Конкурс «Био/Мол/Текст»-2022/2023

Эта работа заняла первое место в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «Био/Мол/Текст»-2022/2023.

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

В учебниках и научных статьях по иммунологии вы найдете множество сложных схем с видами клеток и взаимодействиями между ними. Шведский ресурс The Human Protein Atlas, занимающийся картированием всех белков человека [1], выделяет 18 типов иммунных клеток крови (рис. 1) на основе классификации при помощи проточной цитофлуорометрии [2].

Подробнее об этом и других биологических методах читайте в спецпроекте «Биомолекулы» «12 методов в картинках».

Методы с бóльшим молекулярным разрешением, такие как секвенирование РНК одиночных клеток (Single-Cell RNA-sequencing), позволяют выделить еще больше субпопуляций [3]. Например, в не самом крупном исследовании почти 45 тысяч клеток крови авторы описывают 30 клеточных типов, один из которых специфичен для пациентов с острым респираторным дистресс-синдромом [4]. Остается только догадываться, какое огромное разнообразие популяций клеток существует при разных заболеваниях и других состояниях организма.

Богатство имен и функций клеток — это лишь один из уровней сложности для студента, желающего постичь хотя бы основы иммунологии. Его также накроет с головой названиями цитокинов, поверхностных белков, схемами взаимодействия клеток и функциями различных органов [5]. Типичная и далеко не самая сложная схема из научной статьи по иммунологии приведена на рисунке 2. Как запомнить такое количество информации?

Проводя время за компьютерными или настольными играми, люди нередко запоминают значительно больше, чем 18 объектов и сложные связи между ними. Согласно систематическому обзору 44 статей, геймификация позволяет улучшить качество медицинского образования или, по крайней мере, сделать процесс обучения веселее [6]. Мы решили упростить запоминание основных клеточных типов в иммунологии, создав игру Tsunamity (рис. 3).

В игре вы выступаете в роли иммунной системы , которая вынуждена постоянно бороться с волнами патогенов, атакующих организм. Основные враги, с которыми придется столкнуться, — бактерии и вирусы, но иногда нападать на вас будут и гельминты.

Об основах работы иммунитета человека рассказывает статья «Иммунитет: борьба с чужими и.. своими» [7].

Цель игры — не пустить инфекцию вглубь организма: в правую часть экрана. Для этого вы можете нанимать в костном мозге иммунные клетки. Нейтрофилы и B-лимфоциты помогут бороться с бактериями, NK-клетки и Т-киллеры — с вирусами, а эозинофилы — с гельминтами. Т-хелперы послужат вам верными помощниками, поддерживая, в зависимости от ситуации, противовирусный или антибактериальный иммунитет, а макрофаги услужливо очистят поле от погибших клеток. Валютой в игре служит глюкоза, вырабатываемая здоровыми тканевыми клетками.

Самые продвинутые игроки смогут встретиться с раком и ВИЧ, которые усложнят процесс. С течением времени в клетках копятся мутации. Когда их количество превышает определенный порог, клетка превращается в раковую, перестает приносить глюкозу и делится быстрее остальных, постепенно заполняя весь экран. С небольшой вероятностью может произойти заражение ВИЧ, атакующим Т-хелперы и макрофаги. Тогда придется постоянно принимать антиретровирусную терапию, чтобы не дать вирусу размножаться слишком быстро.

В качестве приятного бонуса выступают антибиотики и вакцины. В игре они могут помочь быстро справиться с бактериальной инфекцией и получить защиту от вирусного заболевания, соответственно. Однако, если вы начали принимать антибиотики, необходимо «пропить» полный курс, используя препарат 4 волны (атаки бактериями) подряд. Если забыть это сделать, у бактерий возникает резистентность [8] и антибиотик станет бесполезным. Вакцины в Tsunamity направлены на борьбу с вирусами и работают подобно векторным нереплицирующимся вакцинам, таким как «Спутник V» против SARS-CoV-2 [9], [10]. Они заражают здоровые клетки ткани, заставляя их выглядеть похожими на пораженные настоящим вирусом (рис. 4). Это помогает тренировке противовирусного иммунитета и готовит его к встрече с настоящей инфекцией. Единственное отличие состоит в том, что вирус, содержащийся в вакцине, не размножается внутри клеток и не способен распространять инфекцию. Мы надеемся, что игра наглядно объяснит, как работают вакцины (по крайней мере, против SARS-CoV-2), а также напомнит людям о культуре приема антибиотиков.

Борьба с инфекцией в игре происходит не в каком-то конкретном органе, а в абстрактной ткани, связанной кровеносными сосудами с иммунными органами. Если игра будет пользоваться успехом, возможна разработка нескольких уровней, более подробно описывающих работу иммунной системы в разных частях тела. В правой верхней части игрового экрана мы поместили селезенку, связанную с игровым полем сосудами. В нее перемещаются антигены от убитых бактерий, используемые для тренировки B-лимфоцитов.

Одним из самых существенных упрощений игры является поведение Т-лимфоцитов, так как мы опустили этап с селекцией в тимусе (о нем можно подробно прочитать на «Биомолекуле» [11]). Наивные Т-лимфоциты сразу выходят на игровое поле, имея на поверхности случайный рецептор. Если повезет, и Т-киллер столкнется с клеткой, пораженной подходящим вирусом, он начнет делиться, производя свои копии. Мы постарались передать впечатление, что получение нужных клеток адаптивного иммунитета — во многом случайный процесс, требующий времени. Оптимальное поведение игрока соответствует тому, как ведет себя иммунная система, борясь с инфекцией клетками врожденного иммунитета, и в то же время стараясь подобрать подходящие лимфоциты.

Уже встретившиеся с патогеном B-лимфоциты можно улучшить до плазматических клеток, а далее — до клеток памяти. Также в Т-клетку памяти можно превратить убившего хотя бы одну клетку Т-киллера. Клетки памяти в Tsunamity позволяют покупать нужные лимфоциты без тренировки. Так мы постарались передать понимание, почему организму проще повторно бороться с той же инфекцией.

Желаем всем приятной игры! И пусть 3500 строк кода Tsunamity не способны воспроизвести невероятную сложность иммунной системы, зато в ней действительно увлекательно проводить время, а клеточные типы, их поведение и внешний вид запоминаются без особого труда — играючи. Игра может облегчить представление, как работает иммунитет, и мотивировать изучить иммунологию глубже. Если это будет так хотя бы для одного человека, наша цель достигнута.

Литература

1. Mathias Uhlen, Max J. Karlsson, Wen Zhong, Abdellah Tebani, Christian Pou, et. al.. (2019). A genome-wide transcriptomic analysis of protein-coding genes in human blood cells. Science. 366;
2. 12 методов в картинках: проточная цитофлуориметрия;
3. Одноклеточное секвенирование: разделяй, изучай и властвуй;
4. Aaron J. Wilk, Arjun Rustagi, Nancy Q. Zhao, Jonasel Roque, Giovanny J. Martínez-Colón, et. al.. (2020). A single-cell atlas of the peripheral immune response in patients with severe COVID-19. Nat Med. 26, 1070-1076;
5. Yutong Huang, Qiang Wu, Paul Kwong Hang Tam. (2022). Immunomodulatory Mechanisms of Mesenchymal Stem Cells and Their Potential Clinical Applications. IJMS. 23, 10023;
6. A. E. J. van Gaalen, J. Brouwer, J. Schönrock-Adema, T. Bouwkamp-Timmer, A. D. C. Jaarsma, J. R. Georgiadis. (2021). Gamification of health professions education: a systematic review. Adv in Health Sci Educ. 26, 683-711;
7. Иммунитет: борьба с чужими и… своими;
8. Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней;
9. Denis Y Logunov, Inna V Dolzhikova, Dmitry V Shcheblyakov, Amir I Tukhvatulin, Olga V Zubkova, et. al.. (2021). Safety and efficacy of an rAd26 and rAd5 vector-based heterologous prime-boost COVID-19 vaccine: an interim analysis of a randomised controlled phase 3 trial in Russia. The Lancet. 397, 671-681;
10. «Спутник V» и не только: сказ об аденовирусных вакцинах;
11. Анализ индивидуальных репертуаров Т-клеточных рецепторов.