Ученые раскрыли, как 500-миллионолетняя иммунная система решает, когда атаковать
Исследователи из Пенсильванского университета обнаружили математические принципы, управляющие одной из самых древних и важных защитных систем организма — системой комплемента. Согласно новому исследованию, эта система, появившаяся более 500 миллионов лет назад у наших ранних предков, действует как первая линия обороны против инфекций, помогая организму распознавать и уничтожать чужеродные патогены, такие как бактерии и вирусы.
«Система комплемента — это, пожалуй, самая древняя часть нашего внеклеточного иммунитета. Она играет ключевую роль в идентификации чужеродных материалов, будь то микробы, медицинские имплантаты или компоненты лекарств, например, как в вакцине от COVID», — пояснил соавтор исследования Джейкоб Бреннер из Пенсильванского университета.
Исследование, опубликованное в журнале Cell, раскрывает механизм, по которому система комплемента принимает решение о начале атаки. Это открытие может привести к созданию более безопасных и эффективных методов лечения и вакцин.
Система комплемента состоит примерно из 50 различных белков, которые циркулируют в крови и тканях в неактивном состоянии. Когда организм обнаруживает угрозу, например, бактерии, проникающие в рану, эти белки активируются в строгой последовательности, подобно падающим костяшкам домино.
Действуя как хорошо организованная армия, белки комплемента помечают патогены для уничтожения, привлекают другие иммунные клетки к месту инфекции и даже разрушают мембраны вредоносных микробов. Этот каскад реакций помогает предотвратить распространение инфекции в организме.
Особенность системы комплемента в том, что она служит связующим звеном между врожденным и адаптивным иммунитетом. Врожденный иммунитет обеспечивает быструю, но общую защиту, тогда как адаптивный иммунитет использует антитела для точечной атаки. Система комплемента усиливает оба механизма, помогая антителам и иммунным клеткам эффективнее устранять угрозы.
Долгое время оставалось загадкой, что именно запускает активацию системы комплемента. Как она понимает, когда нужно действовать?
Ученые выяснили, что система работает по принципу «порога перколяции». Это означает, что белки комплемента запускают полноценный иммунный ответ только тогда, когда их достаточно много и они плотно расположены на поверхности чужеродного объекта — будь то бактериальная клетка, наночастица вакцины или медицинский имплантат. Если белки находятся слишком далеко друг от друга, иммунный ответ затухает. Но если их концентрация достигает критического уровня, активация происходит стремительно.
Такой пороговый эффект позволяет организму экономно расходовать ресурсы, поскольку производство белков комплемента требует значительных затрат энергии. Исследователи обнаружили, что этот принцип работает не только при инфекциях, но и в реакциях на медицинские устройства, компоненты вакцин, а также при аутоиммунных нарушениях, например, после инсульта.
«Нас особенно интересует применение этих методов к системе свертывания крови и взаимодействию антител», — отмечает Бреннер. «Эти системы, как и комплемент, принимают мгновенные решения, и мы предполагаем, что они могут подчиняться схожим математическим законам».
Понимание математических принципов активации комплемента позволит ученым предсказывать и контролировать иммунный ответ на новые препараты, вакцины и имплантаты. Например, тщательно рассчитывая расстояние между белками на наночастицах, можно избежать нежелательных иммунных реакций, вызывающих побочные эффекты.
Это открытие меняет подход к разработке лекарств, уменьшая зависимость от метода проб и ошибок и открывая путь к созданию более точных, физически обоснованных медицинских технологий.