ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АНТИГЕНОВ

Антигены— все те вещества, которые несут признаки генетической чужеродности и при введении в организм вызывают развитие специфических иммунологических реакций.

♦ Термин «антиген» (греч. anti — против и genes— порождающий) на заре развития инфекционной иммунологии имел буквальное толкование, выражая способность патогенных микробов, продуктов их распада и жизнедея-тельности индуцировать в организме образование иммуноглобулинов и вступать с ними в специфическую реакцию взаимодействия. Далее выяснилось, что антигенными свойствами обладают чужеродные белки (сыворотки, экстракты тканей), другие высокомолекулярные и более простые соединения. Правда, низкомолекулярные вещества сами по себе вызывать образование антител не могут, но вступают в реакцию взаимодействия с иммуноглобулинами, которые вырабатывались под воздействием конъюги-рованных с ними высокомолекулярных соединений (белков). Высокомолекулярные соединения, индуцирующие антителообразование и взаимодействующие с иммуноглобулинами, назвали иммуногенами, а низкомолекулярные, только реагирующие с антителами, — гаптенами (греч. hapto— схватываю). После того как стало известно, что вещества, обладающие антигенными свойствами, являются стимуляторами клеточных факторов приобретенного иммунитета (иммунокомпетентных клеток), термин антиген получил научно обоснованную трактовку.

В современной иммунологии антигенами называют иммуногены и гаптены, которые, активируя иммунокомпетентные клетки, вызывают образование иммуноглобулинов и развитие многих других иммунологических (защитных) процессов. Имея это определение в виду, антигенами по-прежнему называют микробы, другие чужеродные клетки, тканевые экстракты, биологические жидкости, содержащие иммуногены и гаптены.

А. Гаптены (простые химические группировки) не в состоянии индуцировать специфический ответ, хотя они и обладают антигенными свойствами — спо­собностью взаимодействовать с предсуществующими антителами.

Б. Большинство достаточно высокомолекулярных биологических веществ (белки, полисахариды, нуклеопротеины и др.) являются хорошими индукторами (иммуногенами) специфического ответа.

В. Неиммуногенный гаптен, конъюгированный с иммуногенным носителем, способен индуцировать синтез специфических антител или образование клона лимфоцитов, демонстрируя тем самым свойство антигенности

рис. 1. Значение гаптенов.

♦ Сильными иммуногенами являются чужеродные протеины, гликоиротеиды, липопротеиды и другие белки в комплексе с гаптенами, сложные полисахариды капсул пневмококка, липополисахариды энтеробактерий, нуклеиновые кислоты соматических клеток, многие искусственные высокополимерные соединения.

рис. 2. Усиление иммуногенности антигена при его конъюгации с синтетическим полиэлектролитом.

Неиммуногенные или слабоиммуногенные антигены приобретают способность к выраженной индукции иммунного ответа не только в результате конъюгации с сильными иммуногенными носителями, но и при соединении с неприродными, искусственно синтезированными и неиммуногенными полимерами.

Бычий сывороточный альбумин (БСА) — крайне слабый иммуноген (А),

Однако его конъюгация с сополимером 4-винилпиридин, 4-винил-ацетилпиридиний бромида (СП-2), который полностью неиммуногенен (Б),

приводит к провокации сильного иммунного ответа (В).

Антигенами называют вещества любого происхождения, в том числе микробного, которые распознаются клетками иммунной системы организма реципиента как генетически чужеродные и вызывают различные формы им­мунного ответа. Антигенами являются биополимеры, чаще белки и их комплексные соединения с углеводами (гликопротеиды), липидами (липопротеиды), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды).

Каждый антиген обладает двумя обязательными свойствами— антигенностью и специфичностью. Под антигенностью понимают способность антигена индуцировать в организме реципиента иммунный ответ, в частности образование антител. Специфичность антигена определяется его способностью взаимодействовать только с гомологичными антителами. Существуют антигены, не способные индуцировать образование антител, однако они могут взаимодействовать с готовыми антителами, полученными путем иммунизации организма этими антигенами в комплексе с белками-носителями. Такие антигены называются гаптенами.

В практической иммунологии и лабораторной работе термин «антиген» употребляют в двояком смысле:

♦ во-первых, для обозначения определенного химически очерченного и очищенного от примесей молекулярно - гомогенного вещества (например, кристаллический сывороточный альбумин, яичный альбумин, очищенный микробный токсин и др.);

♦ во-вторых, в собирательном смысле, для обозначения сложных препаратов, целых клеток или тканей, содержащих большое количество отдельных анти-генных веществ.

Приобретенный постинфекционный иммунитет создается в онтогенезе и по наследству не передается. Этот вид иммунитета обусловлен гуморальными и тканевыми факторами высокой специфичности — иммуноглобулинами и иммунокомиетеитными клетками. Его образование индуцируется антигенами патогенных микроорганизмов.

1. Антиген (Аг) — вещество, несущее признаки генетически чужеродной информации. Аг можно определить как молекулу, распознаваемую иммунокомпетентными клетками как чужеродную (не свою). Иммуногены — Аг, вызывающие в организме иммунный ответ. Молекула иммуногена взаимодействует с АТ или рецептором Т-лимфоцитов

рис. 3. Условный образ антигена.

Условная полимерная молекула демонстрирует различные функциональные участки, принимающие участие в специфической индукции иммунного ответа.

а. Экзогенные иммуногены подвергаются эндоцитозу и расщеплению в Аг - представляющих клетках. Далее фрагмент Аг, содержащий антигенную детерминанту (эпитоп) в комплексе с молекулой ГКГ II класса, транспортируется к плазматической мембране Аг - представляющей клетки, встраивается в неё и предъявляется СD4+ Т-лимфоцитам.

б. Эндогенные иммуногены — продукты собственных клеток организма. Чаще всего это вирусные, белки, синтезируемые вирус- инфицированными клетками хозяина, и аномальные белки опухолевых клеток. Их антигенные детерминанты предъявляются СD8+ Т-лимфоцитам в комплексе с молекулой ГКГ I класса .

Антигенность присуща не только белкам, но и многим сложным полиса-харидам, липополисахаридам, полипептидам, а также некоторым искусственным высокополимерным соединениям, т. е. всем веществам, которые могут нести на себе специфический отпечаток чужеродности.

Антигенность веществ зависит от их химической природы, молекулярной массы, коллоидного состояния, чувствительности к катаболическому разрушению, чужеродности.

Антигенность — свойство чужеродных для данного организма веществ вступать в реакцию взаимодействия со специфическими к этому веществу антителами или рецепторами лимфоцитов. При этом не подразумевается способность данных веществ вызывать специфическую реакцию организма на чужеродный материал.

Химическая природа. Антигенами являются природные или синтетические биополимеры, имеющие достаточно жесткую структуру и высокую молекулярную массу. Таковыми являются белки и полипептиды, состоящие из различных аминокислот, полисахариды, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и липиды. Полисахариды могут обладать антигенностью только в том случае, если их молекулярная масса не менее 600 000.

Слабые антигенные свойства таких белков, как желатин и протамины, объясняются их небольшой молекулярной массой. Однако из этого правила есть исключения. Так, например, гормон поджелудочной железы инсулин с молекулярной массой 3800 обладает антигенностью, а декстран (используется как кровезаменитель) с молекулярной массой 100 000 антигеном не является. При денатурации белки утрачивают свои антигенные свойства. Например, белки, коагулированные нагреванием, обработкой крепкими растворами кислот или щелочей, перестают быть антигенами. Проявление антигенного действия связано с катаболическим разрушением антигенов. Так, например, полипептиды, состоящие из Ь-аминокислот, являются антигенными, а из О-аминокислот лишены этого свойства, поскольку они сравнительно медленно и не полностью разрушаются ферментами организма.

Простые элементы — железо, медь, сера и др., не могут быть антигенами. То же относится к простым и сложным неорганическим соединениям— солям, кислотам и др. Хлорид натрия имеет одну и ту же химическую структуру независимо от того, где эта молекула синтезируется. То же относится и к таким органическим молекулам, как глюкоза, другим моно- и дисахарам, аминокислотам. Биосинтез этих молекул независимо от того, в растительной или микробной клетке он осуществляется, заканчивается построением химически однотипных молекул. Специфического отпечатка работы разных геномов на этих молекулах нет. Эта специфичность проявляется на более высоком уровне организации биологических макромолекул. Аминокислоты, соединенные в полипептидную цепь достаточной величины и сложности, приобретают антигенность.

Значение молекулярной массы для проявления антигенности очевидна. Имеются вещества, достаточно специфичные, чтобы нести признаки чуже-родности, но обладающие малой величиной молекулы. Они вызывают реак-ции иммунитета в смеси со специальными стимуляторами антителогенеза.

Помимо перечисленных условий, антигенность зависит от вида иммунизиро-ванного животного, способа введения в организм, дозы, скорости разрушения антигенов в организме реципиента. Антигенные свойства одних агентов лучше проявляются при введении их перорально, других — внутрикожно, третьих — внутримышечно.

Антигенность повышается при введении антигенов с адъювантами (aduvatis — вспомогающий), к которым относятся гидроксид или фосфат алюминия, масляная эмульсия, адъювант Фрейнда — смесь минерального масла, эмульгатора и убитых микобактерий туберкулеза. Роль адъюванта может выполнять также ЛПК грамотрицательных бактерий. Механизм действия многих адъювантов заключается в создании депо антигена, в стимуляции фагоцитоза или митогенном действии на лимфоциты. В частности, ЛПК является поликлональным стимулятором В-лимфоцитов.

Антигенность— мера антигенного качества, например большая или меньшая способность вызывать образование антител. Если сравнить два белка — бычьи сывороточные альбумин и гамма-глобулин посредством им­мунизации ими кролика, то выявится большая антигенность гамма-глобулина: у кролика вырабатывается большее количество антител, которые будут реагировать с этим антигеном.

Чужеродность— неотделимое от антигена понятие. Без чужеродности нет антигена применительно к данному организму. Если взять альбумин кролика, то для этого кролика он не будет антигеном, так как по отношению к дан-ному организму на этом веществе отсутствует отпечаток генетической чужеродности; для морской свинки он будет антигеном, так как для нее он чужероден.

Чужеродность. Гетерогенность, или чужеродность, антигена для реципиента наиболее выражена при иммунизации его белками другого вида. Исключение составляют только белки со специализированными функциями: ферменты, гормоны, гемоглобин, которые не обладают достаточно высокими антигенными свойствами. Однако при частичном изменении их структуры эти белки могут приобретать антигенность.

Иммуногенность— способность создавать иммунитет. Это понятие относится главным образом к микробным антигенам, обеспечивающим создание иммунитета (невосприимчивости) к инфекциям. Например, возбудитель дизентерии обладает высокой антигенностью, но выраженного иммунитета против дизентерии получить не удается. Брюшнотифозная вакцина является и высокоантигенным, и высокоиммуногенным препаратом.

Под иммуногенностью понимают такое свойство веществ, которое обес­печивает индукцию иммунного ответа.

♦ Иммуногенность обусловлена молекулярной массой, и поэтому наибольшей способностью индуцировать продукцию гаптенов антител обладают чужеродные белки. Наименьшая молекулярная масса у иммуно-генов. Иммуногенность белка определяется также содержанием аминокислот не менее 10, их последовательностью и общей его конфигурацией. При недостатке аминокислот антигенность белка снижается или полностью утрачивастся. Существенную роль в иммуногенности играет коллоидное состояние вещества. Лучше всего это доказывается на примере нативного белка, который, образуя устойчивый коллоид, является наиболее активным иммуногеном. Иммуногенность может быть усилена конъюгацией вещества макромолекулами, снижена или утрачена при его деструкции; проявляется только при парентеральном введении иммуногенов. Та часть иммуногена, которая взаимодействует с иммуноглобулином, называется эпитопом или детерминантной группой. В естественных белках антигенах эпитопом являются аминокислотные остатки, в полисахаридных антигенах — молекулы гексозы, в более сложных антигенах — антипирин, антибиотики, азокраски, липиды, низкомолекулярные полисахариды, элемен- ты и другие гаптены. В липопротеидах, гликопротеидах, бромированных йодированных протеидах белок несет функцию шлеппера (носителя), или индуктора продукции антител, а гаптен — детерминантной группы. Пр этом на поверхности антигена может находиться несколько различных детерми-нантных групп, и в таком случае под его воздействием в организм сформи-руется соответствующее им по специфичности число видов антита. Введение в молекулу белка гаптена сообщает соединению новую специфичность. Антитела против этого конъюгированного гаптена с белком-носителем не реагируют.

Аналогичное изменение специфичности иммуноглобулинов происходи при индуцировании антителообразования высокополимерными полисахаридами, конъюгированными с низкомолекулярными гаптенами.

Специфичность — те антигенные особенности, благодаря наличию которых антигены отличаются друг от друга. Существуют вещества, имеющие свой специфический облик, но не вызывающие иммунологических реакций (в частности, выработку антител) при введении в организм. Однако с готовыми антителами они взаимодействуют. Такие вещества получили название гаптенов. Гаптены имеют признаки чужеродности, но не обладают определенными качествами, необходимыми для проявления полноценных антигенных свойств. Гаптены приобретают свойства полноценных антигенов после соединения с крупномолекулярными веществами — белками, полисахаридами или искусственными высокомолекулярными полиэлектролитами. Неантигенные сами по себе липиды и нуклеиновые кислоты могут выступать в роли гаптенов. Соединение гаптена с носителем не обязательно должно быть ковалентным. Комплекс нуклеиновых кислот с белковым носителем является примером соединения за счет электро­статических сил.

Антигенная специфичность представляет собой уникальное биологическое явление, которое лежит в основе всех иммунологических методов дифферен-цировки антигенов, серодиагностики, специфической профилактики и терапии инфекционных заболеваний. Специфичность во взаимодействии антигенов с антителами определяется особенностями поверхностной структуры антигенов наличием эпитопов— детерминантиых групп на поверхности макромолекулы-носителя. В свою очередь разнообразие белковых эпитопов достигается за счет мозаики аминокислотных остатков, расположенных на глобулярной поверхности белка. Несколько таких остатков образуют эпитоп. На поверхности антигена обычно располагается несколько эпитопов, обладающих одинаковой или близкой специфичностью, что обусловливает поливалентность антигена. При отделении эпитопа от молекулы-носителя первый утрачивает свои антигенные свойства, но сохраняет способность реагировать с гомологичными антителами.

На рис. 4. В качестве примера приведены три условные генетические системы, каждая из которых включает всего 2—3 аллельных гена (обозначено одним цветом). Уже столь незначительная выборка позволяет представить такое сочетание отдельных генов трех разных систем, которое обеспечит индивидуальность по антигенным признакам каждой из трех представленных особей вида.

При изучении антигенов как биологических маркеров выявлено несколько типов антигенной специфичности. Видовая антигенная специфичность — серологически выявляемое свойство биологических макромолекул, отличающее один вид от другого; изучение видовых антигенов оказалось полезным при разработке вопросов филогении, систематики, темпов эволюции. Органные и тканевые антигены — специфические структуры отдельных органов и тканей. Дифференцировочные антигены — поверхностные структуры клеток, отражающие либо различные этапы гистогенеза, либо принадлежность клеток к функционально различным популяциям или субпопуляциям клеточных единиц одного гистогенетического происхождения. Групповые антигены — антигены, контролируемые аллельными генами, относящимися к одной из генетических систем. Наиболее полно изучены генетические системы групп крови и главной системы гистосовместимости. К аллельным генетическим системам относятся также системы, контролирующие полиморфизм белков. Поскольку гены отдельных систем наследуются, как правило, независимо, то число возможных сочетаний отдельных аллельных генов разных систем у конкретного индивидуума очень велико, что и обеспечивает уникальную антигенную индивидуальность особей вида.

Антигенная специфичность ДНК — явление, представляющее собой большой теоретический и практический интерес.

а. Первое связано с тем, что ДНК у всех живых существ в структурном отношении весьма однообразна.

б. Второе объясняется неоспоримым фактом наличия антител против ДНК в крови больных некоторыми аутоиммунными заболеваниями, в частности системной красной волчанкой.

Антигены, полученные путем присоединения к молекуле белка группы, обеспечивающей новую иммунологическую специфичность, называются конъюгированными антигенами.

При иммунизации животных конъюгированными антигенами, состоящими из одного и того же белка, но содержащими разные введенные химические группировки, получаются антитела, специфичные по отношению к этим поверхностным детерминантам. Следовательно, специфичность в данном случае определяется введенной химической группой, получившей название антигенной детерминанты. Оказалось, что специфичность антигенной детерминанты определяется по крайней мере тремя факторами.

♦ Во- первых, характером самой химической группировки.

♦ Во- вторых, имеет значение положение данной группировки.

♦ В- третьих, различие в специфичности двух антигенных детерминант может быть обусловлено стериоизомерией. Например, лево- или прововращающая стереоизомерия детерминантных групп может обусловить антигенные различия двух исследуемых молекул.

Итак, иммунологическая специфичность белковых антигенов определяется: а) аминокислотным составом и последовательностью аминокислот в первичной полипептидной цепи;

б) концевыми аминокислотами цепи;

в) вторичной и, возможно, третичной структурой белковой молекулы;

г) поверхностно расположенными химическими группами — антигенными детерминантами, которые играют наибольшую роль в определении иммунологической специфичности антигенов.

Видовая специфичность — это специфичность, благодаря которой предста-вители одного вида организмов отличаются от особей другого вида. С помощью антител против сывороточных белков человека (так называемые античеловеческие видоспецифические сыворотки) судебные медики легко различают пятно крови, принадлежащее человеку, от любого пятна крови животных. При этом не следует думать, что в каждом организме содержится некий белок или другое соединение, которое служит видоспецифическим антигеном. По-видимому, многие макромолекулы данного организма несут отпечаток видоспецифичности. Видовая специфичность белкового антигена связана с видовой принадлежностью белка. Она изменяется, например, при йодировании данного белка; образующиеся при этом антитела специфически реагируют с любым йодированным белком, но не реагируют с нативным белком данного вида. Специфичность антигенов определяется также взаимным расположением (пара-, мета-, орто-) химических групп в бензольном кольце, т.е. пространственной конфигурацией эпитопов. Например, комплексные антигены азопротеины с тремя изомерами винокаменной кислоты отличаются друг от друга пространственным расположением Н- и ОН -групп и реагируют только с гомологичными каждому из них антителами.

Таким образом, изменяя эпитоп антигена, можно искусственно изменить (модифицировать) его специфичность.

♦ Наличие видовой специфичности белков имеет большой биологический смысл. Полагают, что эволюция постоянно работает в двух направлениях:

1/. совершенствование функциональной полноценности того или иного белка,

2/. его индивидуализирование, обеспечивающее отличие от белков всех других видов, в частности паразитирующих организмов (микроорганизмы и др.).

При этом видовая специфичность белков сама по себе независимо от функ-ции служит целесообразным защитным фактором, так как защитные реакции иммунитета основаны на антигенном различии белков и связанных с ними веществ разных видов.

Групповая специфичность — это специфичность, которая обусловливает различия среди особей одного вида организмов.

Впервые внутривидовые антигенные различия описал К. Ландштейнер в 1901 г. в работе, ознаменовавшей открытие групп крови человека — 0, А, В и АВ.

Антигены, благодаря которым различные особи или группы особей живот-ных одного вида различаются между собой, получили название изоанти-генов. Для человеческих эритроцитов, кроме изоантигенов АВО, известно более 70 других, объединенных в 14 изоантигенных систем. Наличие изоантигенов свидетельствует о внутривидовой индивидуализации организмов.

Химическое строение изоантигенов групп крови системы АВО весьма детально изучено. Показано, что эти антигены представляют собой полисаха-ридные комплексы. К разряду изоантигенов относятся антигены гистосов-местимости или трансплантационные антигены, обусловливающие внутривидовые различия клеток и тканей, вследствие чего возникает их несовместимость при пересадках.

В последние годы для обозначения внутривидовых различий белковых молекул введено понятие аллотипов. Существуют, например, различные аллотипы иммуноглобулинов.

Типоспецифичность — понятие, аналогичное предыдущему, но имеющее отношение чаще всего к микробным видам. Например, пневмококки по своим полисахаридным антигенам делятся на типы I, II, III, IV и т. д. Возбудители ботулизма (колбасного отравления) по характеру синтезируемого токсина делятся на типы А, В, С, D и Е.

Гетероспецифичность и гетероантигены — общие для представителей разных видов антигенные комплексы или чаще общие антигенные детерминанты на различающихся по другим признакам комплексах. Примером гетероантигена, является антиген Форсмана, присутствующий в эритроцитах овец, лошадей, собак, кошек, мышей, кур, но отсутствующий у человека, обезьян, кроликов, крыс, уток. Общие антигены встречаются у весьма отдаленных видов. Описаны таковые для человека и возбудителя чумы. Антигены, определяющие человеческую группу крови А, обнаружены у вируса гриппа и некоторых других микроорганизмов. За счет гетероантиге-нов могут возникать перекрестные иммунологические реакции, приводящие к ошибочным диагностическим заключениям. Некоторые антигенные субстанции от двух разных видов обладают большей перекрестной реагируемостыо, чем различающиеся субстанции в пределах одного вида. Например, бычий сывороточный альбумин и человеческий сывороточный альбумин при иммунизации кролика обеспечивают выработку большого количества перекрестно реагирующих антител. В тех же условиях сывороточные альбумин и γ-глобулин человека имеют меньшую пере­крестную реагируемость. Это значит, что в первом случае на молекулах больше общих антигенных детерминант.

Функциональная специфичность — антигенная специфичность, связанная с функцией данной органической молекулы. Белки, выполняющие в организме различные функции (например, альбумин и глобулины), иммунологически различаются. Вместе с тем у разных животных белки, выполняющие одну и ту же функцию, весьма сходны в антигенном отношении. Примером могут служить белки хрусталика, альбумины крови, инсулины и др. Это сходство не означает идентичности. Межвидовые различия имеются (см. выше).

Стадиоспецифичность — понятие, возникшее в связи с развитием иммунологии эмбриогенеза [Вязов О. Е., 1962]. Оказалось, что на определенных стадиях эмбрионального развития животных в их тканях обнаруживаются антигены, которых не было раньше и нет в тканях взрослых нормальных особей данного вида. Один из таких антигенов α-фетопротеин относится к так называемым раковоэмбриональным антигенам. Он синтезируется клетками эмбриональной печени, а также опухолевыми клетками при первичном раке печени.

Гаптеноспецифичность — антигенная специфичность, обусловленная той или иной гаптенной группировкой. Примерами могут служить приводившиеся комплексные антигены К. Ландштейнера.

♦ Новую антигенную специфичность могут приобретать белки, комплек-сируясь с рядом лекарственных веществ, которые в этих случаях выступают в роли гаптенов. Этим могут объясняться различные лекарственные аллергии, в том числе и аллергические реакции на антибиотики, которые сами по себе неантигенны. Наиболее яркими примерами являются аллергические дерматиты у рабочих, соприкасающихся с производными пикриновой кислоты и некоторыми анилиновыми красителями. Пикриновая группа, проникая сквозь кожу и ассоциируясь с белками, становится антигенной.

♦ Сенсибилизация к пенициллину развивается у 1 % больных, которым его вводят парентерально. Показано, что с белками ассоциируется не сам пенициллин, а продукты его распада, в частности бензил пенициллиновая кислота.

♦ Амидопирин, хинидин, фенолфталеин и некоторые другие лекарственные препараты обладают сродством к белкам форменных элементов крови. Соединяясь с ними, они могут вызвать иммунные поражения с синдромом анемии, лейкопении или пурпуры. Однако, для реализации этого процесса требуется определенная предрасположенность индивидуума — врожденная или приобретенная. Предсказать, у кого разовьется лекарственная сенсибили­зация, невозможно.

Конъюгированные антигены могут стимулировать выработку трех типов антител:

♦ против гаптенных детерминантных групп,

♦ против собственных детерминант белковой молекулы;

♦ химическими модификациями молекулы, которые могут быть вызваны присоединенной гаптенной группировкой или химическими реакциями по ее присоединению.

Патологическая специфичность — понятие, возникшее в связи с поисками антигенов, свойственных патологически измененным тканям. Сюда входят «ожоговые», «лучевые», «раковые» и другие антигены, обнаруженные при ожоговой и лучевой болезнях, раке и др.