What is immunome?

Full Text

Что такое иммуном и зачем это нужно?

Введение

Среди Omics направлений научных исследований наиболее хорошо известен термин геном. Его предложил Ганс Винклер в 1920г как совокупность генов, составляющих гаплоидный набор хромосом конкретного биологического вида, однако со временем, благодаря развитию молекулярной генетики, под этим термином стали понимать наследственный материал отдельного представителя вида [1]. Амбициозный проект «Геном человека» предполагал, что расшифровка последовательности ДНК всех хромосом человека позволит нам знать о человеке ВСЕ [2]. Были созданы международные базы данных, куда различные исследовательские группы выгружали результаты секвенирования генома человека. Полное секвенирование генома человека завершилось в 2022 г. Оказалось, что в геноме человека активны всего около 20 тысяч генов, что составляет около 1,5% генетического материала. Стало понятно, что знание последовательности нуклеотидов не дает исчерпывающей информации. Важна связь гена и белкового продукта, понимание, какую функцию выполняет данный продукт. Появился термин протеом, предложенный в 1994 г Марком Уилкинсом [3], определяющий совокупность экспрессированных белков в конкретном типе клеток или в целом организме. Международный проект по исследованию протеома человека (Human Proteome Organization/HUPO) стартовал в 2001 г. Оказалось, что белков у человека существенно больше, чем активных структурных генов, благодаря альтернативному сплайсингу и посттрансляцонной модификации. Следующей вехой следует считать осознание, что человеческий организм существует на сам по себе, а функционирует в постоянном контакте с микроорганизмами, населяющими барьерные ткани человека. Был разработан проект «Микробиом человека» [4]. Было показано, что порядка 10000 видов микроорганизмов населяют экосистему человека, часть из них являются комменсалами, то есть не причиняют вреда человеку, часть – мутуалисты, то есть имеют взаимовыгодные отношения с организмом хозяина [5].  Метаболиты, выделяемые микробиотой, оказывают сложные регулирующие воздействия на организм человека. Более того, оказалось, что не так важен спектр микробиоты, как совокупный результат ее жизнедеятельности, спектр метаболитов, выделяемых микрофлорой. Термин метаболом определяется как совокупный набор низкомолекулярных химических соединений, содержащихся в биологическом образце, таком как клетка, ткань или орган, или весь организм в целом. Термин метаболом был применен впервые в 1998г по аналогии с терминами геном и протеом [6].

Результаты, полученные с помощью этих Omics исследований трудно переоценить, они совершили настоящий переворот в наших представлениях о человеческом организме. Огромный объем результатов потребовал формирования  отдельного направления – биоинформатики, позволяющего учитывать, анализировать и сопоставлять гигантские объемы информации о человеке.

Иммуном, определение

Бурное развитие иммунологии в ХХ и первой четверти XXI века привело к пониманию, что функции иммунитета далеко не исчерпываются противоинфекционной защитой, как полагали вначале. Оказалось, что иммунитет глубоко вовлечен в гомеостаз и репарацию органов и тканей, он опосредует комфортные отношения с антигенами пищи и окружающей среды, вынашивание плода и сожительство с микробиотой, которая, по сути, чужеродна человеческому организму [7, 8]. Более того, выяснилось, что иммунитет не только вовлечен в патогенез таких иммунозависимых патологий, как аллергические заболевания, хронические персистирующие инфекции, аутоиммунные болезни и онкология, но играет важную, а иногда и ключевую роль практически во всех патологиях человеческого организма. Воспалительная реакция, лежащая в основе подавляющего большинства заболеваний человека, является весьма сложным процессом и может быть вызвана потерей структуры, потерей регуляции или потерей функции [10].

Осознание роли иммунной системы как интегрирующей системы организма привело к появлению термина иммуном, который первоначально, по аналогии с геномом, протеомом, метаболомом и т.д. определяли как совокупность перестроенных генов антител, Т- и В-клеточных антигенных рецепторов (TCR и BCR), присутствующих у всех живых людей [9]. Точный размер иммунома человека до сих пор неизвестен, однако считают, что объем информации, закодированный в генах антител, TCR и BCR,  на несколько порядков превышает размер генома человека [11]. Это связано  с особенностями V-(D-)J-перестроек этих рецепторов, участии 2 цепей в формировании антиген-распознающей части V-доменов и, дополнительно, с наличием гиперсоматических мутаций при созревании антител [12, 13]. В рамках этой интерпретации термина иммуном в 2016г был запущен масштабный проект «Иммуном человека», целью которого является расшифровка полного репертуара TCR и BCR человека [14]. Результаты такого исследования могут быть важны для проектирования вакцин нового поколения, понимания наличия готовых к ответу Т- и В-клеток при возникновении совершенно новых патогенов и анализа вероятности аутоиммунных ответов, а также разработки новых лекарственных препаратов против аутоиммунных, онкологических и аллергических заболеваний.

В последние годы, в результате серьезного прогресса в области иммунологии и биотехнологии в понятие иммуном стали вкладывать более расширенный смысл. Под термином иммуном понимают совокупность генов и белков, а также клеток, их рецепторов, пептидов и других молекул, составляющих иммунную систему и участвующих в ее функциях. Разные авторы определяют иммуном как совокупность иммунофенотипов различных субпопуляций лейкоцитов [15], клеточного микроокружения, опосредующего иммунные ответы [16], иммунопрофилирования на уровне отдельных клеток [17], и перспективный подход для будущих иммунных анализов [18]. Иными словами, расширенное определение иммунома включает не только иммунокомпетентные клетки, их рецепторы и различные молекулы ими синтезируемые, но также любые «неиммунные» клетки и молекулы, участвующие в оркестрировании иммунных ответов и микроокружение, среду, в которой происходят иммунные ответы. Невероятная сложность иммунома и его внутренних связей требует применения самых передовых подходов математического моделирования, биоинформитики, других вычислительных инструментов и набирающего силу искусственного интеллекта.

Перспективы исследования иммунома

Исследования иммунома в узком смысле, то есть секвенирование TCR, BCR и антител помимо чисто научного интереса может иметь конкретное практическое приложение. Для сбора и анализа информации создано специальное приложение для секвенирования репертуара адаптивных иммунных рецепторов или AIRR-seq. С помощью AIRR-seq можно узнать, с какими патогенами встречался в своей жизни конкретный человек. Так у людей, переболевших гриппом, было выявлено повышение частоты встречаемости генов Т-клеточных рецепторов, специфичных к антигенам вируса гриппа [19]. Хорошо известный постковидный синдром, проявляющийся различной патологией у лиц, перенесших COVID-19, также может быть спрогнозирован на основании особенностей Т-клеточных рецепторов, ответивших на антигены вируса SARS-CoV-2 и перекрестов с аутоантигенами, реализующими различные иммунопатологии [20].

С другой стороны, сопоставление структуры рецепторов иммунокомпетентных клеток и данных об антигенном составе различных микроорганизмов, получаемых в рамках программы «Санитарный щит страны» может быть основой для разработки высокоэффективных вакцин нового поколения, особенно для тех патогенов, для которых живые вакцины сложно использовать из-за высокопатогенных свойств возбудителей. Кроме того, при возникновении совершенно нового, ранее неизвестного возбудителя инфекционного заболевания можно вычислять те эпитопы его антигенов, на которые будут формироваться иммунные ответы и использовать эти знания при экстренной разработке вакцины.

Можно использовать профилирование репертуара рецепторов для выявления патогенного клона при В-клеточных лимфолейкозах и мониторирования минимального остаточного заболевания после лечения. Исследование изменений спектра иммунных рецепторов при старении может помочь с индивидуальным подбором вакцин для людей старческого возраста [21].

Если посмотреть на концепцию иммуном в расширенном формате, то открываются перспективы, уходящие далеко за горизонт современных знаний. Очень перспективным направлением является поиск предикторов и биомаркеров. Оценка всего комплекса сведений об иммунитете, включая различные субпопуляции иммунокомпетентных клеток, их рецепторы, цитокины, хемокины, ростовые факторы, молекулы гуморального иммунитета, а также «неиммунные» клетки и молекулы организма, вовлеченные в иммунную защиту, позволяет выявлять с помощью современных вычислительных технологий значимые маркеры не только для различных патологий или результатов терапии, но и для профилирования пациентов с, казалось бы, одинаковым диагнозом с целью персонализированного подхода и достижения оптимальных результатов лечения. Так исследование иммунома при аутоиммунных заболеваниях помогает расшифровать тонкие механизмы иммунопатогенеза этих болезней. В качестве примера можно привести работы по исследованию патогенеза диабета 1 типа [22], псориаза [23, 24], ревматоидного артрита [25], системной красной волчанки [26]. При проведении комплексных исследований, используя концепцию иммуном, удалось выявить и определить, как предикторы, субпопуляцию клеток, предшествующих обострению ревматоидного артрита [27].

Исследование иммунома при воспалительных заболеваниях кишечника (ВЗК) и применение технологий Big data оказывается весьма полезным для диагностики, стратификации пациентов и определения стадии заболевания [28]. Различные исследования, выявляющие изменения в фенотипах иммунокомпетентных клеток, рецепторах, транскриптах, цитокинах и их ассоциации с активностью или подтипом ВЗК несут важную информацию, но, будучи разрозненными, не связанными в единую систему дополнительно усложняют понимание иммунопатогенеза и вычленение патогенной роли тех или иных факторов [29, 30, 31]. Применение для лечения различных аутоиммунных заболеваний терапевтических моноклональных антител, блокирующих одну конкретную молекулу (цитокин, рецептор и т.п.), улучшило результаты лечения этих сложных заболеваний. Однако лечение всех пациентов с конкретной нозологией по одной схеме, воздействуя на одну точку целостного иммунома, привело к тому, что хорошие терапевтические результаты достигаются лишь примерно у половины пациентов, сопровождаются непредсказуемыми, порой, нежелательными явлениями и потерей терапевтического эффекта [32]. При этом частота успешных терапевтических ответов не зависит от того, на какой конкретно компонент иммунного ответа было оказано воздействие [33]. Эти факты позволяют сделать вывод о том, что воздействие на отдельный компонент иммунома, без учета его взаимосвязей в пространстве и времени с другими компонентами нельзя рассматривать как удовлетворительный подход к терапии аутоиммунного заболевания.

Человеческая популяция крайне гетерогенна. Даже наличие одинакового диагноза не говорит об едином механизме иммунологических нарушений. Помимо генетического разнообразия, дополнительные различия  вносятся полом, возрастом, стилем жизни и окружающей средой. В последние годы был введен термин экспосом, обозначающий разнообразные воздействия на организм человека продуктов питания, химических веществ, лекарств, физических и психологических стрессов, любых воздействий окружающей среды и последующие биологические реакции на них [34]. Несомненно, что экспосом вносит существенные коррективы в механизмы протекания заболевания у конкретного больного. При этом все описанные в начале статьи –омы (геном и эпигеномные воздействия, протеом, микробиомы, метаболом и т.д.) также непосредственно взаимодействуют и участвуют в иммуноме. Каждый из них, оказывая воздействие на другие –омы и сам изменяется во времени. В результате образуется очень сложно взаимодействующий и постоянно меняющийся интерактом [35]. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что актуальная на данный момент таргетная терапия, направленная на блокировку одной конкретной мишени не является стратегически правильной. Комбинация блокировки нескольких мишеней, предлагаемая для достижения лучших терапевтических эффектов, на деле приводит к увеличению количества побочных реакций и не сильно улучшают результаты лечения [36]. Гетерогенность иммунопатогенеза заболеваний и явная недостаточность терапевтических стратегий на основе блокировки одной мишени подняла вопрос о необходимости стратификации пациентов и перехода к персонификации терапии. Для этого необходимо детальное изучение иммунома в норме и при различных заболеваниях. Помимо формирования массива информации имеющего определенные трудности в сборе и стандартизации биоматериала, исследовательских подходов и интерпретации результатов, необходима разработка специализированных вычислительных инструментов, способных адекватно обрабатывать такие массивы данных [37].

Описанными проблемами, связанными с исследованием иммунома при различных заболевания, тема далеко не исчерпывается. Так, например, изучение изменения иммунома при вакцинации (различных субпопуляций иммунокомпетентных клеток и гуморальных факторов) в сочетании с оригинальными математическими подходами к анализу результатов такой оценки позволило выявить субпопуляции лимфоцитов, активно вовлеченных в иммунный ответ на антигены вакцины. Кроме того, были рассчитаны предикторы высокого или низкого уровня гуморальных и Т-клеточных иммунных ответов на антигены вакцины [38]. Такие комплексные исследования позволяют стратифицировать людей, подлежащих прививке, в зависимости от ожидаемых результатов такой вакцинации. Это позволит подбирать индивидуальные программы вакцинации для людей с ожидаемо низким ответом на прививку, что повысит как их индивидуальную защиту, так и показатели популяционного иммунитета, защищающего непривитых по разным причинам лиц.

Другим примером успешного применения знаний, полученных при исследовании иммунома, является недавняя отечественная разработка препарата для лечения болезни Бехтерева (анкилозирующий спондилит). Группа Д.М.Чудакова показала, что у различных пациентов с болезнью Бехтерева, для которой патогномоничным является наличие HLA-B*27 варианта молекулы главного комплекса тканевой совместимости, эта молекула распознается TCR с одинаковым вариантом β-цепи (BV9-CDR3β). Чаще других этот вариант спаривается с вариантом α-цепи (AV21) [39]. На основании этого открытия отечественная фирма BIOCAD разработала препарат, способный избирательно уничтожать CD8⁺Т-лимфоциты, несущие такой вариант TCR. После проведенных положенных доклинических испытаний, препарат был применен у человека с болезнью Бехтерва. Через 3 месяца после введения препарата у пациента была достигнута ремиссия, была отменена анти-TNF терапия, которую он получал в течение 5 лет. Ремиссия держится более 4 лет. Данный препарат потенциально может быть применим при других HLA-B27 ассоциированных заболеваниях, таких как острый передний увеит и псориатический артрит, также ассоциированных с HLA-B27 [40].

Заключение

Таким образом, понятие иммуном, как в широком, так и в узком смысле, подразумевает глубокие исследования иммунной системы, результаты которых способны генерировать широкий круг инноваций в диагностике, скрининге, иммунопрофилировании и прогнозе различных заболеваний, поиске новых препаратов  для лечения, разработке новых вакцин. Приведенные примеры исследований иммунома, дающие прорывные результаты в различных областях иммунологии и медицины в целом, свидетельствуют о перспективности использования комплексного исследования иммунома человека в сочетании с другими Omics-технологиями и новыми вычислительными инструментами.

About the authors

Anna P. Toptygina

G.N.Gabrichevsky Research Institute for Epidemiology and Microbiology, Moscow, Russia; Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: toptyginaanna@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-9981-4762
SPIN-code: 8523-5018
Scopus Author ID: 6602424818
ResearcherId: В-6725-2019

PhD, MD (Medicine), docent, Chief Research Associate, Head of Laboratory of Cytokines; Professor Chair of Immunology

Russian Federation, 10 Admiral Makarov Street, Moscow, 125212, Russia

References

Supplementary files