Układ odpornościowy musi nie tylko zwalczać intruzów, ale także uważać, by nie krzywdzić przyjaciół. Jak powiedziała wykładowczyni w szkole dla białych krwinek w serialu Było sobie życie: „Ważne, byście wiedzieli, kogo zaatakować, i nigdy się nie mylili”.

Mrowiska są fascynujące. Kolonia mrówek przypomina jeden organizm, którego komórki (poszczególne mrówki) składają się na organy (kasty mrówek) pełniących różne funkcje: obronne, pokarmowe i rozrodcze. Mrówki zaciekle bronią dostępu do swych kolonii, wiedząc, jak cenne dla innych zwierząt zasoby znajdują się w środku: bezbronne larwy, robotnice, które je karmią, zapasy pokarmu. Te ostatnie u niektórych gatunków mrówek, takich jak mrówka miodziarka, w postaci żywych spichlerzy, bezbronnych, najedzonych po dziurki w chitynowym pancerzyku robotnic nieruchomo tkwiących w jednym miejscu…

Robotnice, a zwłaszcza robotnice żołnierki, węchem rozpoznają i zwalczają większość intruzów – jednak nie wszystkich. Na przykład larwy pięknego motyla, modraszka, nauczyły się oszukiwać mrówki, wydzielając feromony upodabniające je do larw mrówek. Zapewnia im to darmowy wikt – są karmione przez robotnice opiekujące się własnymi larwami – oraz bezpieczeństwo – za sprawą tego samego systemu obrony, który udało im się oszukać.

Każdy z nas, wielokomórkowych organizmów, jest właśnie taką kolonią. A bezbronne, wyspecjalizowane komórki we wnętrzu naszych ciał stanowią wart każdego ryzyka cel dla wirusów, bakterii i wszelkich pasożytów.

Informacja

Z ostatniej chwili! To druga z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

Potrzeba obrony przed innymi organizmami i wirusami jest prawdopodobnie niemal tak stara jak życie na Ziemi. Nawet bakterie mają wyrafinowane metody obrony – nie tylko walczą z infekcją, gdy ta się pojawi, lecz także potrafią zapamiętywać poszczególne odmiany wirusów, by tym skuteczniej zmagać się z nimi w przyszłości. Nic więc dziwnego, że u wszystkich wielokomórkowych organizmów wyewoluowały układy odpornościowe: wyspecjalizowane systemy komórek odpowiadających za obronę naszych „kolonii” przed wrogiem atakującym od wewnątrz.

Komputer z komórek

Kiedy do naszego organizmu wtarg­nie chorobotwórcza bakteria, rozpoczyna się cała kaskada złożonych procesów. Układ odpornoś­ciowy obejmuje kilkadziesiąt (zależy, jak liczyć) różnych rodzajów komórek, które współdziałają ze sobą i komunikują się albo bezpośrednio (przez kontakt), albo za pośrednictwem sygnałów – specjalnych molekuł. Złożoność naszego układu odpornościowego nie ustępuje złożoności naszego układu nerwowego! Komórki, takie jak makrofagi czy komórki dendrytyczne, rozpoznają intruza, pochłaniają go i zawiadamiają inne elementy układu. Znajdujące się w krwiobiegu molekuły układu dopełniacza zostają aktywowane i dziurawią błonę komórkową bakterii niczym pociski z karabinu maszynowego. Przez wybite otwory dostaje się woda, która rozsadza mikroba jak dynamit. Na miejscu infekcji pojawiają się kolejno oddziały innych komórek układu odpornoś­ciowego, przyciągnięte uwalnianymi molekułami sygnałowymi. Przybywają białe krwinki, leukocyty Tc, zwane po angielsku killer T cells. Nie zabijają jednak bakterii czy wirusów, tylko rozpoznają zainfekowane komórki naszego własnego organizmu i uruchamiają przycisk autodestrukcji – mechanizm zwany apoptozą. Podobnie działają również komórki NK – od angielskiego natural killers (naturalni zabójcy). Neutrofile, inny rodzaj białych krwinek, napotkawszy bakterie, potrafią same popełnić rytualne seppuku: rozpadają się, wylewając swoją zawartość pełną bakteriobójczych substancji oraz nici DNA, które – uzbrojone w lepkie molekuły – łapią bakterie w sieć.

A to tylko mały wycinek. Nie chcę tu nudzić szczegółami działania układu odpornościowego, a tylko pokazać jego złożoność i bogactwo. Ale dlaczego właściwie jest taki skomplikowany?

Przede wszystkim nasz układ odpornościowy musi odróżnić wroga od przyjaciela. W końcu organizm jest wypełniony przeróżnymi komórkami. To bardzo trudne zadanie, bo wróg często próbuje się maskować (jak modraszki w kolonii mrówek) albo wręcz (jak wirusy czy niektóre bakterie) ukrywa się we wnętrzu naszych komórek. Wrogiem są też nasze własne komórki, które na skutek mutacji utraciły zabezpieczenia i zaczynają się mnożyć bez opamiętania – czyli komórki rakowe. Natomiast na powierzchni skóry i wewnątrz jelit funkcjonują ogromnie złożone ekosystemy składające się z potrzebnych nam do sprawnego funkcjonowania bakterii, które nie powinny stać się celem ataków naszego układu odpornościowego. W gruncie rzeczy żyjemy z nimi w symbiozie.

Obrona z klocków Lego

Pierwsze wyspecjalizowane komórki odpornościowe, znane z wielu prostych organizmów, przypominają ludzkie makrofagi: wędrują przez ciało i zjadają wszystko, co wyda się im podejrzane. W świetnym serialu Było sobie życie to właśnie makrofagi pokazano jako wielkie, przypominające żaby pojazdy pożerające złe bakterie. Makrofagi bezpośrednio reagują na różne substancje wydzielane przez bakterie albo znajdujące się na ich powierzchni. Funkcjonuje to całkiem dobrze, czego dowodem jest istnienie mnóstwa organizmów, a także fakt, że system stanowi jeden z dwóch filarów naszego układu odpornościowego; nazywamy go „nieswoistą odpowiedzią immunologiczną”. Makrofagi, układ dopełniacza i „naturalni zabójcy” należą właśnie do tego układu, którego komórki żyją zazwyczaj krótko, choć burzliwie.

Nieswoista odpowiedź ma jednak dwie zasadnicze wady: po pierwsze, musi być w całości zakodowana w DNA, a liczba genów, które w DNA mogą się znaleźć, jest ograniczona. Po drugie, nie uczy się. Jeśli bakteria nie jest w katalogu – naszym DNA, niezmiennym od urodzenia – nie zostanie rozpoznana. Mniej więcej pół miliarda lat temu, w okresie, gdy powstawały pierwsze ryby, narodził się nowy mechanizm obronny pozbawiony tych wad: adaptacyjny układ odpornościowy (w serialu Było sobie życie przedstawiony jako poduszkowce, których piloci chodzą najpierw do szkoły).

Kluczem do nowego systemu były przeciwciała – immunoglobuliny, które potrafią w bardzo precyzyjny sposób rozpoznawać konkretne białka na powierzchni bakterii czy zainfekowanych przez wirusy komórek. Niewielkie zmiany w strukturze takiego białka mogą decydować o tym, czy dane przeciwciało rozpoznaje pałeczkę okrężnicy, wirusa grypy czy dwoinkę rzeżączki. Ale drobnoustrojów, które nasz organizm musi nauczyć się rozpoznawać, jest przecież bardzo dużo. Skąd wziąć tysiące, ba!, setki tysięcy różnych immunoglobulin, jeśli nasze DNA koduje tylko 20 tys. genów?

Na to pytanie może odpowiedzieć każde dziecko, które w dzieciństwie bawiło się klockami Lego. Przeciwciała składają się z segmentów, a każdy z nich występuje w kilkudziesięciu różnych wariantach, tak jak klocki Lego o różnych kolorach, które w dodatku – podobnie jak klocki – mogą być połączone w różny sposób. Szacuje się, że liczba kombinacji wynosi nawet tysiące miliardów: to właściwie niewyczerpana pula możliwości.

Prawdę powiedziawszy, budowanie wariantów immunoglobulin nie jest wynalazkiem kręgowców. Potrafią to też np. owady, choć w mniej efektywny sposób. Podobny system mają również ślimaki, chociaż oparty na innej niż immunoglobuliny grupie białek, i prawdopodobnie jeszcze wiele innych wielokomórkowych organizmów. Clou nowego wynalazku tkwiło w czym innym. Komórki adaptacyjnego układu odpornościowego – leukocyty T i B – w losowy sposób modyfikują własne DNA, tworząc z tych klocków nowe kombinacje. W ten sposób każda nowo tworzona komórka B czy T ma DNA nieco różne od reszty organizmu.

Większość z kombinacji będzie nieprzydatna, jednak niektóre z komórek w drodze przypadku będą nosić przeciwciała potrafiące rozpoznać obce bakterie. Kiedy komórka mająca skuteczny wariant przeciwciała napotyka bakterię, zaczyna się dzielić – przekazując swoją kombinację komórkom potomnym. Część z nich to komórki pamięci: żywy katalog przeciwciał, które potrafią rozpoznać wroga. W ten sposób organizm może utrwalić działające warianty. Kiedy ten sam szczep bakterii czy wirusa po raz drugi zainfekuje nasz organizm, dzięki komórkom pamięci odpowiedź im­munologiczna będzie o wiele szybsza. Właśnie dlatego nie chorujemy dwa razy na świnkę czy odrę.

Bez żuchwy, ale z limfocytami

Minogi i śluzice to ryby wyglądające jak z horroru (nic dziwnego, że rzeczywiście wykorzystywano je w filmach grozy!). Właściwie – z naukowego punktu widzenia – to nawet nie ryby, ale kręgowce żywcem wyjęte z epoki kambru (ponad 500 mln lat temu), żywe skamieniałości. Chociaż zewnętrznie trochę przypominają węgorze, nie mają żuchw; stąd ich naukowa nazwa: bezżuchwowce. Tak prawdopodobnie wyglądali nasi przodkowie: bezżuchwowce były pierwszymi kręgowcami. Od czasu, gdy w ordowiku – kilkadziesiąt milionów lat później – pojawili się protoplaści współczesnych ryb (i zarazem wszystkich innych kręgowców), bezżuchwowce ewoluo­wały równolegle, niezależnie od innych kręgowców.

Nieswoisty, niezdolny do nauki układ odpornościowy minogów i śluzic jest niemal taki sam jak u innych ryb i podobny do ludzkiego. Tak jak złota rybka albo człowiek minóg ma w organizmie makrofagi polujące na bakterie. Jednak kilkanaście lat temu dokonano fascynującego odkrycia. Okazuje się, że bezżuchwowce również mają adaptacyjny układ odpornościowy – a choć działa on na podobnej zasadzie, jego konstrukcja jest zupełnie inna. W organizmie bezżuchwowców obecne są co prawda białe krwinki przypominające nasze limfocyty T i B, ale śluzice czy minogi nie mają immunoglobulin, które mogłyby wykorzystywać do rozpoznawania patogenów. W celu tworzenia licznych kombinacji działających jak przeciwciała używają zupełnie innego rodzaju białek. Widać więc, że chociaż częściowo mamy wspólne dziedzictwo ewolucyjne – nieswoi­stą odpowiedź immunologiczną i białe krwinki – bezżuchwowce dokonały swojego odkrycia niezależnie od reszty kręgowców. To przykład ewolucji konwergentnej, jak niezależne powstanie zdolności do aktywnego lotu u dinozaurów takich jak ptaki, ssaków – takich jak nietoperze – czy owadów.

Jak to się stało, że w tak krótkim – z ewo­lucyjnego punktu widzenia – okresie dwie spokrewnione ze sobą grupy organizmów wytworzyły różne, ale podobnie działające mechanizmy odpornościowe? Zapewne powstanie adaptacyjnego układu odpornościowego umożliwił poprzedni krok w ewolucji: pojawienie się długowiecznych i zdolnych do podziału limfocytów. Choć bezkręgowce zawierają komórki przypominające makrofagi, to żadne z nich, z jednym wyjątkiem, nie mają niczego w przybliżeniu nawet przypominającego limfocyty.

Nie odpowiada to jednak na pytanie, do czego kręgowce potrzebowały zdolnego do nauki układu odpornościowego.

Jedna z hipotez tłumaczy powstanie skomplikowanego układu odpornościowego symbiozą z bakteriami. W sytuacji, gdy organizm musi nauczyć się odróżniać tysiące potrzebnych mikroorganizmów od tysięcy niebezpiecznych, a w dodatku ekosystemy tych mikroorganizmów mogą ulegać zmianom, sztywno zakodowany w DNA układ odpornościowy jest niewystarczający. Potwierdzeniem tej hipotezy może być wspomniany wcześniej wyjątek. Poza kręgowcami przypominające limfocyty komórki mają szkarłupnie, np. rozgwiazdy i jeżowce. One również często żyją w symbiozie z bakteriami.

Bakterie w układzie pokarmowym nie są tylko komensalami, a więc tolerowanymi przez nasze organizmy pasażerami na gapę. Nic podobnego! Są nam potrzebne do życia: trawią za nas pożywienie, którego sami nie potrafimy strawić (np. niektóre rodzaje błonnika), produkują niezbędne nam do życia witaminy, a co więcej, bronią nas przed innymi chorobotwórczymi mikroorganizmami, wytwarzając nawet własne antybiotyki. Jesteśmy więc w symbiozie z naszymi bakteriami. A do symbiozy trzeba dwojga i obie strony muszą nauczyć się ze sobą żyć, co m.in. oznacza sprawną komunikację.

Rzeczywiście, w toku ewolucji powstały liczne kanały komunikacji między bakteriami a naszym układem odpornościowym. W jelitach, gdzie żyją tysiące gatunków bakterii, pełno jest też komórek układu odpornościowego, które uczą się tolerować „dobre” bakterie oraz substancje stanowiące naturalne składniki naszego pożywienia. Niestety, nasz współczesny tryb życia – zwłaszcza nadmierne czy nieuzasadnione stosowanie antybiotyków – może tę delikatną komunikację bardzo zakłócić. Już wiele schorzeń powiązano z zaburzeniem równowagi mikrobiologicznej: nieswoiste zapalenie jelit, różne alergie, a nawet otyłość.

O myszach i ludziach

Zagadnienie ewolucji układu odpornościowego u zwierząt nie jest wcale takie teoretyczne, jak mogłoby się wydawać, ale ma wymierne konsekwencje dla naszego zdrowia! Badania ludzkich chorób, nowych leków czy szczepionek prowadzi się w dużym stopniu na zwierzęcych „organizmach modelowych”: myszach, szczurach, fretkach, a nawet rybach. Jednak wspólny przodek myszy i ludzi żył kilkadziesiąt milionów lat temu i od tego czasu nasze układy odpornościowe ewoluowały niezależnie od siebie. Jak wiele badania na myszach mogą powiedzieć nam o mechanizmach chorób człowieka?

Kilka lat temu na łamach „Pro­ceedings of the National Academy of Sciences” ukazał się artykuł pod wymownym tytułem Genomowa odpowiedź w modelu mysim mało przypomina ludzką odpowiedź odpornościową. Rok później w tym samym czasopiśmie pojawił się tekst o identycznym tytule, w którym jednak słowo „mało” zastąpiono słowem „bardzo”. Oba opracowania były w dodatku oparte na tych samych danych! Pozorna sprzeczność wynika właśnie z ewolucji. Pewne elementy naszych układów obronnych są bardzo stare i wspólne dla obu gatunków, a inne będą się różnić. Naszym zadaniem jest zidentyfikować, które części są takie same, a które odmienne. Taką próbę opublikowaliśmy nieco później z moją koleżanką, Teresą Domaszewską – początkowo chcieliśmy nawet użyć tego samego tytułu, jednak ze słowem „częściowo”, zgodnie z ewolucyjną logiką.

Jak możemy pomóc

W telewizji czy Internecie pełno jest reklam środków, które mają działać jak cudowne dopalacze dla naszej odporności. Biorąc pod uwagę ewolucję, wydaje się to co najmniej dziwne: jeśli nasz układ odpornościowy może o tyle lepiej działać po wypiciu herbaty z jeżówki, to dlaczego właściwie przez miliony lat ewolucja nie doprowadziła do jego wzmocnienia?

Odpowiedź na tę zagadkę jest prostsza, niżby się wydawało: herbata z jeżówki, chociaż może być smaczna i poprawić nam nastrój, to naszej odporności raczej nie zwiększy: przeprowadzono liczne testy kliniczne na skuteczność różnych preparatów z jeżówki w leczeniu przeziębienia i niestety nie ma przekonujących dowodów na jej skuteczność. Całe szczęście, bo o ile jesteśmy w pełni zdrowi i właściwie się odżywiamy, nie ma żadnego powodu, by dodatkowo stymulować odporność, a nawet są powody, by tego unikać. To właśnie nadgorliwość układu odpornościowego objawia się jako choroby autoimmunologiczne i alergie, więc gdyby herbata (czy inny preparat) z jeżówki rzeczywiście – jak sugerują niektóre reklamy – „wzmacniała” układ odpornościowy, to traktowalibyśmy ją jako niebezpieczny lek, który stosuje się tylko w konkretnych sytuacjach.

Niestety, jak to często bywa, choć pomóc trudno, zaszkodzić o wiele łatwiej. Brak snu, złe odżywianie, używki takie jak alkohol, niedobór witaminy D – to wszystko znacząco osłabia naszą odporność. Dobra wiadomość jest taka, że aby wzmocnić osłabiony złymi nawykami układ odpornościowy, wystarczy pozbyć się tych nawyków. Zła – że regularnego snu i lepszego odżywiania nie kupimy w aptece za kilkanaście złotych. Wyjątkiem jest chyba tylko witamina D, ale warto skonsultować się w tej sprawie z lekarzem (prawidłowa jej dawka zależy od wieku, wagi, płci i stwierdzonego niedoboru).

A może w jakiś inny sposób uda się wykorzystać naturalne zdolności naszego organizmu do obrony przed zarazkami? Adaptacyjny układ odpornościowy uczy się i o wiele skuteczniej walczy z tymi patogenami, z którymi już kiedyś miał do czynienia – zatem czy nie można by nauczyć go reagowania na niebezpieczeństwa bez konieczności przechodzenia choroby po raz pierwszy? Łatwo sobie wyobrazić, że zabite bakterie czy wirusy albo ich fragmenty wystarczyłyby, aby wytresować układ odpornościowy: przygotować go na prawdziwe niebezpieczeństwo. W ten sposób oszczędzilibyśmy sobie choroby i zażywania lekarstw, w tym antybiotyków, które mogą zrujnować nasz sojusz z bakteriami jelitowymi. Okazuje się, że rzeczywiście, ten sposób działa znakomicie – i to od ponad 200 lat. To szczepienia ochronne.

Zdrowe z zasady:

Jedz wszystko, co zielone.
O poranku pij wodę z cytryną.
Podjadaj migdały i jagody.
Idź na spacer!
Pożegnaj cukier.
Rzuć żywność przetworzoną.
Nie unikaj warzyw i kleików.
Ogranicz spożywanie mięsa.
Uśmiechaj się jak najczęściej!