Các nguyên lý của hệ thống miễn dịch được phân tích để phát triển hệ thống học có giám sát. Tuy nhiên, AIRS lại xây dựng dựa trên những phương pháp học không giám sát. Việc thêm phản hồi cho hệ miễn dịch tiến hóa dựa trên sự phân loại kháng nguyên đã biết, chứng tỏ nó khó khăn hơn so với suy nghĩ ban đầu. Tuy nhiên, AIRS đã kết hợp tri thức này theo một số hướng. Đầu tiên, sự kích thích một ARB không chỉ dựa trên tính tương đồng với một kháng nguyên mà còn dựa trên lớp của nó khi so sánh với lớp của kháng nguyên. Những ARB có độ tương đồng cao của cùng một lớp, chẳng hạn như các kháng nguyên bị phản ứng, là các ARB có ái lực thấp của một cùng lớp khác với kháng nguyên. Thứ hai, sự phân phối tài nguyên cho các ARB cũng đưa vào thông tin phân loại các ARB khi so sánh lớp của kháng nguyên. Cuối cùng, siêu đột biến tế bào nhớ và sự thay thế chủ yếu dựa trên sự phân lớp và là thứ yếu cho tính tương đồng.
Chương 2
Các hệ thống miễn dịch: Tự nhiên và Nhân tạo
Chương 2 khảo sát nền tảng của việc xây dựng hệ thống học từ ý tưởng miễn dịch tự nhiên (Natural Immune System - NIS). Ở đây, các thành phần trong hệ thống miễn dịch sinh học được nêu ra, nhằm giải thích khung làm việc chung của hệ thống học miễn dịch này. Thông qua NIS, hệ thống miễn dịch nhân tạo được hình thành dựa trên một số cơ chế học và nhớ trong tự nhiên. Những khái niệm cơ bản này sẽ giúp cho việc tiếp cận thuật toán được nhanh chóng và dễ dàng hơn.
2.1 Hệ thống miễn dịch tự nhiên
Khi nói về hệ thống miễn dịch, ý tưởng cho việc học hay nhận dạng không hề xuất hiện trong suy nghĩ. Hệ thống miễn dịch được xem như một người bảo vệ tuyệt vời, tránh đi những sinh vật siêu vi có thể gây tử vong hoặc phá hoại cơ thể, truyền đi sự bảo vệ cơ thể đúng như nhiệm vụ của nó. Việc học ứng dụng ở đâu tại đây? Nếu xem xét một cách đầy đủ, chúng ta có thể thấy rằng hệ thống miễn dịch có khả năng học và phát triển qua thời gian. Khái niệm tiêm chủng hay vacxin là những ví dụ điển hình nhất. Cơ thể luôn tiếp xúc với các mầm bệnh. Khi tiêm một lượng nhỏ mầm bệnh vào cơ thể, hệ miễn dịch bảo vệ chúng ta trong những lần tiếp xúc với mầm bệnh tiếp sau đó bằng cách nào? Bằng cách nào hệ miễn dịch có khả năng làm tiêu tan nhanh chóng những mầm bệnh có thể hoặc không thể thấy được? Như vậy, chắc chắn phải tồn tại ít nhất một cơ chế nhớ cho hệ miễn dịch và có những dấu hiệu từ kinh nghiệm hàng ngày để hệ miễn dịch học cách bảo vệ cơ thể. Điều gì
trong hệ miễn dịch cho phép học từ những tương tác với môi trường và cung cấp sự phản ứng thích hợp khi đối mặt với những trường hợp tương tự (mầm bệnh)?
2.1.1 Các thành phần miễn dịch
Hệ thống miễn dịch có thể được xem như một hệ thống các lớp: đầu tiên là da, sau đó là các cơ quan thụ cảm nhận dạng những mẫu bệnh để đưa cho các lớp khác trong hệ thống. Khả năng nhận dạng mẫu của những tế bào bẩm sinh này khá ổn định trong suốt đời sống của sinh vật.
2.1.1.1 Bạch cầu
Bạch cầu là nơi mà việc học và thích nghi trong hệ miễn dịch xảy ra, là nơi mà sự phản ứng miễn dịch thích hợp xuất hiện. Ngoài ra, bạch cầu bao gồm những cấu trúc khá phức tạp, nhưng chúng ta chỉ quan tâm đến các loại bạch cầu – tế bào T và tế bào B. Hai tế bào này có tên từ nơi sản sinh ra nó (thymus, tuyến ức và bone- marrow, tủy xương). Hai tế bào này quan trọng như thế nào đối với khả năng tương tác và thay đổi phản ứng khi mầm bệnh (còn gọi là kháng nguyên) xâm nhập?
Do các tế bào miễn dịch phải biết cách không tấn công cơ thể mà chỉ tấn công kháng nguyên, nên cần có một vài cơ chế truyền bá tri thức này đến cấp tế bào. Đối với tế bào T, điều này được thực hiện thông qua quá trình trưởng thành và lựa chọn âm tính. Các tế bào T chưa trưởng thành trong tuyến ức phải tiếp xúc với chính chúng liên tục, tế bào nào tự phản ứng sẽ bị tiêu hủy. Tuy nhiên, sau một khối lượng tiếp xúc nào đó, nếu tế bào T không phản ứng lại chính nó thì nó được phép đi vào cơ thể như một tế bào T trưởng thành. Quá trình này gọi là sự lựa chọn âm tính và thông qua nó, chúng ta có một hệ miễn dịch với các tế bào T có khả năng phản ứng với các kháng nguyên có hại (hoặc ít nhất là không phản ứng với chính nó). Như vậy, các tế bào T phải học cách phản ứng với sự nguy hiểm hay không nguy hiểm, vì trong cơ thể có rất nhiều những tác nhân vô hại như thức ăn trong ruột, dạ con, tử cung… Thông qua quá trình nhận dạng mẫu và học trong hệ miễn dịch, tế bào T (hay cụ thể hơn là tế bào T hỗ trợ) sẽ đưa mẫu kháng nguyên vào tế
bào B, tế bào này cũng phản ứng với kháng nguyên theo cách riêng và tăng nhanh số lượng để bảo vệ cơ thể chống lại vật lạ.
Hình 2.1: Phản ứng miễn dịch kháng nguyên tổng quát
Theo hình 2.1, đầu tiên, kháng nguyên xâm nhập vào cơ thể, chạm trán với những tế bào kháng nguyên chuyên dụng (Specialized Antigen Presenting Cell – APC) và phân chia thành những peptide kháng nguyên (I). Những mẫu peptide này kết hợp với những phân tử mô phức hợp chính (Major Histocompatibility Complex – MHC) tồn tại trong APC (II). Sự kết hợp MHC – peptide trên bề mặt tế bào, bị tế bào T phát hiện và là nguyên nhân gây kích thích (III). Các tế bào T kích thích tiết ra những lymphokines như những tín hiệu báo động cho các đơn vị khác phản ứng với sự phát hiện này. Tế bào B là một trong những đơn vị nhận được tín hiệu và bị kích thích bởi những kháng thể của nó xuất hiện trong cùng thời điểm (IV). Lúc này, tế
Tế bào T kích thích Tế bào B Lymphokines ( IV ) ( V ) ( VI ) Tế bào B kích thích ( VII ) APC MHC protein Kháng nguyên Peptide Tế bào T ( I ) ( II ) ( III )
bào B bị kích thích sẽ tạo ra những kháng thể trên bề mặt của nó (V). Những kháng thể này kết hợp với kháng nguyên và làm vô hiệu hóa chúng, truyền tín hiệu cho các thành phần khác trong hệ miễn dịch để phá hủy phức hợp kháng nguyên – kháng thể (VI).
Bây giờ chúng ta sẽ khảo sát những tế bào bạch cầu chủ yếu, tế bào B. Như đã nói, tế bào B phát triển từ tủy xương và tương tác với tế bào T để sản xuất ra sự phản ứng miễn dịch. Ngoài mặt của mỗi tế bào B là tập hợp những kháng thể đồng nhất về mặt cấu trúc / hóa học. Đó là những kháng thể ràng buộc với những mẫu kháng nguyên và sản sinh một sự phản ứng dựa trên mức độ nhận dạng trong quá trình hưởng ứng với một kháng nguyên. Công đoạn nhận dạng được thực hiện và sự phản ứng của tế bào B khi trả lời nhận dạng này sẽ hình thành vấn đề chính trong hệ thống học miễn dịch.
Trong lý thuyết thực hiện hệ miễn dịch, có vài đề xuất khác nhau đề cập đến cách mà tế bào B nào đó tương tác với một kháng nguyên và cách mà tương tác này ảnh hưởng đến sự dừng lại của hệ thống. Lý thuyết lựa chọn dòng nói rằng, khi một kháng nguyên xâm nhập vào hệ miễn dịch, các tế bào B tùy ý được chọn dựa trên sự phản ứng của chúng với kháng nguyên này để trải qua sự tạo dòng và mở rộng nhanh chóng. Khi một kháng nguyên được đưa vào một tế bào B, những kháng thể của tế bào B phản ứng lại kháng nguyên tùy theo mức độ. Sự phản ứng này thường gọi là sự tương đồng của tế bào B đó (hay kháng thể) với kháng nguyên đã cho. Những tế bào B có độ tương đồng đủ (dựa trên một vài ngưỡng phản ứng bên trong) được phép sản xuất con liên quan đến mức tương đồng. Điều này cho phép sự mở rộng tế bào nhanh chóng để tấn công kháng nguyên xâm nhập.
Đặc biệt hơn, khi một tế bào B nhận dạng một kháng nguyên, nó đòi hỏi sự kích thích từ tế bào T hỗ trợ để phản ứng. Sự cùng kích thích này sẽ chuyển tế bào T vào tế bào huyết thanh, nơi tập trung những kháng thể tự do để làm việc với tế bào T hủy diệt, nhằm làm vô hiệu hóa sự đe dọa của kháng nguyên. Khi nguy cơ sụt giảm, các tế bào B bị kích thích cao bởi kháng nguyên sẽ được chọn để trở thành tế bào
nhớ, cho phép phản ứng lần hai nhanh chóng nếu có một kháng nguyên tương tự xâm nhập trong tương lai.
2.1.1.2 Không gian hình thái
Một cách đơn giản, phạm vi kháng nguyên và sự phản ứng kháng thể có thể được xem như một không gian trừu trượng. Các thuộc tính của kháng nguyên và kháng thể, chẳng hạn như sự hiện diện hay vắng mặt của một dây chuyền hóa học, chuỗi DNA… có thể xác định tọa độ trong không gian. Không gian này được xem như không gian hình thái của hệ miễn dịch.
Khi thảo luận về không gian hình thái và phạm vi nhận dạng kháng thể của một kháng nguyên, có một hình cầu phạm vi ảnh hưởng hay nhận dạng, bắt nguồn từ mỗi kháng thể / tế bào B. Một kháng nguyên định vị dựa trên tọa độ trong không gian hình thái, trong khối cầu nhận dạng của kháng thể đã cho / tế bào B, được nhận dạng bởi kháng thể đã cho / tế bào B này. Một cách hình thức thì có một ngưỡng nào đó cho mỗi kháng thể / tế bào B để định nghĩa khối cầu nhận dạng của nó.
Hình 2.2: Khái niệm không gian hình thái
Hình 2.2 biểu diễn ba tế bào và vùng nhận dạng của chúng, được mô tả bởi các kháng nguyên rơi vào trong hay ngoài vùng ảnh hưởng của tế bào. Điều này cho
phép một kháng thể / tế bào B so khớp từng phần với một kháng nguyên và vẫn phản ứng sự nguy hiểm này một cách hiệu quả. Hơn nữa, nó cho phép chúng ta thảo luận ý tưởng về một kho miễn dịch bao phủ toàn bộ không gian hình thái. Nghĩa là không cần một so khớp “một kháng thể - một kháng nguyên” trong hệ miễn dịch để có câu trả lời thích hợp cho một kháng nguyên. Trên thực tế, ý tưởng này khá vô lý. Số lượng kháng nguyên có thể là rất lớn, ngược lại hệ miễn dịch có số lượng tế bào miễn dịch hạn chế tại mọi thời điểm. Lúc này, số tế bào hạn chế này vẫn có khả năng nhận dạng và phá hủy những kháng nguyên nguy hiểm. Như vậy, hệ miễn dịch phải tổng quát hóa các mẫu tương tự và thể hiện ý tưởng bao phủ không gian hình thái và khối cầu nhận dạng để thực hiện nhiệm vụ của nó.
2.1.1.3 Sự phản ứng kháng thể - kháng nguyên
Như đã thảo luận về không gian hình thái và độ bao phủ, một kháng nguyên đã cho nằm trong khối cầu nhận dạng của tế bào B không có nghĩa nó cùng phản ứng với kháng nguyên thứ hai rơi vào trong khối cầu này. Khái niệm về mức tương đồng với kháng nguyên, thậm chí trong phạm vi khối cầu, đưa ra những cường độ phản ứng khác nhau, chẳng hạn như một kháng nguyên rơi gần một kháng thể trong không gian hình thái sẽ tạo ra một phản ứng mạnh hơn kháng nguyên ở xa trung tâm kháng thể thực sự của khối cầu. Đây chính là khái niệm về sự trưởng thành ái lực và siêu trưởng thành xôma. Tế bào B được chọn dựa trên mức tương đồng với kháng nguyên để sản xuất một số lượng dòng. Mục đích của quá trình này làm tăng gấp đôi khả năng nhận diện và tiêu diệt kháng nguyên. Ban đầu, các dòng được sản xuất để tấn công hoặc vô hiệu hóa kháng nguyên xâm hại. Những tế bào có mức tương đồng cao hơn được phép sản sinh nhiều dòng hơn vì chúng sẽ đối phó với kháng nguyên thích hợp hơn. Mục đích thứ hai của việc sản sinh dòng là phát triển hệ miễn dịch thành thạo trong việc nhận dạng và phản ứng với kháng nguyên thông qua quá trình trưởng thành ái lực (trưởng thành tương đồng) bằng đột biến. Tỷ lệ đột biến trong hệ miễn dịch khá cao đối với một số tế bào và có biến đổi rõ rệt. Tế bào con B chịu đột biến tỷ lệ nghịch với giá trị tương đồng của nó. Những tế bào có giá trị tương đồng cao hơn (do đó nhận dạng kháng nguyên tốt hơn) đột biến ít hơn
những tế bào có giá trị thấp hơn. Trong suốt quá trình này, sự tương đồng của những tế bào B phát sinh sau sẽ tốt hơn (trưởng thành hơn) trong việc phản ứng kháng nguyên, và sự đa dạng hơn sẽ thêm vào hệ thống bằng sự khai thác tỷ lệ đột biến cao của những tế bào có độ tương đồng thấp hơn.
Bằng cách mô tả sự mở rộng dòng tế bào B và sự phản ứng kháng nguyên, hệ miễn dịch sẽ phát triển không điều khiển được với một số lượng lớn dòng đột biến. Tuy nhiên, chỉ khi có tỷ lệ đột biến và tỷ lệ dòng đưa vào trong tế bào B cao, thì sẽ xuất hiện một mức độ đào thải tế bào cao. Bản chất của đột biến là tác động lên số lượng lớn tế bào không còn hữu ích trong việc kết buộc với kháng nguyên. Trên thực tế, nhiều đột biến có thể gây hại cho chính nó. Tuy nhiên, hệ miễn dịch sẽ tự điều chỉnh. Số lượng tế bào miễn dịch trong hệ thống tại bất cứ thời điểm nào luôn dao động quanh một hằng số. Những tế bào B có độ tương đồng thấp bị thanh lọc thường xuyên thông qua quá trình đào thải tế bào. Cơ chế đào thải tế bào được xem như một tỷ lệ thay thế cao giữa các tế bào có độ tương đồng thấp trong hệ miễn dịch.
2.1.2 Nhớ và học
Khi hai kháng nguyên tương tự cùng xâm nhập, hệ miễn dịch phản ứng nhanh và hiệu quả bằng cách nào? Chắc chắn hệ miễn dịch phải sở hữu một vài cơ chế học, chẳng hạn như sử dụng vacxin với liều lượng mầm bệnh nhỏ, cơ thể có khả năng phòng ngừa những mầm bệnh này khi có cơ hội tái tiếp xúc. Ở đây, bộ nhớ được duy trì ra sao? Tại sao khả năng phản ứng với mầm bệnh không mất đi sau quá trình chết tế bào do tiếp xúc với kháng nguyên?
Thứ nhất, sau khi tiếp xúc với kháng nguyên, tế bào nhớ trưởng thành được bảo quản trong hệ thống. Ở lần tiếp xúc tiếp theo, tế bào nhớ này được phép sản xuất dòng nhanh hơn nhiều so với tế bào B để phản ứng với kháng nguyên hay những kháng nguyên có cấu trúc tương tự.
Thứ hai, một trong những mục đích (ngoại trừ việc vô hiệu hóa thực sự quá trình xâm hại của kháng nguyên) của việc lựa chọn dòng, trưởng thành ái lực và siêu
trưởng thành xôma nhằm mục đích phát triển tế bào nhớ cho phép đáp ứng nhanh chóng nhiệm vụ trong tương lai.
Do đó, nhớ được duy trì thông qua sự tổng hợp các tế bào nhớ. Tập tế bào nhớ cũng tiến triển theo thời gian khi phản ứng với môi trường nhưng biến dạng chậm hơn so với tế bào miễn dịch đặc thù. Điều này giúp cho quá trình đào thải tế bào xảy ra ít hơn.
Một vấn đề nữa không thể bỏ qua đó là sự tương tác giữa các tế bào miễn dịch với chính nó. Mỗi tế bào B sẽ kết nối với tế bào B láng giềng. Những kết nối này cung cấp sự kích thích và sự ngăn chặn cho các tế bào láng giềng. Ở đây, tồn tại một mức cân bằng tốt giữa các tế bào không nhận đủ kích thích và cuối cùng bị đào thải. Khi một kháng nguyên xâm nhập vào mạng miễn dịch, một tín hiệu kích thích / ngăn chặn giữa mạng lưới tế bào xuất hiện, với tế bào láng giềng có mức tương đồng cao