Nobelovu cenu za medicínu opět získávají imunologové

Pokud by bylo možné poměřovat význam vědních oborů pouze počtem Nobelových cen, jež byly uděleny za objevy v dané oblasti, patřila by imunologie nepochybně mezi nejpřednější. Dokladem toho jsou i laureáti Nobelovy ceny za fyziologii a lékařství Bruce A. Beutler, Jules A. Hoffmann a Ralph M. Steinman, kteří v říjnu loňského roku převzali toto ocenění.

Připomeňme si, jak jejich objevy zapadají do mozaiky ostatních znalostí o imunitním systému a jak ovlivní naše uvažování do budoucnosti.

Není bez zajímavosti, že již první Nobelova cena za fyziologii nebo lékařství byla udělena v roce 1901 Emilu von Behringovi za objevy v protilátkové imunitě. Byla tak oceněna jeho experimentální práce zaměřená na sérové faktory chránící před působením bakteriálních toxinů. Je pozoruhodné, že objevy von Behringa byly rychle uplatněny v klinické praxi.

V době udělení Nobelovy ceny bylo již řadu roků aplikováno hyperimunní zvířecí sérum neutralizující difterický toxin tisícům dětí, které byly nakaženy Corynebacterium diphteriae. Bez aplikace těchto imunopreparátů by většina z nich zemřela. O tak rychlém využití výsledků základního výzkumu v klinické praxi si v současné době můžeme nechat pouze zdát.

Od Ilji Mečnikova k Susumo Tonegawovi

Výčet dalších Nobelových cen pro imunologii je impozantní. V roce 1908 byla Nobelova cena za lékařství udělena dvěma významným vědcům. Prvním z nich byl Ilja Mečnikov, jenž v roce 1883 popsal schopnost specializovaných buněk těla pohlcovat a usmrcovat infekční agens.

Schopnost fagocytózy byla považována za základ první linie obranných aktivit těla a byla označena jako vrozená imunita. Paul Ehrlich se zabýval humorální složkou obrany, která v té době byla považována za druhou linii obrany a s odstupem byla označena jako adaptivní nebo specifická větev imunity.

Musíme obdivovat zvláště ty vědce, kteří studovali humorální faktory imunity. Neměli k dispozici žádné metody, jež by obranné látky přítomné v krvi člověka blíže charakterizovaly. Přesto se už tehdy pokoušeli pochopit, jak tyto plazmatické protektivní látky vznikají.

Byl to právě Paul Ehrlich, jenž se pokusil spojit tvorbu humorálních faktorů imunity s buněčným substrátem. Formuloval hypotézu tzv. postranních řetězců. Ta předpokládala existenci membránových receptorů na buňkách těla, které jsou modifikovány expozicí škodlivým mikrobiálním působkům. Přizpůsobí se svým tvarem těmto stimulům a jsou potom odlučovány z povrchu buněk v podobě solubilních látek neutralizujících mikrobiální toxiny.

Trvalo několik desítek let, prakticky až do přelomu 40. a 50. let 20. století, než byly ustaveny laboratorní metody, jimiž bylo prokázáno, že oněmi plazmatickými protektivními faktory jsou imunoglobuliny. Za práce charakterizující strukturu a funkce molekul imunoglobulinů byla udělena Nobelova cena v roce 1972 Edelmanovi a Porterovi.

Zcela zásadní proměnou prošla v 50. letech 20. století Ehrlichova hypotéza tzv. postranních řetězců. Ve své teoretické a experimentální práci ji vyvrátil australský imunolog MacFarlane Burnet. Ten odvodil, že každý jedinec je dopředu vybaven rozsáhlou množinou receptorů vyjádřených na buňkách imunitního systému.

Antigenní podněty, jimž je jedinec exponován, vyberou z množiny receptorů ty, jež nejlepším způsobem odpovídají molekulovým charakteristikám antigenu. Buňka nesoucí tyto receptory je následně stimulována k proliferaci a k efektorovým funkcím. Tento pohled je označován jako selekčně klonální hypotéza fungování imunitního systému. Ukázala se být platná jak pro B‑, tak pro T‑lymfocytární větev specifické imunity. MacFarlane Burnetovi byla za tento objev udělena Nobelova cena v roce 1960.

MacFarlane Burnet formuloval paradigma, které odpovídajícím způsobem popisuje fungování specifické (adaptivní) větve imunity. Tyto buňky na svých površích exprimují receptory TCR, resp. BCR, jimiž jsou antigenní podněty rozpoznávány. Až do začátku 80. let zůstávalo záhadou, jakými mechanismy může člověk zajistit ohromné množství bílkovinových řetězců tvořících receptory TCR a BCR, jejichž teoreticky stanovený počet se udává v řádu 1 016 až 1 018.

Přitom už v té době bylo zřejmé, a v genomovém projektu se to potvrdilo, že kódovací možnosti lidského genomu jsou o mnoho řádů nižší a pohybují se v počtu cca 30 000 funkčních genů. Existuje zde tedy paradox. I kdybychom využili celou kódovací kapacitu lidského genomu pouze na tvorbu řetězců receptorů TCR a BCR, stejně bychom mohli sestavit pouze velmi omezenou paletu těchto receptorů.

Obrovskou variabilitu receptorů lymfocytů T a B umožňuje unikátní genetický proces, který se za účasti specifických rekombinázových enzymů uskutečňuje pouze v lymfocytech T a B. Tento proces je označován jako genové přeskupení. Stojí za připomenutí, že za objasnění mechanismu genového přeskupení byla udělena další Nobelova cena, a to v roce 1987 vědci japonského původu Susumo Tonegawovi.

Obranný potenciál vykazují všechny buňky

Dlouholeté soustředění na zkoumání vlastností specifické větve imunity, které bylo ještě akcentováno v 80. letech pandemií infekce HIV a z ní rezultujícího AIDS, původně považovaného za fenomén negativně ovlivňující výlučně specifickou větev imunity, na dlouhou dobu omezilo bádání v oblasti vrozené imunity.

Bylo zapotřebí vizionářského myšlení a extrémního osobního úsilí skupiny vědců, kteří často proti názoru většiny vědecké veřejnosti dokazovali již od konce 80. let minulého století, že opomíjením vrozené imunity ztrácíme komplexní vhled na fungování imunitní soustavy jako integrální součásti obecné obranné reakce člověka označené jedním slovem jako zánět.

Proto lze přivítat letošní rozhodnutí Nobelova výboru při Karolinska Institute ve švédském Stockholmu. Ten se rozhodl udělit letošní Nobelovu cenu za fyziologii nebo lékařství třem vědcům, kteří zásadním způsobem přispěli k vytvoření nového paradigmatu, které velmi pravděpodobně bude na dlouhou dobu určovat naše chápání, jak obranné reakce organismu fungují.

Je pozoruhodné, jak letošní nobelisté postupně naplnili vize vědců, kteří se koncem 80. a začátkem 90. let nespokojili s tehdejším popisem fungování imunitního systému, zdůrazňujícího především úlohu specifické imunity. Zde stojí za to připomenout americkou imunoložku Polly Matzingerovou, která formulovala hypotézu, že v těle člověka vznikají nebezpečné situace, na něž musí tělo reagovat.

Je velmi pravděpodobné, že pouze předčasná smrt znemožnila Charlesovi Janewayovi stát po boku letošních laureátů. Byl to právě on, kdo počátkem 90. let vyjádřil názor, že musí existovat receptory jím označené jako PRR (pattern recognition receptors), jež budou schopny identifikovat signály nebezpečí, tj. všechny situace, které narušují homeostázu, a odlišit je od bezpečných signálů (vzorů), jež homeostázu nenaruší. Přítomnost signálů nebezpečí je pak důvodem pro rozvoj komplexní zánětové reakce.

Prof. Hoffmann, první z letošních laureátů, vyšel ve svých úvahách z faktu, že u evolučně nižších taxonů, např. hmyzu, je dobře vytvořena schopnost obrany vůči patogenním mikroorganismům, a to i přesto, že nemají vůbec vyvinutý systém specifické imunity. V propracovaném biologickém modelu Drosophila melanogaster bylo prokázáno, že obrana je postavena na tvorbě peptidů s antimikrobiálními účinky. Nic však v té době nebylo známo o mechanismech, jimiž je tvorba antimikrobiálních látek u drosofil indukována.

Prof. Hoffmann experimentálně doložil, že receptory drosofil označované Toll, původně objevené jako struktury, které regulují jejich embryonální vývoj, sehrávají navíc zásadní úlohu jako senzory mikrobiálních nebezpečných vzorů. Jako důkaz posloužil kmen drosofil, který měl mutovaný gen kódující receptory Toll. Takový kmen drosofil byl extrémně citlivý vůči infekci patogenní houbou Aspergillus fumigatus.

Existence genů kódujících receptory, jež jsou strukturně prakticky identické s receptory Toll drosofil, byly prokázány v savčím myším modelu i u člověka. Nebylo však zřejmé, zda jejich produkty slouží jako receptory nebezpečných vzorů. To prokázal prof. Beutler až v rozsáhlé experimentální práci. Ke studiu využil kmen myší, který je rezistentní k rozvoji septického šoku indukovaného aplikací lipopolysacharidu (LPS).

V několik let trvajících experimentech prof. Beutler prokázal, že neodpovídavost vůči lipopolysacharidu v tomto kmeni je způsobena mutací v genu kódující „receptor pro LPS“. V dalších experimentech bylo prokázáno, že tento receptor je homologní produktu genu Toll rodu Drosophila. Proto je označil jako receptor podobný (like) receptorům Toll; TLR. V současné době je u člověka nalezeno 10 rozdílných receptorů TLR. Ty jsou vyjádřeny jak na membránách, tak i v nitrobuněčných kompartmentech, např. endosomu.

Brzy se ukázalo, že existuje více strukturně odlišných rodin receptorů nebezpečných vzorů. Nyní jsou označovány obecně jako PRR (pattern recognition receptors). Typicky jsou vyjádřeny na buňkách vrozené imunity, ale i na epitelových či endotelových buněčných elementech. V menší míře jsou vyjádřeny prakticky na všech buněčných strukturách, což má zásadní význam. Ukazuje to jednoznačně, že obranný potenciál vykazují nejen buňky imunitní, ale všechny buňky v těle.

Dendritické buňky jsou mostem mezi vrozenou a specifickou imunitou

Již od počátku 70. let bylo jednoznačně prokázáno, že specifická, buňkami zprostředkovaná imunita, tj. T‑lymfocyty, je schopna rozpoznat pouze takové antigenní podněty, které byly zpracovány v buňkách prezentujících antigen. Zpracováním velmi zjednodušeně rozumíme denaturaci a proteolytické rozštěpení nativních antigenů (proteinů) na malé lineární peptidové fragmenty. Ty jsou následně navázány na molekuly HLA I. a II. třídy a vystaveny na povrchu buněk prezentujících antigen.

Pouze takto zpracované antigenní podněty jsou „viditelné“ pro T‑lymfocyty. Tato představa jasně ukazuje na zásadní imunobiologický význam molekul HLA I. a II. třídy. Ty byly studovány již od 50. let minulého století především s ohledem na svoji úlohu v transplantační imunologii.

Bylo však zřejmé, že tak složitý systém hlavních histokompatibilních antigenů (MHC), u člověka nazývaný systém HLA, nebyl evolučně vytvořen pouze pro extrémní případy umělého přenosu tkání. Nezbytnost molekul HLA pro indukci imunitní odpovědi byla experimentálně doložena rozsáhlými výzkumy. Je příznačné, že za objevy v tomto poli byly uděleny hned dvě Nobelovy ceny, a to v roce 1980 Benacerrafovi a Daussetovi a Snellovi.

Za extenzi poznatků v této oblasti byla Nobelova cena udělena ještě v roce 1996 Dohertymu a Zinkernagelovi.

Vraťme se však zpět do začátku 70. let. Tehdy bylo obecně přijímáno, že buňky prezentující antigen jsou především buňky vrozené imunity (makrofágy), které se však podílejí na rozvoji specifické T‑lymfocytární imunity do jisté míry pasivně. Většina aktivit, včetně kritických rozhodnutí, zda imunitní odpověď bude realizována a v jakém rozsahu a kvalitě, byla přičítána T‑lymfocytárnímu systému.

Třetí letošní laureát Nobelovy ceny prof. Ralph Steinman identifikoval v roce 1973 ve slezině myší specializovanou buněčnou populaci, která byla charakterizována cytoplazmatickými výběžky označovanými řecky jako dendrony. Tato buněčná populace, pojmenovaná proto jako dendritické buňky, měla výjimečnou schopnost aktivovat T‑lymfocyty.

Výsledky práce prof. Steinmana nebyly v počátcích jednoznačně akceptovány. Musel provést mnoho experimentů, aby přesvědčil vědeckou veřejnost, že dendritické buňky jsou přímo předurčeny k aktivaci T‑lymfocytárního systému. Prokázal dále, že dendritické buňky jsou velmi heterogenní populací, která je rozptýlena ve všech tkáních těla v nezralé podobě.

Po stimulaci nebezpečnými vzory a pod vlivem cytokinového mikroprostředí dochází k jejich uvolnění z původní lokalizace a k jejich migraci do sekundárních lymfatických orgánů. Při tomto složitém procesu se dendritické buňky diferencují, zpracovávají antigenní materiál a efektivně ho předkládají v lymfatických uzlinách T‑lymfocytárnímu systému. Dendritické buňky tak v jistém ohledu představují most, který spojuje větev vrozené imunity s větví specifické imunity.

A zde se celý příběh formulování nového paradigmatu, popisujícího fungování imunitního systému, pro dnešek uzavírá. Je velmi pravděpodobné, že myšlenkově budeme dlouhá léta stát na tomto paradigmatu. Experimentální práce letošních nositelů Nobelovy ceny za fyziologii nebo lékařství jsou dobrou výchozí základnou pro pokrok v celé biomedicíně.

------

autor:Prof. RNDr. Jan Krejsek, CSc.,
Ústav klinické imunologie a alergologie

Medical Tribune

Zdroj: Medical Tribune