Практическое занятие по теме:
ПОНЯТИЕ ОБ АНТИГЕННОСТИ И АНТИГЕНАХ

1.1. Понятие об антигенности, иммуногенности веществ и субстратов

1.2. Антиген распознающий рецепторы. Антигены, маркеры

1.1. ПОНЯТИЕ ОБ АНТИГЕННОСТИ, ИММУНОГЕННОСТИ ВЕЩЕСТВ И СУБСТРАТОВ

Различают полные и неполные антигены, или гаптены. Последние – относительно простые вещества, способные участвовать в иммунологических взаимодействиях, но не способные активировать АПК и самостоятельно индуцировать иммунный ответ. Лишь после присоединения к крупным, обычно белковым молекулам (носителям), гаптен может приобрести свойства полного антигена.

Антигенными свойствами обладают биополимеры – белки, их комплексы с углеводами (гликопротеиды), липидами (липопротеиды) нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды), а также сложные полисахариды, липополисахариды. Для проявления антигенных свойств имеет значение размер молекулы. Молекулы с молекулярной массой более 10 000, как правило, антигенны, а при меньшей молекулярной массе чаще обладают свойствами гаптенов. Полисахариды антигенны при молекулярной массе выше 100 000.

Полипептиды, состоящие из L–аминокислот, антигенны, а состоящие из D–аминокислот, лишены этого свойства. Белки при денатурации утрачивают свои антигенные свойства. Например, белки, коагулированные кипячением, обработкой крепкими растворами кислот или щелочей, перестают быть антигенами. Проявления антигенного действия связано с катаболическим разрушением антигенов в организме. Так, D–полипептиды медленно и не полностью разрушаются ферментами организма и не проявляют антигенных свойств.

Практически все природные субстраты, обладающие антигенными свойствами, являются комплексами нескольких антигенов. Ниже будет показано, что микробная клетка обладает множеством антигенов, свойственных отдельным ее структурам. Даже индивидуальные молекулы могут обладать несколькими антигенами.

Основными свойствами антигена являются: специфичность, чужеродность, иммуногенность или толерогенность.

Специфичность. Антигенная специфичность представляет собой уникальное биологическое явление, которое лежит в основе иммунологических взаимодействий в организме, а также лабораторных методов определения разных антигенов, серодиагностики, методов специфической профилактики и терапии инфекционных заболеваний.

Структура, обладающая индивидуальной антигенной специфичностью, называется антигенным детерминантом, или эпитопом. Последнее название отражает то, что антигенной активностью обладают только структуры лежащие на поверхности молекулы, а глубокие проявляют антигенность лишь при изменении конформации или разрушении молекулы. Разнообразие белковых эпитопов достигается за счет мозаики аминокислотных остатков, расположенных на глобулярной поверхности молекулы белка.

Эпитопы, определяющие антигенность белковой молекулы, состоят из 625 аминокислот и располагаются в разных частях молекулы, разделяясь неантигенными структурами. При этом эпитопы одной молекулы не обязательно должны иметь одинаковый состав и одинаковую специфичность. Количество одинаковых эпитопов на молекуле определяет число молекул антител, которые могут к ней присоединиться, т.е. валентность данного антигенного субстрата. Валентность антигенов возрастает с их молекулярной массой.

Так, валентность яичного альбумина с молекулярной массой 45 000 равна 5, а валентность гемоцианина с мол. массой 6,5 млн. – 231. Эпитоп, отделенный от молекулы, может иметь только одну валентность и обладать свойствами гаптена, а вся молекула для данного эпитопагаптена играет роль носителя. Поскольку эпитопы, определяющие антигенные свойства молекулы расположены на одних участках, а токсические свойства микробных токсинов определяют другие участки, могут быть приготовлены анатоксинымолекулы, лишенные токсических свойств, но сохранивших антигенные. Анатоксины служат основой вакцинных препаратов для создания антитоксического иммунитета.

Чужеродность. Антиген вызывает позитивный иммунный ответ (образование антител и активных лимфоцитов) только в тех случаях, когда он чужероден, т.е. обладает стектурами, отсутствующими в данном организме. К собственным антигенам организм толерантен. Только при изменениях, придающих антигену признаки чужеродности, он приобретает способность индуцировать позитивный иммунный ответ. Строение антигенов отражает эволюционную близость обладающих ими организмов. Существуют общие антигены, свойственные представителям разных семейств, родов, видов. Имеются вариантные антигены, различные для особей одного и того же вида.

Определение антигенного состава используется для классификации разных групп живых существ и выявления эволюционных связей между ними. В ходе эволюции микроорганизмы, инфицирующие человека и животных, приобретают антигены, сходные с антигенами хозяина, что называется антигенной мимикрией. Это способствует тому, что к таким антигенам долго не возникает иммунологической реакции, и микроорганизмы получают дополнительный шанс для выживания в организме хозяина, поскольку они не распознаются как чужеродные.

Чужеродные антигены, обладающие структурами, сходными с антигенами хозяина, получили название перекрестнореагирующих антигенов (ПРА). Однако, поскольку ПРА находятся в комплексе с другими высокоиммуногенными для организма антигенами, иммунный ответ на них может возникнуть. В этом случае образовавшиеся гуморальные и клеточные антитела вступают в контакт с антигенами хозяина и могут вызвать иммунопатологический процесс.

Известно, что некоторые штаммы гемолитических стрептококков могут обладать ПРА с антигенами эндокарда, почечных клубочков и нервной ткани человека и животных, что способствует например развитию ревматизма, гломерулонефрита , дистрофии миокарда.

Антигены нервной системы, глаз, репродуктивных органов отделены от внутренней среды физиологическими барьерами. Их антигены не индуцируют полноценную толерантность и не вызывают в здоровом организме аутоиммунной реакции, поскольку не проникают в органы иммуногенеза. Такие антигены называют забаръерными. В случаях повреждения барьеров при травме или заболевании забарьерные антигены поступают в общую циркуляцию и могут вызвать иммунопатологический процесс.

Собственные антигены организма могут подвергнуться модификации при действии внешних химических или физических факторов или вступить в контакт с чужеродными веществами гаптенной природы. В результате формируются антигены, гаптенная часть которых – чужеродная структура, а носитель – собственный антиген. Такие модифицированные антигены часто служат причиной развития аллергических реакций.

Иммуногенность и толерогенность – альтернативные свойства каждого антигенного субстрата. Для индукции иммунного ответа и толерантности необходимо воздействие антигена на лимфоцит, обладающий рецепторами для данного антигена – антигенреактивную клетку (АРК). Отличия состоят в том, что при индукции позитивной иммунной реакции АРК получают стимулы от цитокинов, обеспечивающие их пролиферацию и формирование клона эффекторных клеток. При индукции иммунологической толерантности АРК не подвергается дальнейшей стимуляции и либо погибает, либо лишается рецепторов к антигену.

Формирование иммунологической толерантности Т и В–лимфоцитов к собственным антигенам, как уже отмечалось, происходит в организме постоянно и созревающие лимфоциты, обладающие рецепторами к аутоантигенам, гибнут в результате контакта с ними в тимусе или в костном мозге. Чужеродные антигены в иммунологически полноценном организме встречают преимущественные условия для иммуногенного действия и лишь в особых ситуациях проявляют толерогенные свойства. Это наблюдается: При действии антигена в условиях неспособности организма обеспечить стимуляцию клеток, вошедших в контакт с антигеном в случаях действия иммунодепрессивных факторов, физиологической недостаточности факторов, способствующих иммуногенезу (незрелость организма, беременность).

При отсутствии стимуляции активного иммунного ответа, вследствие недостаточной дозы антигена возникают («низкодозная» толерантность), сверхбольшой дозы антигена («высокодозная» толерантность) или иммунологический паралич. При попадании антигена в структуры, не формирующие позитивный иммунный ответ («пероральная» толерантность).

Толерогенными свойствами обладают также низкоиммуногенные антигенные препараты – деагрегированные белки, некоторые гаптены. Во всех этих случаях толерантность сохраняется, как правило, только в течение того времени пока в организме сохраняется и проявляет свое действие толероген. Как только созреют новые антигенреактивные клетки (АРК), не подвергшиеся толерогенной обработке, толерантность прекращается, несмотря на то, что в организме еще сохраняются ареактивные клетки.

Для характеристики иммунологической толерантности следует отметить, что чувствительность Т и В–лимфоцитов к индукции толерантности различна: Т–лимфоциты более чувствительны к индукции толерантности, чем В–лимфоциты, и сохраняются толерантными более длительное время. Поэтому в организме может возникнуть ситуация, когда Т–лимфоциты толерантны к данному антигену, а В–лимфоциты не толерантны. В этом случае иммунологическая толерантность на уровне организма сохраняется, так как для активации В–лимфоцитов необходим сигнал от Т–хелперов. Однако в некоторых случаях создаются условия для нарушения толерантности, так как на некоторые антигены В–лимфоциты реагируют без помощи Т–клеток.

Условия, способствующие иммуногенному действию антигенов. Иммуногенность зависит от состояния иммунизируемого организма, дозы способа введения, интервалов между прививками, свойств антигена, в частности от скорости разрушения его в организме. Иммуногенный эффект лучше всего проявляется при внутрикожном и подкожном введении антигена, а при необходимости создать секреторный иммунитет – при пероральном или ингаляторном введении.

Иммуногенность повышается при введении антигенов с адъювантами (лат. adjuvare – помогать), препаратами, способствующими созданию депо антигена, стимуляции фагоцитоза. Адъюванты обладают митогенным действием на лимфоциты, способствуют продукции цитокинов. В качестве адъювантов используются гидроксид или фосфат алюминия, масляные эмульсии. Применяемый для иммунизации животных адъювант Фрейнда – смесь минерального масла, эмульгатора и убитых микобактерий туберкулеза. Роль адъюванта может выполнить липополисахарид (ЛПС) грамотрицательных бактерий, служащий неспецифическим стимулятором В–лимфоцитов.

Иммуногенность – способность антигена вызывать иммунный ответ вне зависимости от его иммунной специфичности. Степень иммуногенности зависит не только от свойств молекулы антигена, но и от условий введения в организм, а также дополнительных воздействий.

Факторы, влияющие на степень иммуногенности

На степень иммуногенности вещества влияют следующие факторы:

Природа антигена. Высокой иммуногенностью обладают белки и углеводы. Нуклеиновые кислоты, липиды и другие органические вещества зачастую слабоиммуногенны и могут выступать в роли эффективных антигенов только в составе комплексных соединений.

Размер молекулы вещества. С повышением молекулярной массы растет иммуногенность. Для белков пороговый размер молекулы, при котором появляется иммуногенность, видимо, связан с появлением а–спиральной структуры. Молекулярная масса антигена влияет не только на формирование определенной вторичной структуры белка, но и на количество эпитопов и их разнообразие, что повышает валентность антигена и также влияет на степень его иммуногенности.

Жесткость структуры молекулы антигена, то есть способность сохранять определенную конфигурацию, увеличивает иммуногенность.

Принадлежность антигенов к классам полимеров, свойственным высшим животным, увеличивает их иммуногенность для последних. В частности, полипептиды, состоящие из не свойственных позвоночным D–аминокислот, слабо иммуногенны для них. Предполагается, что это может быть связано с трудностью деградации этих веществ из–за отсутствия необходимых ферментов.

1.2. АНТИГЕН РАСПОЗНАЮЩИЙ РЕЦЕПТОРЫ. АНТИГЕНЫ, МАРКЕРЫ

Распознавание антигенов

Существуют большое количество различных антител. Все они реагируют с огромным количеством разнообразных антигенов. Аналогично, огромное количество T–клеток распознает огромное количество разнообразных антигенов. Специфическое распознавание антигена осуществляется лимфоцитами, которые имеют рецепторы для антигена на их поверхностях. Существует огромное количество рецепторов с отличающейся специфичностью, реагирующих со всем диапазоном известных антигенов, но каждый лимфоцит имеет рецепторы только для единственного антигена. Отсюда следует, что существует огромное количество лимфоцитов (приблизительно 106–109), имеющих один единственный тип рецептора каждый.

Антигенными рецепторами B–лимфоцитов являются иммуноглобулины. Действие механизма перестройки генов (см. ниже) приводит к появлению разнообразных молекул иммуноглобулинов, которые служат как рецепторы для антигенов на поверхности клетки и, в конечном счете, представляют собой специфический иммуноглобулин (антитело), которое будет секретироваться плазматическими клетками после возникновения иммунного ответа.

В упрощенном виде, антиген выбирает лимфоциты, которые имеют рецепторы (то есть, поверхностный иммуноглобулин B–клеток), соответствующие ему (подходят друг к другу, как ключ к замку). Это взаимодействие приводит к делению и трансформации B–клетки, и, в конечном счете, к образованию клона плазматических клеток, которые секретируют молекулы антител со специальными связывающими участками, которые являются по существу такими же, как и расположенные на поверхности клетки первоначального лимфоцита, распознавшего антиген.

T–лимфоциты также имеют рецепторы для антигенов и популяции T–клеток имеют подобную степень разнообразия. Рецептор Т–клетки состоит из пары полипептидных цепей (a– и b–цепи), при этом каждая цепь имеет вариабельный и постоянный участок, таким образом рецептор подобен рецептору В–клетки (который является поверхностным иммуноглобулином). Рецептор Т–клетки таким образом может быть расценен как член «семейства иммуноглобулинов высшего качества», которое включает не только иммуноглобулины, но и другие молекулы, вовлеченные во взаимодействие и распознавание клеток, при этом все они имеют общее эволюционное происхождение.

Разнообразие антиген–распознающих рецепторов Т–клетки формируется в раннем эмбриональном периоде при помощи механизма перестройки генов, который похож на механизм образования разнообразия иммуноглобулинов. Также, параллельно с активацией В–клеток, антиген выбирает и T–клетки, несущие рецепторы с соответствующей специфичностью, и, таким образом, стимулирует пролиферацию специфического клона T–клеток, результатом которого является образование поколения многочисленных T–клеток–эффекторов идентичной специфичности. Обратите внимание, что распознавание антигена T–клетками – сложный процесс, вовлекающий пространственное взаимодействие антигена с MHC–молекулой на макрофагах и рецептором антигена Т–клетки при участии CD3 и CD4 или CD8 молекул на T–клетках. T–хелперы распознают антигены, связанные с молекулами MHC II класса, а T–супрессоры и цитотоксические Т–клетки распознают антигены, связанные с молекулами MHC I класса. Были описаны T–клетки, несущие рецептор, составленный из гамма и дельта цепей, однако их функция неизвестна.

Ген–перетасовывающий механизм

Разнообразие антигенных рецепторов на B– и T–клетках возникает на уровне ДНК во время дифференцировки лимфоидных предшественников в эмбриональном периоде. Вовлеченные в данный процесс гены расположены в хромосомах 2 (k цепь), 22 (l цепь), 14 (тяжелые цепи, a и g цепи рецепторов Т–клеток) и 7 (b и d цепи рецепторов Т–клеток). Хотя каждый из этих генов функционирует как «генная единица» производства цепи полипептидов, каждый ген существует в цепи ДНК как сложный «мультиген», состоящий из большого количества различных сегментов ДНК, которые могут быть свернуты или собраны вместе в различных модификациях, что приводит к возникновению многочисленных различных шаблонов ДНК. Специальный механизм соединяет по одному сегменту ДНК от каждой категории, формируя VDJC–последовательность, которая служит как функциональный ген, на котором образуется и РНК, кодирующая всю тяжелую цепь.

В настоящее время довольно широко практикуется использование специфичности ответных иммунных реакций при различных патологиях, с целью ранней диагностики и выявления заболеваний. Особенно активно такие методы используются в медицине. Так, например наиболее достоверным в такой диагностике является обнаружение специфических иммунных комплексов–маркеров. Данные комплексы характеризуют различные стадии иммунного процесса, происходящего при различных патологических состояниях в организме человека или животного. Наиболее часто идентифицируют специфические и неспецифические маркеры ВИЧ у человека методами ИФА и ПЦР.

Кроме того широко используется как в медицинской так и ветеринарной практике обнаружение опухолевых маркеров параллельно с гистологическими методами исседования. Чаще всего идентифицируют маркеры опухолевого роста: Альфа–фетопротеин (АФП), человеческий хорионический бета–гонодотропин (бета–ЧГТ), простат–специфический (ПСА), карциноэмбриональный (КЭА), антиген СА–125;СА–15–3; СА–19–5; Бета 2–мнкроглобулин, SCCA (другое название – ТА–4)– это опухоле–ассоциированный антиген плоскоклеточных карцином различных локализаций и другие маркеры.