От Клода Бернара к системной иммунологии: развитие прецизионной медицины

За последние годы выросло число исследований по системной иммунологии, в задачу которых входит изучить различные факторы, формирующие разнообразие иммунной системы. Традиционно большинство исследований рассматривали влияние определяющих факторов (состав генома, возраст, пол и т. д.) на иммунный ответ по отдельности, часто на примере одной определенной патологии или представляющих интерес типов клеток или тканей. Однако несколько лет назад были запущены проекты комплексного анализа влияния различных совместно действующих факторов на разнообразие иммунной системы. Новые исследования используют методы системной или популяционной иммунологии (systems or population immunology по-английски) для изучения изменчивости здоровой иммунной системы либо в когортах близнецов, либо в строго определенных когортах здоровых детей или взрослых.

В 2010 году во время научной беседы с Мэтью Альбертом, иммунологом, руководившим в то время лабораторией иммунологии человека в Институте Пастера, мы задумали провести масштабное исследование по системной иммунологии, взяв на вооружение наши различные, но дополняющие друг друга компетенции: иммунология человека с одной стороны и генетика и эволюция человека – с другой. Мы задали себе целый ряд вопросов: что такое «здоровый» иммунный ответ? Можем ли мы определить параметры, характеризующие здоровый иммунный ответ, чтобы идентифицировать пороговые значения, начиная с которых недостаточность функции иммунной системы ведет к патологии? Какие факторы определяют разнообразие иммунной системы человека? И, наконец, – last but not least – можем ли мы после определения этих факторов предсказать, каким образом индивиды будут реагировать на инфекцию или на лечение, а затем использовать наши данные для создания основ прецизионной медицины, которая будет лечить лучше и эффективнее? Цель потенциально далекая, но немаловажная как для пациентов, так и для общества, если говорить о качестве ухода за больными и стоимости лечения.

Наши беседы вылились в проект «Внутренняя среда организма», запущенный в 2011 году. Работы ведутся под руководством Дарры Даффи и моим в Институте Пастера. Проект соединяет в себе компетенции исследователей в самых разных областях: это иммунология, инфектология, микробиология, вирусология, генетика человека, биоинформатика, статистика и эволюционная системная биология. Своим названием проект обязан теории, сформулированной в XIX веке физиологом Клодом Бернаром: «внутренняя среда организма» – другими словами, совокупность внутренних жидкостей, необходимых для жизни всех живых существ, – управляет самими принципами жизни. Кроме того, наш проект продолжает традицию трансляционных исследований, у истоков которой стоял Луи Пастер. Наша цель: выяснить наследственные факторы и факторы окружающей среды, формирующие иммунную систему здоровой популяции.

Исследование «Внутренняя среда организма» опирается на анализ образцов, взятых у 1000 здоровых доноров, сгруппированных по возрасту (пять десятилетий от 20 до 69 лет) и полу (500 женщин и 500 мужчин). Образцы включали свежую периферическую кровь (на которую воздействовали различными агентами – приблизительно 30 патогенами или молекулами, – запускающими врожденный или приобретенный иммунный ответ), ДНК и РНК, выделенные из клеток крови, кал, мазки из полости носа и биопсию кожи. Были сделаны классические биохимические и гематологические тесты и собран (для каждого участника) медицинский анамнез, подробные сведения о его образе жизни, питании, отношении к табаку и о других деталях, которые могли воздействовать на иммунную систему. За десять лет у нас накопилось большое количество данных об изменчивости иммунологических фенотипов и влияющих на нее факторов. Эти данные и методы, использованные для их анализа, могут служить основой для сравнительного изучения заболеваний иммунной системы.

Два исследования в рамках проекта «Внутренняя среда организма» представляются мне особенно важными для выяснения факторов, влияющих на разнообразие нашего иммунного ответа. В основе первого из них лежит вопрос: какие факторы изменяют соотношение различных иммунных клеток в крови? Прежде всего был изучен состав периферической крови, чтобы оценить изменчивость иммунной системы 1000 здоровых индивидов. Было количественно оценено 168 параметров, включая абсолютное число и соотношение клеток иммунитета, а также уровень экспрессии специфических маркеров, присутствующих в этих клетках. Сопоставив эти показатели с 140 переменными величинами, записанными для каждого индивида (возраст, пол, статус питания, вес, рост, прививки, образ жизни и т. д.), мы отметили, что только 5 переменных из 140 действительно влияют на изменчивость иммунных клеток крови: генетические признаки человека, пол, возраст, хроническая инфекция, вызываемая цитомегаловирусом (CMV), и курение табака.

Однако эти факторы на разные виды клеток влияют по-разному: соотношение числа клеток, задействованных во врожденном иммунитете (моноцитов, макрофагов, дендритных клеток и т. д.) изменяется главным образом в зависимости от генома человека, а соотношение числа клеток – участниц адаптивного иммунного ответа (Т- и В-лимфоцитов) определяется скорее иными факторами. У клеток адаптивного иммунного ответа больше продолжительность жизни, и они более восприимчивы к влиянию возраста, курения, скрытых инфекций, вакцинаций и других ненаследственных факторов, зависящих от образа жизни индивида.

Во втором исследовании тот же вопрос интересовал нас с точки зрения иммунного ответа на заражение патогенами. Мы проанализировали изменчивость экспрессии генов в клетках крови всех 1000 индивидов после воздействия бактерий (например, кишечной палочки, золотистого стафилококка или БЦЖ – бациллы Кальметта-Герена, из которой готовят вакцину против туберкулеза), вирусов (вирус гриппа) и грибков (Candida albicans). Мы получили следующие результаты: приблизительно 20 % разброса значений иммунного ответа на инфекцию зависит от естественной изменчивости различных видов клеток крови человека; 10 % разброса значений объясняется ролью генома человека и, наконец, пол и возраст влияют лишь где-то на 5 % разброса значений. Однако эти пропорции являются лишь средними показателями, полученными для изученных 572 генов иммунитета: между тем, изменчивость некоторых генов – например, TLR1 – объясняется прежде всего влиянием состава генома человека, тогда как изменчивость экспрессии большинства других генов – таких как STAT1 или STAT2 – зависит от возраста и пола.

В других исследованиях было показано, что на фенотипические признаки, связанные с иммунитетом, влияют и такие факторы, как, например, эпигенетическая изменчивость человека или различное состояние кишечной флоры (микробиоты). Таким образом, количественное описание влияния наследственных и ненаследственных факторов – возраста, пола, режима питания, хронических вирусных инфекций или даже социального статуса – на изменчивость фенотипов иммунитета – ключевой метод выяснения параметров, участвующих в превращении «здорового» иммунного ответа в патологический. Понимание этих параметров очень важно для прецизионной медицины, которая должна использовать новейшие достижения научного прогресса.