Старение. Почему эволюция убивает? - Петр Владимирович Лидский
Могут ли другие эпидемиологические параметры помочь отличать один тип инфекций от другого? Если мы сравним хронические стерилизующие заболевания, описанные в главе 34, и острые инфекции, мы обнаружим, что скорость их передачи часто существенно различается. Скорость передачи(transmission) определяет, сколько восприимчивых хозяев один инфицированный носитель заражает за единицу времени. Для того чтобы эпидемия прогрессировала, каждый носитель должен заражать более одного здорового хозяина. Если продолжительность болезни коротка, как в случае острых излечимых инфекций, таких как корь или коклюш, то время ограничено и скорость передачи должна быть относительно высокой, чтобы заразить достаточное количество здоровых особей. Напротив, если заболевание хроническое, то время не является лимитирующим фактором и скорость передачи может быть гораздо ниже.
Более того, если хронический стерилизующий патоген обладает очень высокой инфекционностью и заражает хозяев с низкой плодовитостью, ситуация не будет эволюционно стабильной в долгосрочной перспективе. Она может развиваться в разных направлениях: либо хозяин, либо патоген вымрет, потому что стерилизация многих хозяев приведет к коллапсу их популяции, что сделает проблематичной и передачу патогена.
Патогены могут выработать более слабую стерилизацию или более низкую скорость передачи, чтобы быть более осмотрительными с популяцией хозяина. В качестве альтернативы хозяева могут выработать частичную устойчивость к патогену или, как наименее вероятный сценарий, повысить плодовитость, чтобы компенсировать ущерб, нанесенный болезнью. Однако если мы предположим, что хронические стерилизующие патогены, поражающие хозяев с низкой плодовитостью, остаются эволюционно успешными, то следует ожидать, что они будут передаваться с умеренной или медленной скоростью. В противном случае они не смогут занимать эту экологическую нишу на протяжении долгого времени.
Могут ли организмы хозяев как-то распознавать патогены с низкой инфекционностью? Может ли животное оценить эпидемиологический параметр инфекции, которой оно заразилось? Моделирование показывает, что возраст, в котором животное подверглось заражению, зависит от инфекционности, а следовательно, от типа инфекции: излечимые заболевания с высокой инфекционностью заражают хозяев на ранних стадиях их жизни. Например, корь, краснуха, скарлатина, полиомиелит, другие респираторные и кишечные заболевания с относительно высокой скоростью передачи — это в основном детские болезни. Непривитые дети заражаются, и если выздоравливают, то, как правило, приобретают долгосрочный или даже пожизненный иммунитет от этих болезней.
Напротив, хронические стерилизующие заболевания с низкой инфекционностью чаще поражают более возрастных носителей. Например, стерилизующие инфекции, передаваемые половым путем, достигают своего пика вскоре после полового созревания. Таким образом, хотя иммунная система и не может напрямую определить скорость передачи патогена, но если хозяин встречается с новой инфекцией в более позднем возрасте, то эта болезнь имеет более высокую вероятность оказаться хронической стерилизующей инфекцией, чем болезнь, поразившая этот организм в начале жизни.
Конечно, стерилизующие хронические заболевания могут заражать детей, а острые лихорадки — пожилых людей. Однако чем старше особь, тем выше шанс, что новая для нее инфекция окажется хроническим стерилизующим заболеванием, а не острой лихорадкой. Если эта идея верна, старые животные, зараженные новым патогеном, должны быть склонны к самоубийству. Можем ли мы найти факты, позволяющие проверить эту гипотезу?
Рис. 31. Возраст первого инфицирования патогеном может помочь иммунной системе отличить хронические и острые патогены.
Верхняя панель. Излечимые болезни с высоким уровнем инфекционности, вызывающие продолжительный иммунитет, обычно поражают хозяев в раннем возрасте. На рисунке приведены возрасты пациентов с диагносцированными ветрянкой, корью и вирусом коксаки B. В то же время хронические стерилизующие инфекции, такие как сифилис, ВИЧ и гонорея, поражают организмы в более позднем возрасте. (Спад в количестве инфекций этими заболеваниями с возрастом, вероятно, связан с изменениями полового поведения человека, он может отсутствовать у животных.) Видно, что патоген, впервые встреченный индивидуумом в позднем возрасте, с большей вероятностью окажется хроническим стерилизующим патогеном, чем патоген, встреченный в более молодом возрасте.
Нижняя панель. Феноптоз в ответ на инфекцию в позднем возрасте эволюционно выгоден. Эксперимент проводили так же, как и на рис. 27, с тем отличием, что долгоживущий мутант отвечал феноптозом на инфекцию лишь в позднем возрасте. В этом случае долгоживущий мутант был способен закрепиться в популяции в присутствии как хронического стерилизующего патогена (поскольку в этом случае заражение сокращало жизнь до уровня, сравнимого с короткоживущим вариантом), так и острого излечимого патогена (поскольку особи часто переживали инфекцию в молодом возрасте, не активируя феноптоз). Конечно, это еще не значит, что такая стратегия делает старение полностью ненужным: патогены могут изобретать механизмы ухода от детекции или предотвращения феноптоза. Феноптоз в позднем возрасте лишь сдвигает оптимум продолжительности жизни в сторону большего долгожительства. Эта модель объясняет эволюционные причины появления старения иммунной системы — иммуносенесцентности и рационализирует некоторые его свойства.
Иммунная система изменяется по мере старения организма. В англоязычной литературе это явление называется immuno-senescence — «иммунологическое старение или иммуносенесцентность»(от immunity — иммунитет и senescence — старение). Общепринятое представление об этом процессе заключается в том, что иммунитет пожилых людей хуже защищает от инфекций и делает их более склонными к воспалительным реакциям. Пандемия SARS-CoV-2 ярко высветила негативные последствия иммунного старения. Возраст был основным определяющим фактором смертности у пациентов с COVID-19.
Одним из самых заметных возрастных изменений в иммунной системе является инволюция 48 тимуса. Тимус является органом, где созревают Т-лимфоциты (или Т-клетки, тип белых кровяных телец), мигрировавшие туда из костного мозга. Назначение Т-лимфоцитов — убивать раковые и зараженные вирусами клетки. Возрастное уменьшение тимуса приводит к неспособности организма производить новые наивные Т-лимфоциты 49, то есть способные реагировать на новые белковые мотивы, а следовательно, защищать от новых инфекций. В то же время количество Т-клеток памяти, которые необходимы для предотвращения инфекций, уже знакомых организму, напротив, увеличивается.
Аналогичная динамика наблюдается и с В-лимфоцитами, которые производят антитела — специальные белки, способные связываться с молекулами патогена (антигенами) и инактивировать их. Количество наивных В-клеток, которые могут реагировать на новые антигены, неуклонно уменьшается с возрастом, а количество клеток памяти — увеличивается.
Рис. 32. Иммунная система человека меняет свои свойства с возрастом.
Иммунный ответ становится более воспалительным и хуже защищает от инфекций. Этот эффект затрагивает практически все функции иммунной системы и, в частности, включает истощение пула наивных B- и T-лимфоцитов, которые способны защищать от новых патогенов. Одним из самых выраженных событий, происходящих с иммунной системой, является инволюция вилочковой железы — тимуса, — в которой созревают наивные Т-лимфоциты. С возрастом эта железа значительно уменьшается в
