будет множиться. Перечень наиболее мощных моноклональных шнАТ приведен в таблице. Специфичность их ориентирована главным образом на сайт, ответственный за связывание CD4-лимфоцитом, проксимальную наружную мембранную область gp41, петли V2 и V3, а также углеводные компоненты.
Результаты исследования уровня моноклональных шнАТ и эпитопов, с которыми они связываются в гетеро-тримере, показали, что во многих изолятах ВИЧ-1, особенно в пределах клада С, отсутствует эпитоп b12, но вирусы сохраняют способность связываться с CD4-лимфоцитами. Были получены также способные к репликации изоляты ВИЧ и вирусов обезьян, у которых отсутствовала петля V1 или V2 и даже петля V3, которая является ключевой детерминантой для вирусного тропизма и взаимодействия с корецептором [21, 27]. Следовательно, понятие о консервативных эпитопах в составе гетеротримера ВИЧ-1 оказывается размытым, и ввиду возможности их исчезновения у отдельных штаммов ВИЧ вакцина должна обеспечивать антителогенез к нескольким эпитопам.
Нельзя обойти молчанием и то, что возникают такие моноклональные шнАТ через месяцы и годы после инфекции, т. е. возникают, что важно еще раз подчеркнуть, в контексте хронической инфекции ВИЧ-1 и не защищают от прогрессии самого заболевания [8]. Наличие в них большого количества соматических мутаций отражает, вероятно, созревание их аффинности в хронически пораженном организме под непрекращающимся влиянием вирусных антигенов, что ставит под сомнение возмож-
- 208 -
ГИПОТЕЗА
ность их индуцирования с помощью нескольких введений иммуногена в составе вакцины. Озадачивают также результаты испытания STEP: возникавшие в результате вакцинации специфичные к ВИЧ-1 СБ8+-лимфоциты не обеспечивали протективного иммунитета [9, 20]. Для объяснения этих фактов представляется полезным расширить наши концептуальные рамки при анализе проблем, связанных с поиском вакцин против ВИЧ-1, признав слишком упрощенным объяснение тщетности многолетних поисков вакцин против ВИЧ-1 посредством традиционных подходов, сводящееся к тому, что иммунодоминантные вирусные эпитопы являются слишком мутабельными, а консервативные эпитопы, необходимые для инфицирования клетки, характеризуются недостаточной иммуногенностью.
Возможно ли с помощью ретровакцинологии либо ориентации на вакцины, индуцирующие образование шнАТ, совершить определенный прорыв в борьбе с ВИЧ? Схематично процесс гуморального ответа к иммуногену при вакцинации можно представить из следующих этапов: узнавание иммуногена, антителогенез с формированием иммунной памяти и взаимодействие образовавшихся специфических АТ с иммуногеном (см. рисунок). Ретровакци-нология основывается преимущественно на поиске тех эпитопов гетеротримера ВИЧ, с которыми взаимодействуют шнАТ (т. е. изучает третий из перечисленных этапов), подразумевая, что к ним априорно формируется долговременная память. Полезность исследований, направленных на выявление таких эпитопов, трудно оспаривать, но они явно недостаточны для прогнозирования результата, имеются в виду пробелы наших знаний по другим этапам гуморального ответа. Необходимо расширить рамки понимания иммунного узнавания: эпитопы распознаются не только рецепторами эффекторных Т- или В-клеток, но и рецепторами регуляторных клеток, при этом иммунный ответ на них будет определяться в контексте состояния организма и его ИС в целом. Этими факторами, по-видимому, объясняются особенности реакции ИС на ВИЧ у контроллеров и позднее образование шнАТ у части зараженных ВИЧ. Кроме того, следует иметь в виду, что шнАТ специфичны к консервативным фрагментам белков вирусов, которые часто оказываются гомологичными фрагментам белков хозяина. Редкая встречаемость реакции на них ИС, по-видимому, объясняется возникновением толерантности, выработка же к ним АТ сопряжена с опасностью возникновения аутоиммунной болезни.
Иммунная привилегия и функциональная вырожден-ность. Природа во всем действует системно, в том числе и при формировании иммунной толерантности, и ее част-
ного проявления — ИП как в физиологическом, так и патологическом сценариях, которые связаны с узнаванием ИС "своего" и "несвоего". Конструкт "свой" и "несвой" в умах иммунологов для самой ИС является размытым понятием, поскольку она способна, с одной стороны, реализовать благоприятные для организма аутоиммунные реакции и чаще всего избегать повреждающих аутоиммунных атак, с другой — не функционировать деструктивно против сосуществующих в организме функционально необходимых для него чужеродных клеток и антигенных субстратов. Но атакованным ею может оказаться как "свой", так и "несвой".
В пределах нашего организма "открытость" многих его органов для ИС ограничена. На те органы, в которых действует ограничение на проявление реакций ИС, было распространено понятие ИП, впервые возникшее в связи с опытами по трансплантации тканей [42]. Физиологическая ИП генетически запрограммирована, и ее можно рассматривать как врожденную. По существу, ИП является одним из сложных проявлений иммунной толерантности, которое не объяснимо каким-то одним механизмом [5]. Обладание ИП множеством органов свидетельствует о том, что это не локальное, а системное проявление в организме, и оно определяется структурно-функциональными особенностями конкретного органа и настройкой к ним множества центральных и периферических механизмов самой ИС [29]. Патологическая ИП проявляется в отношении хронических инфекции (в том числе ВИЧ-инфекции) и злокачественных опухолей.
Суть ИП в ее физиологическом и патологическом проявлении состоит в локальном избегании и супрессии ИС, и для каждого органа и патологического состояния она обеспечивается своим набором общих и специальных стратегий, реализуемых множеством разных механизмов, что можно охарактеризовать как функциональную вырож-денность. При всем разнообразии природы обладателей ИП они противостоят одной и той же системе организма — ИС, поэтому неудивительно существование перекрывания стратегий, используемых при физиологической ИП и патологической ИП, которая индуцируется, в частности, вирусами, вызывающими хронические инфекции.
В широком аспекте функциональная вырожденность определяется как способность элементов, которые структурно различны, выполнять одинаковые функции либо определять одно и то же состояние. В случае же выполнения одной и той же функции структурно идентичными элементами говорят об избыточности. Особенность функциональной вырожденности заключается в том, что
Характеристика некоторых нейтрализующих моноклональных АТ широкого спектра действия против ВИЧ-1
Код АТ
Некоторые характеристики АТ
Источник
Ь12
447-52D
2G12
HJ16
HK20
HGN194
PG9,
PG16
2F5,
4E10,
Z13e1
VRC01
Связывается с тримером, нейтрализуя в нем участок, связывающийся с CD4+ Т -лимфоцитом, вызывая минимальные конформационные изменения. По кристаллографическим данным контакт происходит через петлю CDR3 вариабельного домена с высовывающимся в ней остатком триптофана в тяжелой цепи АТ
Связывается с конформационным консервативным эпитопом в области V2 gp120
Уникальность АТ в их связывании с кластером гликанов на поверхности gp120 вызывает минимальные конфор-мационные изменения и может легко достигать тримера
Связывается с эпитопом, проксимальным к CD4-связывающей области, в gp12 Связывается с консервативным эпитопом в области V3 gp120 Связывается с высококонсервативным эпитопом в области HR-1 gp41
Связываются с консервативными областями петель V1, V2 и V3, эпитопом, охватывающим область связывания с CD4+ Т-лимфоцитом и, возможно, корецептором, эпитопом, чувствительным к потере гликана в позиции 332
Связываются с консервативной богатой триптофаном областью gp41, называемой проксимальной к мембране наружной области, по некоторым данным, способны связываться с фосфолипидами. По кристаллографическим данным 2F5 распознает вытянутую пептидную структуру ELDKWA, 4E10 — спиральную конформацию NWF-NIT, Z13e1 — колено проксимальной к мембране наружной области WNWFDITN
Направлен против эпитопа gp120, ответственного за связывание с сайтом CD4
[10, 11]
[19]
[43]
[15]
[45] [31, 48]
[46]
- 209 -
ИММУНОЛОГИЯ № 4, 2012
она может реализовываться в одной и той же либо другой функции в зависимости от контекста, в котором она реализуется [17]. Она пронизывает все уровни биологической организации, и ее ярким примером является, конечно, вырожденность генетического кода. Применительно к ВИЧ функциональная вырожденность ИП проявляется прежде всего в том, что ВИЧ может использовать те механизмы ИП, что ответственны за физиологическую ИП, индуцируя их первоначально локально компонентами ви-риона либо продуктами их распада.
В телеологическом аспекте маловероятно ожидать, что эпитопы из gp120 и gp41 будут индуцировать иммунный ответ с формированием долговременной памяти, поскольку ВИЧ (в отличие от других вирусов, к которым формируется иммунитет и спланированных эволюцией по принципу "поражают и уходят") осуществляет стратегию по принципу "вторгаюсь и поселяюсь", свойственную патогенам, вызывающим хроническую инфекцию. Попытки вакцинирования gp120 и gp41, как отмечалось, не принесли успеха, а обнаруживаемые у незначительной части пациентов шнАТ к ВИЧ в хронической стадии инфекции оказываются для вируса безвредными и возникают за счет соматических мутаций на протяжении длительного периода времени, не персистируя в организме. Это допущение аргументируется и характерной для этих гликопротеинов мимикрии последовательностей различных белков хозяина, особенно гастроинтестинальных регуляторных пептидов [3], а также быстрым ослаблением титров, вырабатываемых к gp120 и gp41 АТ.
Другие проявления множественности функциональной вырожденности ИП у ВИЧ обусловлены прежде всего его эволюционной пластичностью, способной обесценить наши поиски эффективной вакцины. В обзоре [21] приведены стадии входа ВИЧ в клетку, происходящие при этом молекулярные взаимодействия вириона с поверхностью клетки и множество механизмов, предназначенных поддержать и сохранить эти стадии. Среди них нельзя не отметить привлечение гуморальной ИС хозяина для способствования успешному проникновению вириона в клетку путем экспонирования на поверхности гетеротримера вариабельных областей. Как эпитопы, они проявляют иммунодоминантность, конкурируя с другими эпитопами, но АТ к ним не обладают нейтрализующей активностью, возможно, ограждая вирус от связывания с другими АТ, что перекликается с гипотезой о регулирующей роли АТ [1] и возможности их участия в генезе инфекции. Очевидно, что из множественности механизмов, обеспечивающих ИП для ВИЧ, следует необходимость комплексного противодействия им.
Проблемы неопределенности. Ныне ИС предстает не менее сложной, чем нервная система, по своей иерархической организации. Ей свойственно непрерывное обновление клеточного состава, что характеризует ее как размытую систему с континуумом состояний дифференциаций и линий (популяций, клонов) клеток. Динамичность и обновляемость клеточных популяций ИС и связанной с ними сети цитокинов избавляют организм от сыгравших свою роль клонов лимфоцитов, оставляя их клетки памяти и позволяя снова и снова возникать другим клонам. Возникают потому, что размеры генома ограничены и для обеспечения динамичного реагирования клетками ИС на различные сигналы ими наследуется не само многообразие генов иммуноглобулинов и Т-клеточных рецепторов, распознающих эти сигналы, а стохастический механизм формирования их многообразия из сравнительно небольшого количества их "заготовок" в непрерывно меняющемся репертуаре клонов лимфоцитов. Процесс специфического иммунного узнавания и последующий за ним ответ ИС связаны с коллективным взаимодействием разных клеток и не являются однозначными, находясь в зависи-
А____________L
Регуляторные и эффекторные механизмы иммунной системы
Схема гуморального иммунного ответа.
мости от контекста той среды и ситуации, в которой они протекают [40]. Иммунодоминантность по-прежнему остается не прогнозируемым свойством.
В течение длительного времени преобладало представление, согласно которому иммунное узнавание основано на однозначном соответствии между Т-клеточным рецептором и комплексом МНС—эпитоп или между рецептором В-клеток и антигеном, т. е. иммунное узнавание считалось невырожденным. B последние годы отмечается пересмотр многих фундаментальных положений иммунологии [5, 14, 29, 32, 40], в связи с этим нельзя не вернуться к проблеме функциональной вырожденности. Применительно к иммунному узнаванию вырожденность проявляется в том, что, как уже показано экспериментально, любой эпитоп может быть распознан разными Т-клеточными рецепторами и, следовательно, может активировать большое множество клонов лимфоцитов. В этом аспекте иммунное узнавание можно охарактеризовать как поликлональное. В то же время любой клон лимфоцитов способен распознавать множество различных эпитопов, что можно было бы определить как полиузнавание [14]. Сам процесс иммунного узнавания ныне не сводится к контакту комплекса МНС—эпитоп с Т-клеточным рецептором, а представляется как результат коллективного взаимодействия разных клеток, поскольку ключевым моментом являются последствия этого контакта. А они неоднозначны, т. е. вырожденность иммунного узнавания дополняется функциональной вырожденностью — множественностью иммунных процессов, которые им запускаются: селекция Т-лимфоцитов в тимусе, выживание наивных Т-клеток и дифференциация их в эффекторные клетки и клетки памяти, возникновение толерантности, характеризующейся множеством механизмов ее формирования [47]. Каждый из этих процессов обусловливается множеством факторов: своим временем развертывания, содержанием антигена, типом антигенпрезентирующей клетки, аффинностью Т-клеточного рецептора, специфическим окружением и кругом соучаствующих других клеток и регуляторных факторов, а также перепрограммированием самой Т-клетки, затрагивающим в ней экспрессию генов и организацию мембраны, гомеостатическим кругооборотом клеток ИС и путями их миграции и др. Поэтому само взаимодействие комплекса МНС—эпитоп с Т-клеточным рецептором или В-клеточного рецептора с эпитопом является триггером последующей, уже предуготовленной цепи молекулярно-клеточных событий, определяемой состоянием самих участников иммунного узнавания, средой, в которой оно происходит, и составом и состоянием других участников эффекторного ответа ИС.
Стало уже очевидным, что специфичность иммунного ответа не предопределена, а возникает [14], т. е. не является строго детерминированной, и формируется в организме в результате селекционного процесса и в контексте
- 210 -
ГИПОТЕЗА
переплетения множества механизмов, как, например, последовательное возрастание аффинности АТ к антигену в процессе успешного уничтожения инфекционного патогена. Возникает потому, что размеры генома ограничены, и невозможно унаследовать в нем сколько-нибудь значительное количество генов иммуноглобулинов и самих Т-клеточных рецепторов. Для динамичного обеспечения организма АТ наследуется не само многообразие их генов, но и стохастический механизм их формирования из сравнительно небольшого количества их "заготовок", что служит демонстрацией экономного использования природой генетического материала [5]. По этой причине возможности ретровакцинологии, как и реверсивной вакцинологии [41], без фундаментальных знаний о механизмах иммунологического узнавания, иммунодоминантности, толерантности и иммунной памяти практически не прогнозируемы, и нынешние поиски вакцин против ВИЧ представляются как попытки совершить вслепую удачный прыжок (или несколько прыжков) через пропасть неизвестности. При создании вакцин [16] приоритеты проблем фундаментальной иммунологии как основы вакцинологии должны быть первостепенными. Их игнорирование может обернуться бесплодной и нескончаемой чередой попыток поймать удачу. Они уже поглотили почти 30 лет. В связи с этим не лишне напомнить о том, что при решении особенно трудных вопросов не следует забывать проницательное предостережение Ф. Крика: "Биолог должен руководствоваться хорошим рабочим правилом, что эволюция гораздо умнее его" [2].
При вырожденности иммунного узнавания и недетерминированности иммунного ответа исследователь в своих поисках вакцины против ВИЧ обречен противостоять неопределенности. Она усугубляется и тем, что антителогенез запускается координированным узнаванием эпитопа рецепторами В-клеток, которые распознают его трехмерную структуру, и рецепторами хелперных Т-клеток, узнающими линейную структуру эпитопа. Из-за временного фактора неопределенность не исчезнет даже в случае успеха дизайна вакцины, индуцирующей шнАТ и формирующей долговременную память. Поскольку ВИЧ-1-инфекция способна реализоваться даже одним вирионом, то вовсе не исключена вероятность того, что минимального количества АТ в циркуляции, вызванных иммунизацией, будет недостаточно для того, чтобы в нужном месте и своевременно произошло взаимодействие между единственным вирио-ном и специфическими АТ, предотвращающее его проникновение в клетку и последующее размножение в ней. Вторичный иммунный ответ на основе клеток памяти, образовавшихся под влиянием вакцинации, хотя происходит быстрее, чем первичный, но не без задержки. Обусловленный им повышенный выброс специфических АТ не будет способным противостоять внутриклеточной репликации ВИЧ. Поэтому идеальная вакцина против ВИЧ, как общепризнано, должна вызывать согласованные В-, CD4- и СБ8-клеточные ответы. Однако нельзя не признать того, что и вариант вакцины против ВИЧ, формирующей лишь В-клеточный ответ, тоже следует рассматривать как успех, но частичный, поскольку и она будет, хотя и медленнее, способствовать спаду эпидемии ВИЧ.
Завершая краткое рассмотрение коллизий с поисками вакцин против ВИЧ, естественно задать вопрос: почему оказались столь успешными поиски вакцин против патогенов, которые "поражают и уходят"? Не исключено, что в случае таких патогенов успех пастеровского подхода в получении вакцин (из убитых или слабовирулентных живых возбудителей) был предопределен полнотой представленности в них иммуногенных эпитопов и, соответственно, выработкой к их множеству АТ, проявляющих кумулятивный нейтрализующий эффект, а также отсутствием в белках этих патогенов мимикрии последовательностей
хозяйских белков, поскольку эволюция не планировала контакт этих патогенов с хозяином долговременным, что исключает формирование толерантности.
Заключение
С одной стороны, эволюция одарила вирусы удивительным многообразием, охватывающим как выбор в них генетического материала, так и способы поражения хозяина и взаимодействие с ним. С другой — с усложнением позвоночных развивалась и достраивалась адаптивная ИС. Лишь в последнее десятилетие стали глубже раскрываться ее регуляторные механизмы, получило признание существование множества регуляторных Т-, В- и миелоидных клеток и цитокинов, способных модулировать иммунные реакции, и начался пересмотр основ иммунологии, первоначально сложившихся из редукционистского анализа, который основан на использовании отдельных клеточных линий и ограниченного количества молекул. Сегодня каждая фаза иммунного ответа предстает более сложной, чем представлялось ранее. В зависимости от контекста состояния ИС и организма в целом возможны различные сценарии иммунного ответа и формирования клеток памяти на один и тот же эпитоп, что, бесспорно, иллюстрирует нам ВИЧ-инфекция своей временной сменой спектра специфичности АТ по мере ее развития у разных индивидуумов. Перечень шнАТ свидетельствует о возможности их образования к разным эпитопам гетеротримера (gp120)3(gp4l)3, и в нем недостает информации относительно того, в каком контексте состояния ИС оказалась возможной их индукция в естественном течении ВИЧ-инфекции.
Многонаправленность поисков вакцин против ВИЧ говорит о неиссякаемом оптимизме исследователей, опирающемся преимущественно на создание новых рекомбинантных векторов в сочетании с разными адъювантами и режимами иммунизации. Успех в этих поисках будет предрешаться знаниями особенностей ИС человека и прежде всего результирующей реакции ее регуляторных и эффекторных клеток на вирус. Обращение к ним означало бы переход таких поисков от эмпиризма на другой, более высокий уровень и позволило бы минимизировать коллизии вакцинологии в случае не только ВИЧ, но и других вирусов, представляющих угрозу для человека.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ашмарин И. П., Фрейдлин И. С. Гипотеза об антителах как новейших регуляторах физиологических функций, созданных эволюцией // Журн. эволюц. биохим. и физиол. — 1989. — Т. 15. — С. 176—181.
2. Крик Ф. Мысли о мозге // Мозг. — М., 1984. — С. 257—275.
3. Харченко Е. П., Клименко А. П. Репертуар эпитопов белков вируса иммунодефицита человека и поиск вакцин и диагно-стикумов // Докл. АН СССР. — 1992. — Т. 322. — С. 189— 192.
4. Харченко Е. П. Иммунологические предпосылки поиска противовирусных вакцин // Вопросы общей вирусологии / Под ред. О. И. Киселева, И. Н. Жилинской. — СПб., 2007. — С. 236—262.
5. Харченко Е. П. Иммунное узнавание и иммунная привилегия // Иммунология. — 2008. — Т 29, № 2. — С. 118—124.
6. Adams К. F. Systems biology and heart failure: concepts, methods, and potential research application // Heart Fail. Rev. — 2010. — Vol. 15. — P. 371—398.
7. Baum L. L. Role of humoral immunity in host defense against HIV //Curr. HIV/AIDS Rep. — 2010. — Vol. 7. — P. 11—18.
8. Benmira S., Bhattacharya V., Schmid M. L. An effective HIV vaccine: A combination of humoral and cellular immunity? // Curr. HIV Res. — 2010. — Vol. 8. — P. 441—449.
9. Buchbinder S. P., Mehrotra D. V., Duerr A. et al. Step Study Protocol Team. Efficacy assessment of a cell-mediated immunity
- 211
ИММУНОЛОГИЯ № 4, 2012
HIV-1 vaccine (the Step Study): A double-blind, randomised, placebo-controlled, test-of-concept trial //Lancet. — 2008. — Vol. 372. — P. 1881—1893.
10. Burton D. R., Barbas C. F. 3rd, Persson M. A. et al. A large array of human monoclonal antibodies to type 1 human immunodeficiency virus from combinatorial libraries of asymptomatic seropositive individuals // Proc. Natl Acad. Sci. USA. — 1991. — Vol. 88. — P. 10134—10137.
11. Burton D. R., Pyati J., Koduri R. et al. Efficient neutralization of primary isolates of HIV-1 by a recombinant human monoclonal antibody // Science. — 1994. — Vol. 266. — P. 1024—1027.
12. Burton D. R. Antibodies, viruses and vaccines // Nature Rev. Immunol. — 2002. — Vol. 2. — P. 706—713.
13. ChakrabartiL. A., Simon V. Immune mechanisms of HIV control // Curr. Opin. Immunol. — 2010. — Vol. 22. — P. 488—496.
14. Cohen I. R., Hershberg U., Sorin S. Antigen-receptor degeneracy and immunological paradigms // Mol. Immunol. — 2004. — Vol. 40. — P. 993—996.
15. Corti D., Langedijk J. P., Hinz A. et al. Analysis of memory В cell responses and isolation of novel monoclonal antibodies with neutralizing breadth from HIV-1-infected individuals // PLoS ONE. — 2010. — Vol. 5. — e8805.
16. D’Argenio D. A., Wilson C. B. Decade of vaccines: integrating immunology and vaccinology for rational vaccine design // Immunity. — 2010. — Vol. 33. — P. 437—440.
17. Edelman G. M., Gaily J. A. Degeneracy and complexity in biological systems // Proc. Natl Acad. Sci. USA. — 2001. — Vol. 98. — P. 13763—13768.
18. Euler Z., van Gils M. J., Bunnik E. M. et al. Cross-reactive neutralizing humoral immunity does not protect from HIV type 1 disease progression // J. Infect. Dis. — 2010. — Vol. 201. — P. 1045—1053.
19. Gomy M. K., Moore J., Conley A. J. et al. Human anti-V2 monoclonal antibody that neutralizes primary but not laboratory isolates of human immunodeficiency virus type 1 // J. Virol. — 1994. — Vol. 68. — P. 8312—8320.
20. Gray G., Buchbinder S., Duerr A. Overview of STEP and Pham-bili trial results: Two phase lib test-of-concept studies investigating the efficacy of MRK adenovirus type 5 gag/pol/nef subtype В HIV vaccine // Curr. Opin. HIV AIDS. — 2010. —Vol. 5. — P. 357—361.
21. Hoxie J. A. Toward an antibody-based HIV-1 vaccine // Annu. Rev. Med. — 2010. — Vol. 61. — P. 135—152.
22. Jiang H., Liao L., Montefiori D. C., Frank M. M. Mechanigms by which HIV envelope minimizes immunogenicity // Immunol. Res. — 2011. — Vol. 49. — P. 147—158.
23. Lambotte О., Ferrari G., Moog C. et al. Heterogeneous neutralizing antibody and antibody-dependent cell cytotoxicity responses in HIV-1 elite controllers // AIDS. — 2009. — Vol. 23. — P. 897—906.
24. Li S., Gowans E. J., Chougnet C. et al. Natural regulatory T cells and persistent viral infection // J. Virol. — 2008. — Vol. 82. — P. 21—30.
25. Mahalanabis М., Jayaraman P., Miura T. et al. Continuous viral escape and selection by autologous neutralizing antibodies in drug-naive human immunodeficiency virus controllers // J. Virol. — 2009. — Vol. 83. — P. 662—672.
26. MargolisD. M. Mechanisms of HIV latency: an emerging picture of complexity // Curr. HIV/AIDS Rep. — 2010. — Vol. 7. — P. 37—43.
27. Mascola J. R., Montefiori D. C. The role of antibodies in HIV vaccines // Annu. Rev. Immunol. — 2010. — Vol. 28. — P. 413—444.
28. McElrath M. J., Barton H. F. Induction of immunity to human immunodeficiency virus type-1 by vaccination // Immunity. —
2010. — Vol. 33. — P. 542—554.
29. Mellor A. L., Munn D. H. Immune privilege: a recurrent theme in immunoregulation? // Immunol. Rev. — 2006. — Vol. 213. — P. 5—11.
30. Montagnier L. 25 years after HIV discovery: Prospects for cure and vaccine // Virology. — 2010. — Vol. 397. — P. 248—254.
31. Muster Т., Steindl F., Purtscher M. et al. A conserved neutralizing epitope on gp41 of human immunodeficiency virus type 1 // J. Virol. — 1993. — Vol. 67. — P. 6642—6647.
32. Parnes O. From interception to incorporation: degeneracy and promiscuous recognition as precursors of a paradigm shift in immunology // Mol. Immunol. — 2004. — Vol. 40. — P. 985—991.
33. Pereyra F. S., Palmer Т., Miura B. L. et al. Persistent low-level viremia in HIV-1 elite controllers and relationship to immunologic parameters // J. Infect. Dis. — 2009. — Vol. 200. — P. 984—990.
34. Plotkin S. A. Correlates of protection induced by vaccination // Clin. Vaccine Immunol. — 2010. — Vol. 17. — P. 1055—1065.
35. Poropatich K., Sullivan D. J. Jr. Human immunodeficiency virus type 1 long-term non-progressors: the viral genetic and immunological basis for disease non-progression // J. Gen. Virol. —
2011. — Vol. 92. — P. 247—268.
36. Pulendran B., Li S., Nakaya H. I. Systems vaccinology // Immunity. — 2010. — Vol. 33. — P. 516—529.
37. Rerks-Ngarm S., Pitisuttithum P., Nitayaphan S. et al. Vaccination with ALVAC and AIDSVAX to prevent HIV-1 infection in Thailand // N. Engl. J. Med. — 2009. — Vol. 361. — P. 2209—2220.
38. Robinson H. L. HIV/AIDS vaccines. 2007 // Clin. Pharmacol. Ther. — 2007. — Vol. 82. — P. 686—693.
39. Sarikonda G., von Herrath M. G. Immunosuppressive mechanisms during viral infectious diseases // Meth. Mol. Biol. — 2006. — Vol. 677. — P. 431—447.
40. Sercarz E. H., Maverakis E. Recognition and function in a degenerative immune system // Mol. Immunol. — 2004. — Vol. 40. — P. 1003—1008.
41. Sette A., Rappuoli R. Reverse vaccinology: developing vaccines in the era of genomics // Immunity. — 2010. — Vol. 33. — P. 530—541.
42. Simpson E. A historical perspective on immunological privilege // Immunol. Rev. — 2006. — Vol. 13. — P. 12—22.
43. Trkola A., PurtscherМ., Muster T. et al. Human monoclonal antibody 2G12 defines a distinctive neutralization epitope on the gp120 glycoprotein of human immunodeficiency virus type 1 // J. Virol. — 1996. — Vol. 70. — P. 1100—1108.
44. Walker L. M., Burton D. R. Rational antibody-based HIV-1 vaccine design: current approaches and future directions // Curr. Opin. Immunol. — 2010. — Vol. 22. — P. 358—366.
45. Walker L. M., Simek M., Priddy F. et al. A limited number of antibody specificities mediate broafl and potent serum neutralization in selected HIV-1 infected individuals // PLoS Pathog. — 2010. — Vol. 6. — el001028.
46. Wu Xueling, Yang Zhi-Yong, Li Yuxing et al. Rational design of envelope identifies broadly neutralizing human monoclonal antibodies to HIV-1 // Science. — 2010. — Vol. 329. — P. 856—861.
47. Wucherpfennig K. W. T cell receptor crossreactivity as a general property of T cell recognition // Mol. Immunol. — 2004. — Vol. 40. — P. 1009—1017.
48. Zwick M. B., Labrijn A. F., Wang M. et al. Broadly neutralizing antibodies targeted to the membrane-proximal external region of human immunodeficiency virus type 1 glycoprotein gp41 // J. Virol. — 2001. — Vol. 75. — P. 10892—10905.
Поступила 28.12.11
- 212 -
