Синтетические полиэлектролиты замещают функции Т-помощников

Один из самых интригующих фактов был получен в экспериментах на так называемых Т-дефицитных мышах. Этих мышей получают, удаляя у них тимус - орган, где образуются Т-лимфоциты. Такие животные служат моделями встречающегося у человека недоразвития или полного отсутствия тимуса. Дети, родившиеся без тимуса, быстро погибают от инфекций и опухолей, так как у них отсутствуют Т-клетки и иммунитет (даже при иммунизации сильными вакцинами) не возникает. Оказалось, что синтетические полиэлектролиты, введенные Т-дефицитным животным, повышают у них способность к выработке антител в 20-50 раз. Иначе говоря, полиэлектролиты могут замещать функцию Т-лимфоцитов-помощников!

Весьма значительный Т-дефицит развивается при старении, что связано с возрастной атрофией тимуса. Именно нехваткой Т-лимфоцитов объясняются многие болезни пожилого возраста. Поскольку полиэлектролиты замещают Т-лимфоциты, было бы логично попытаться корректировать с их помощью и возрастной иммунитет.

Оказалось, что одна-единственная инъекция поли-4-винилпиридина старым животным, у которых способность к выработке антител снижена в десятки раз, полностью восстанавливает иммунный ответ. Происходит как бы омоложение старой иммунной системы. Пока это эксперименты, но они обещают дать ценные результаты для клинической иммунологии.

Полученные факты имеют большой биологический смысл. Выше уже говорилось о генетическом контроле иммунного ответа. Установлено, что действие генов иммунного ответа проявляется главным образом на Т-лимфоцитах. Другими словами, продукты IR-генов "выражены" на Т-клетках в значительно большей степени, чем на других клетках, принимающих участие в иммуногенезе. Это было показано в опытах следующего рода. Особи, неспособные к иммунному ответу, например на антиген А, по генетическим причинам, после трансплантации им Т-клеток (от реагирующей на антиген А особи) становятся способными отвечать на данный антиген. Иначе говоря, неотвечающая особь как бы превращается в отвечающую, то есть наблюдается явление, называемое фенотипической коррекцией.

Таким образом, для достижения иммунизирующего эффекта у низкореагирующих на данный антиген организмов (для превращения малоантигенных субстанций в сильные антигены) необходим поиск способов фенотипической коррекции, то есть способов "обхода" генетического контроля. Гены иммунного ответа - IR-гены реализуют свое действие через систему Т-лимфоцитов, включающих Б-лимфоциты или тормозящих их включение в антителогенез. Следовательно, одним из путей "обхода" является обеспечение Т-независимости иммунного ответа на интересующий антиген.

Помимо обусловленной IR-генами иммуннологической "неотвечаемости", в настоящее время известен целый ряд врожденных и приобретенных в течение жизни иммунодефицитных состояний, при которых пороки развития лимфоидной системы локализуются на уровне Т-клеток. Следовательно, использование поликатионов и полианионов в качестве воздействия, обеспечивающего тимуснезависимость иммунного ответа, открывает перспективы как для стимуляции Т-дефицитного иммунного ответа при иммунодефицитных заболеваниях, так и для коррекции, искусственного исправления генетической неспособности к образованию антител (фенотипическая коррекция).

Экспериментальной моделью врожденного Т-дефицита служат голые мыши, которые рождаются без тимуса. У них гены, контролирующие формирование и развитие тимуса, сцеплены с генами, обеспечивающими рост шерсти. Поэтому отсутствие шерсти является маркером (показателем) врожденного недоразвития или полного отсутствия тимуса. "Лечение" голых мышей полиэлектролитами в значительной степени восстанавливает у них способность к иммунному реагированию.

Для фенотипической коррекции иммунного ответа использовали мышей разных чистых линий. Все мыши какой-либо одной линии являются полными генетическими копиями друг друга. В 17-й хромосоме у мышей локализована генетическая система, в которой распределены гены иммунного ответа. Так как генетическая карта этого участка хромосомы хорошо изучена, можно подобрать линии мышей таким образом, что, например, все особи одной линии будут успешно реагировать на антиген А (высокая реагируемость), но не будут развивать иммунный ответ на антиген Б (низкая реагируемость), и наоборот.

Оказалось, что введение мышам низкореагирующих линий поли-4-винилпиридина превращает их в высокоотвечающих, то есть они приобретают способность фенотипически (внешне, без связи с генотипом) реагировать на иммунизацию с такой же интенсивностью, как особи высокореагирующих линий.

Уже говорилось, что обеспечение тимуснезависимости иммунного ответа одновременно означает преодоление генетически обусловленной или приобретенной иммунологической "неотвечаемости", локализованной на уровне Т-клеток. То же самое можно сказать и в отношении проблемы создания синтетических тимуснезависимых антигенов.

На основании описанных выше исследований и был сформулирован принцип создания иммунизирующих препаратов нового типа - макромолекул, составленных из необходимой антигенной детерминанты и искусственного полиэлектролита, обеспечивающего стимуляцию иммуногенеза и тем самым Т- и IR-независимость всей молекулы.

Что же это за вещества, поли-4-винилпиридин и полиакриловая кислота? Приставка "поли" означает, что эти полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой. Их молекулы состоят из многократно повторяющихся группировок - мономерных звеньев. Молекулярная масса этих цепочек может быть 10 тысяч, 100 тысяч, 1 миллион, то есть они в 10 тысяч - 1 миллион раз тяжелее атома водорода. Напомним, что крупные белки имеют молекулярную массу от 100 до 900 тысяч. Гигантские молекулы полимеров синтезируются последовательным присоединением молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру на конце растущей цепи.

Полимеризация была открыта еще в середине прошлого века. Тогда же были выделены первые полимеризующиеся мономеры (стирол, акриловая кислота и др.). Поли-4-винилпиридин и полиакриловая кислота являются полиэлектролитами - полимерами, способными приобретать в растворах множественные электрические заряды. При этом в одной макромолекуле возникает большое число периодически повторяющихся зарядов - соответственно звеньям, составляющим гигантскую молекулу. По тому, какие именно заряды (анионы или катионы) возникают на полимерной цепи, все полиэлектролиты делятся на полианионы, поликатионы и полиафолиты. Для последних характерно наличие и тех и других групп.

К полиэлектролитам относятся важнейшие природные биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты. Анионами в растворах белков становятся карбоксильные группировки (-СООН), а катионами - аминогруппы (-NH₂). Некоторые аминокислоты относятся к катионам, например лизин, а другие - к анионам (аспарагиновая и глутаминовая кислоты). Белковые молекулы представляют собой полиамфолиты. Плазма крови - это сложный раствор электролитов, широко распространенных в природе. Использованные в наших исследованиях синтетические полиэлектролиты - полиакриловая кислота и поли-4-винилпиридин - аналогов в природе, как уже сказано, не имеют, то есть являются полностью искусственными.

Очень интересное и важное свойство синтетических неприродных полиэлектролитов - их способность к образованию комплексов с белками и полисахаридами. Но ведь именно белками и полисахаридами представлены антигены возбудителей инфекционных заболеваний. Антигены опухолей также белки. А что, если получить искусственный комплекс полиэлектролит - белок? Какие биологические свойства проявит такой комплекс, учитывая возможное стимулирующее действие полиэлектролита на иммунитет? Забегая вперед, скажем, что работа в этом направлении привела к синтезу искусственных макромолекул с поразительными качествами.

Трудность таких исследований заключалась в том, что комплексы синтетических полиоснований и поликислот с белками, возникающие в условиях опыта in vitro, оказываются крайне неустойчивыми при физиологических значениях рН и ионной силы и, естественно, разрушаются при введении в организм. Поэтому химики (Кабанов и Мустафаев) задались целью синтезировать такие полимеры, которые формировали бы устойчивые комплексы с белками, не разрушающиеся в условиях живого организма, и одновременно обладали бы всеми иммуностимулирующими свойствами описанных выше полиэлектролитов. Задача была решена следующим путем. Цепочки поли-4-винилпиридина нагрузили боковыми радикалами, которые обеспечили возникновение прочных связей с белковыми макромолекулами. Эти радикалы представлены углеводородными группами.

Выявилась интересная закономерность: если число атомов углерода в этих радикалах ниже 10, то они образуют комплексы с белком за счет электростатических связей. Эти связи слабые и разрушаются в условиях организма. Достаточно прочные гидрофобные (водоотталкивающие) связи с глобулами белка обеспечивают радикалы, в которых число атомов углерода равно или больше 10. Комплексы белка с полиэлектролитами, несущими гидрофобные радикалы, отличаются прочностью и не распадаются при введении в организм. Следует отметить, что чем больше атомов углерода в боковых радикалах, тем сильнее взаимодействие между полиэлектролитом и гидрофобными участками белковых молекул.