Лекция обсуждена на
кафедральном совещании
«»____________ 2009 г
д.м.н. Таран Т.В.
Ставрополь, 2009 г
Антигены
Антигенами (от лат. anti – против, genos – род) называют генетически чужеродные вещества, которые при введении во внутреннюю среду организма способны вызывать иммунный ответ в виде образования антител или иммунных Т-лимфоцитов и взаимодействовать с ними. Антиген считается инициатором всех реакций приобретенного иммунитета.
Антигенами могут быть белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты в комбинации между собой или липидами. Антигенами являются структурные и химические элементы клеток и продукты их метаболизма.
Классифицируют антигены следующим образом.
I. По происхождению:
естественные (природные белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, бактериальные экзо- и эндотоксины, антигены клеток тканей и крови);
искусственные (динитрофенилированные белки и углеводы);
синтетические (синтезированные полиаминокислоты, полипептиды).
II. По химической природе:
белки (гормоны, ферменты и др.);
углеводы (декстран);
нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК);
конъюгированные антигены (динитрофенилированные белки);
полипептиды (полимеры аминокислот, глутамина и аланина);
липиды (холестерин, лецитин, которые могут выступать в роли гаптена, но, соединившись с белками сыворотки крови, они приобретают антигенные свойства).
III. По генетическому отношению (степени чужеродности):
аутоантигены (происходят из тканей собственного организма);
изоантигены (происходят от генетически идентичного донора. Изогенные антигены (или индивидуальные) – общие только для генетически идентичных организмов, например для однояйцовых близнецов, инбредных линий животных. Изотрансплантаты обладают практически полной иммунологической совместимостью и не отторгаются реципиентом при пересадке. Примером таких антигенов в популяции людей являются антигены гистосовместимости, а у бактерий – типовые антигены, не дающие дальнейшего расщепления);
аллоантигены (происходят от неродственного донора того же вида. [ Аллогенные антигены (или групповые) – общие для генетически неродственных организмов, но относящихся к одному виду. На основании аллоантигенов общую популяцию организмов можно подразделить на отдельные группы. Примером таких антигенов у людей являются антигены групп крови (системы АВО и др.) и многие другие]);
ксеноантигены (происходят от донора другого вида [ Ксеногенные антигены (или гетерологичные) – общие для организмов, стоящих на разных ступенях эволюционного развития, например, относящиеся к разным родам и видам]).
IV. По характеру иммунного ответа (способу «включения» иммунной системы в ответ на проникновение чужеродного Аг):
тимусзависимые антигены (иммунный ответ зависит от активного участия Т-лимфоцитов). Полноценное развитие специфического иммунного ответа на тимусзависимые антигены возможно только в присутствии Т-лимфоцитов;
тимуснезависимые антигены (в основном полисахариды; они запускают иммунный ответ и синтез антител В-клетками без Т-лимфоцитов).
V. По направленности активации и обеспеченности иммунного реагирования в ответ на внедрение Аг. В зависимости от физико-химических свойств вещества, условий его внедрения, характера реакции и реактивности макроорганизма различают:
Иммуногены при попадании в организм способны индуцировать продуктивную реакцию иммунной системы, которая заканчивается выработкой факторов иммунитета (антитела, антиген-реактивные клоны лимфоцитов).
Толероген является полной противоположностью иммуногену. При взаимодействии с системой приобретенного иммунитета он вызывает включение альтернативных механизмов, приводящих к формированию иммунологической толерантности или неотвечаемости на эпитопы данного толерогена. Толерогену, как правило, присуща мономерность, низкая молекулярная масса, высокая эпитопная плотность и высокая дисперсность (безагрегатность) коллоидных растворов. Толерогены используют для профилактики и лечения иммунологических конфликтов и аллергии путем наведения искусственной неотвечаемости на отдельные антигены.
Аллерген также воздействует на систему приобретенного иммунитета. Однако, в отличие от иммуногена, производимый им эффект формирует патологическую реакцию организма в виде гиперчувствительности немедленного или замедленного типа
VI. По принадлежности к макроорганизму:
Экзогенные (внешние) антигены; попадают в организм извне. Это микроорганизмы, трансплантированные клетки и чужеродные частицы, которые могут попадать в организм алиментарным, ингаляционным или парентеральным путем;
Эндогенные (внутренние ) антигены; возникают из поврежденных молекул организма, которые распознаются как чужие. Такие антигены получили название аутоантигенов;
Скрытые антигены – определенные антигены (например, нервная ткань, белки хрусталика и сперматозоиды), отделенные в организме непроницаемыми барьерами. Скрытые Аг анатомически отделены от иммунной системы гистогематическими барьерами в процессе эмбриогенеза; толерантность к этим молекулам не возникает; их попадание в кровоток может приводить к иммунному ответу. Иммунологическая реактивность против измененных или скрытых собственных антигенов возникает при некоторых аутоиммунных заболеваниях.
Наибольшей иммуногенностью обладают белковые антигены, в том числе бактериальные экзотоксины, вирусная нейраминидаза.
Антигены обладают рядом характерных основных свойств: антигенностью ( чужеродностью ), специфичностью и иммуногенностью.
Антигенность белков является проявлением их чужеродности. Чужеродность является обязательным условием для реализации антигенности. Под антигенностью понимают потенциальную способность молекулы антигена активировать компоненты иммунной системы и специфически взаимодействовать с факторами иммунитета (антитела, клон эффекторных лимфоцитов). Иными словами, антиген должен выступать специфическим раздражителем по отношению к иммунокомпетентным клеткам.
Чем меньше выражено генетическое родство между организмом и вводимым веществом (гетерогенность, высокая степень эволюционной дивергенции молекул), тем лучшим иммуногеном оно является.
Иммуногенность – потенциальная способность антигена вызывать по отношению к себе в макроорганизме специфическую защитную реакцию. Степень иммуногенности зависит от ряда факторов, которые можно объединить в три группы:
Молекулярные особенности антигена (природа, химический состав, молекулярный вес, структура и т.д.);
Клиренс антигена в организме;
Реактивность макроорганизма.
К первой группе факторов отнесены природа, химический состав, молекулярный вес, структура и некоторые другие характеристики.
Иммуногенность в значительной степени зависит от природы антигена. Известно, что наиболее выраженными иммуногенными свойствами обладают белки и полисахариды, а нуклеиновые кислоты и липиды, напротив, слабоиммуногенны. В то же время их сополимеры: ЛПС, гликопротеиды, липопротеиды, – способны в достаточной мере активировать иммунную систему и поэтому занимают промежуточное положение по степени иммуногенности.
Определенное влияние на степень иммуногенности оказывает химический состав молекулы антигена. В частности, для иммуногенности белков важно разнообразие их аминокислотного состава. Отмечено также, что сополимеры, состоящие из нескольких аминокислот, иммуногеннее. чем из одной аминокислоты. «Монотонные» полипептиды, построенные из одной аминокислоты, практически не активируют иммунную систему. Наличие в структуре молекулы белка ароматических аминокислот, таких как тирозин, триптофан, существенно повышает иммуногенность.
Молекулярная масса антигена должна быть не менее 5-10 кД. Чем больше молекулярная масса антигена, тем сильнее будет иммунный ответ.
Для степени иммуногенности имеют значение форма, структура биополимера, подвижность молекул антигена, способность к изменению, уникальность и необычность структуры и др. Опытным путем было доказано, что высокодисперсные коллоидные растворы антигена плохо индуцируют иммунный ответ. Гораздо большей иммуногенностью обладают агрегаты молекул и корпускулярные антигены – цельные клетки (эритроциты, бактерии и т. д.). Это связано с тем, что корпускулярные и высокоагрегированные антигены лучше фагоцитируются, чем отдельные молекулы.
Большое значение имеет жесткость структуры, что связано с наличием ароматических колец в составе аминокислотных последовательностей; конформация белковой молекулярной структуры (вторичной, третичной и четвертичной); наличие поверхностно расположенных детерминантных групп и концевых аминокислотных остатков.
Еще одним важным условием иммуногенности является растворимость антигена. Например, такие высокомолекулярные белки, как кератин, меланин, натуральный шелк, как и другие высокополимерные соединения, не могут быть получены в виде коллоидного раствора в нормальном состоянии, и они не являются иммуногенами. Благодаря этому свойству конский волос, шелк, кетгут и другие применяются в клинической практике для восстановления целостности органов и тканей. Поэтому воспалительную реакцию в месте шва или репозиции не следует рассматривать как иммунологический конфликт, спровоцированный шовным материалом.
Вторая группа факторов связана с динамикой поступления антигена в организм и его выведения. Так, хорошо известна зависимость иммуногенности антигена от способа его введения. Это свойство обусловлено анатомо-топографическими особенностями строения и развития иммунной системы в местах аппликации антигена, а также биологической природой иммуногена и в обязательном порядке учитывается при вакцинации или иммунизации. Например, учитывая тропизм антигена, вакцину против полиомиелита вводят перорально, против сибирской язвы – накожно, БЦЖ – внутрикожно, АКДС – подкожно, против столбняка – внутримышечно.
На иммунный ответ влияет количество поступающего антигена: чем его больше, тем более выражен иммунный ответ. Однако передозировка антигена вызывает обратную реакцию – иммунологическую толерантность.
Третья группа объединяет факторы, определяющие зависимость иммуногенности от состояния макроорганизма. В этой связи на первый план выступают наследственные факторы. Хорошо известно, что результат иммунизации в определенной мере связан с генотипом особи. Существуют чувствительные и нечувствительные к определенным антигенам роды и виды животных, которых используют в лабораторной работе. Например, кролики и крысы практически не реагируют на некоторые бактериальные антигены, которые могут вызывать у морской свинки или мыши чрезвычайно бурный иммунный ответ.
Однако даже внутри вида можно выделить группы близкородственных особей (например, инбредные линии животных), которые по-разному будут отвечать на вводимый антиген.
Наряду с генетической предрасположенностью немаловажное значение имеет также функциональное состояние макроорганизма – его психоэмоциональный и гормональный фон, интенсивность обменных процессов и пр. От этого зависит различный уровень чувствительности к одному и тому же антигену, как у одного индивидуума в разные возрастные периоды, так и популяционная гетерогенность в целом.
Иммуногенностью антигена можно управлять, модифицируя перечисленные выше факторы. Существуют группы веществ: адъювантов и иммуномодуляторов, – которые способны неспецифически усиливать это свойство антигена. Такой эффект широко используется при создании вакцин, в иммунотерапии, иммунопрофилактике и научно-исследовательской работе.
Специфичность – способность антигена индуцировать иммунный ответ к строго определенному эпитопу. Однако при этом следует учитывать условность границ эпитопов, их структурное разнообразие и гетерогенность клонов антигенреактивных лимфоцитовой специфичности. В результате этого организм на антигенное раздражение всегда отвечает поликлональными иммунным ответом. (Ig к сальмонеллам не защищают от чумы – специфичность).
Специфичность антигенов зависит от особых участков молекул белков и полисахаридов, называемых эпитопами. Эпитопы или антигенные детерминанты – фрагменты молекул антигена, вызывающие иммунный ответ и определяющие его специфичность. Именно с ними взаимодействуют антитела или антигенраспознающие рецепторы лимфоцитов.
Эпитопы качественно могут отличаться, к каждому могут образовываться «свои» антитела. Антигены, содержащие одну антигенную детерминанту, называют моновалентными, – ряд эпитопов – поливалентными. Полимерные антигены содержат в большом количестве идентичные эпитопы (флагеллины, ЛПС).
Корпускулярные антигены имеют несколько эпитопов, поэтому их называют поливалентными. Гаптены имеют один эпитоп и являются одновалентными.
Основные типы антигенной специфичности (зависят от специфичности эпитопов).
1. Видовая - характерна для всех особей одного вида (общие эпитопы).
2. Групповая – внутри вида (изоантигены, которые характерны для отдельных групп). Пример – группы крови (АВО и др.).
3. Гетероспецифичность - наличие общих антигенных детерминанту организмов различных таксономических групп. Имеются перекрестно-реагирующие антигены у бактерий и тканей макроорганизма:
антиген Форсмана – типичный перекрестно-реагирующий антиген, выявлен в эритроцитах кошек, собак, овец, почке морской свинки;
Rh -система эритроцитов. У человека Rh-антигены агглютинируют антитела к эритроцитам обезьян Macacus rhesus, т.е. являются перекрестными;
известны общие антигенные детерминанты эритроцитов человека и палочки чумы, вирусов оспы и гриппа;
еще пример – белок А стрептококка и ткани миокарда (клапанный аппарат).
Подобная антигенная мимикрия обманывает иммунную систему, защищает от ее воздействия микроорганизмы. Наличие перекрестных антигенов способно блокировать системы, распознающие чужеродные структуры.
4. Патологическая. При различных патологических изменениях тканей происходят изменения химических соединений, что может изменять нормальную антигенную специфичность. Появляются «ожоговые», «лучевые», «раковые» антигены с измененной видовой специфичностью. Аутоантигены – собственные (тканевые) антигены, к которым могут возникать аутоиммунные реакции, направленные против определенных тканей организма Чаще всего это относится к органам и тканям, в норме не подвергающихся воздействию иммунной системы в связи с наличием барьеров (мозг, хрусталик, паращитовидные железы и др.).
5. Стадиоспецифичность. Имеются антигены, характерные для определенных стадий развития, связанные с морфогенезом. Альфа-фетопротеин характерен для эмбрионального развития, синтез во взрослом состоянии резко увеличивается при раковых заболеваниях печени.
В зависимости от химической природы и молекулярной массы антигены могут быть полными (иммуногенными) и неполными (их называют гаптенами).
| Название Аг | Характеристика Аг |
| Полные Аг | |
| корпускулярные | Целые клетки и крупные частицы, микроорганизмы, эритроциты, измененные клетки организма |
| растворимые | Белки, полисахариды, ЛПС, эндо- и экзотоксины и др. |
| Гаптены (не являются иммуногенами, но обладают специфичностью) | Простые органические соединения с малой М.м. – пептиды, дисахара, НК, липиды и др. |
Полные антигены (иммуногены) индуцируют специфический иммунный ответ и вступают в реакции взаимодействия с антителами и активированными (примированными) Т-лимфоцитами. К ним относятся высокомолекулярные вещества – белки, полисахариды, гликопротеины, липополисахариды, липопротеины, нуклеопротеины и корпускулярные формы (микроорганизмы, чужеродные клетки и др.).
Гаптены – это простые химические соединения малой молекулярной массы: дисахара, липиды, пептиды, нуклеиновые кислоты и др. Они не обладают иммуногенностью, но имеют высокий уровень специфичности при взаимодействии с продуктами иммунного ответа (антителами и Т-лимфоцитами). Если гаптен соединить с белком, он приобретает свойство иммуногенности (т. е. становится полным). В этом сложном комплексе именно гаптен определяет его специфичность.
Полугаптены образуются при соединении неорганических веществ (йод, бром, азот и др.) с белком. Такие комплексы могут вызывать образование антител, специфичных к неорганическим соединениям.
Проантигены являются аллергенами-гаптенами или неантигенными веществами (сульфаниламиды, антибиотики, фенолфталеин и др.). При соединении с белками макроорганизма они способны вызывать состояние сенсибилизации и развитие аллергических реакций.
В некоторых случаях микробы продуцируют особые вещества, которые получили название суперантигенов. Они способны связываться с Т-лимфоцитами без помощи антигенпредставляющих клеток (АПК) и минуя их активные центры. Это особая группа антигенов, которые в очень малых дозах вызывают поликлональную активацию и пролиферацию большого числа Т- лимфоцитов. Суперантигены вызывают чрезмерно сильную иммунную реакцию, часто приводят к побочным реакциям, развитию иммунодефицита или аутоиммунных реакций.
Т.о., все существующие в природе клетки – от вирусной частицы до клеток человеческого организма – представлены в виде мозаики (смеси) антигенов.
Антигенная специфичность и антигенное строение бактерий
Принципиальные различия имеют Аг бактерий, вирусов, грибов и простейших. Вместе с тем микробные антигены могут быть общими для отдельных систематических категорий. Так, существуют антигены, характерные для целых семейств, родов и видов. По степени специфичности антигены микроорганизмов делят на групповые, к которым относят родоспецифические (общие для рода) и межродовые (общие для разных родов); видоспецифические (общие для вида), и серовариантные. От последних зависят неоднородность вида и существование внутри вида отдельных антигенных вариантов.
Антигены микробов используют для получения вакцин и сывороток, необходимых для диагностики, профилактики и лечения инфекционных или аллергических заболеваний, а также в диагностических реакциях.
Обладая сложным химическим строением, бактериальная клетка представляет целый комплекс антигенов. Антигенными свойствами обладают жгутики, капсула, клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, рибосомы и другие компоненты цитоплазмы, токсины, ферменты.
В зависимости от локализации у бактерий различают следующие антигены:
Капсульные (К-АГ) располагаются на поверхности клеточной стенки. Они находятся в капсуле и связаны с поверхностным слоем липополисахарида клеточной стенки. Встречаются у бактерий, образующих капсулу. Такие антигены имеют пневмококки, сальмонеллы, сибиреязвенная бацилла и др.
Как правило, К-антигены состоят из кислых полисахаридов (уроновые кислоты). В то же время у бациллы сибирской язвы этот антиген построен из полипептидных цепей. По чувствительности к нагреванию различают три типа К-антигена: А, В, и L. Наибольшая термостабильность характерна для типа А, он не денатурирует даже при длительном кипячении. Тип В выдерживает непродолжительное нагревание (около 1 часа) до 60 °С. Тип L быстро разрушается при этой температуре. Поэтому частичное удаление К-антигена возможно путем длительного кипячения бактериальной культуры.
На поверхности возбудителя брюшного тифа и других энтеробактерий, которые обладают высокой вирулентностью, можно обнаружить особый вариант капсульного антигена. Он получил название антигена вирулентности, или Vi-антигена. Обнаружение этого антигена или специфичных к нему антител имеет большое диагностическое значение.
Жгутиковые (Н-АГ) локализуются в локомоторном аппарате подвижных бактерий. Они представляют собой эпитопы сократительного белка – флагеллина, легко разрушаются при нагревании (термолабильные), но сохраняют свои свойства после обработки фенолом.
Соматические (О-АГ) локализованы на поверхности клеточной стенки. О-АГ у грамотрицательных бактерий состоят из ЛПС, к которым присоединены олигосахаридные цепочки, обеспечивающие его специфичность. О-АГ термостабильны (не разрушаются при длительном кипячении), сохраняют свои свойства после обработки спиртом и формалином, но разрушаются фенолом. У многих грамположительных бактерий тейхоевые кислоты выполняют функцию О-АГ.
Если проиммунизировать животное живыми бактериями, имеющими жгутики, то будут вырабатываться АТ, направленные одновременно против О- и Н-Аг. Введение прокипяченной культуры стимулирует биосинтез АТ к соматическому О-Аг. Культура бактерий, обработанная фенолом, вызовет образование АТ только к жгутиковым Аг. Липид А (входит в состав клеточной стенки Гр– бактерий) – гетеродимер; содержит глюкозамин и жирные кислоты. Он обладает сильной адьювантной, неспецифической иммуностимулирующей активностью и токсичностью;
Цитоплазматические АГ являются белковыми и нуклеопротеидными компонентами цитоплазмы клеток, липопротеидами мембранных структур;
Внеклеточные АГ являются экзопродуктами бактерий белковой природы (экзотоксины, ферменты агрессии: ДНКа-за, протеазы, стрептокиназа и др.).
Комплекс антигенов целых микробных клеток и экзотоксины бактерий являются полными антигенами и стимулируют реакции иммунного ответа.
Пути проникновения инфекционных антигенов в организм:
1) через поврежденную и иногда неповрежденную кожу;
2) через слизистые оболочки носа, рта, ЖКТ, мочеполовых путей.
Протективные антигены – это совокупность антигенных детерминант (эпитопов), которые вызывают наиболее сильный иммунный ответ, что предохраняет организм от повторного инфицирования данным возбудителем. Используются при создании вакцин.
Гетероантигены – общие для представителей разных видов антигенные комплексы или общие антигенные детерминанты на различающихся по другим свойствам комплексах. За счет гетероантигенов могут возникать перекрестные иммунологические реакции.
У микробов различных видов и у человека встречаются общие, сходные по строению антигены. Эти явления называются антигенной мимикрией.
Суперантигены. В некоторых случаях микробы продуцируют особые вещества, которые получили название суперантигенов. Они способны связываться с Т-лимфоцитами без помощи антигенпредставляющих клеток (АПК) и минуя их активные центры. Такое связывание вызывает поликлональную активацию Т-лимфоцитов. Они секретируют избыточное количество цитокинов, что вызывает синдром общей интоксикации в организме. Затем такие активированные Т-лимфоциты погибают путем апоптоза (запрограммированная гибель клеток).
Обычно суперантигены активируют 2–20% периферических Т-лимфоцитов, и их запрограммированная гибель после активации приводит к развитию иммунодефицита или аутоиммунных реакций. Суперантигенами для Т-лимфоцитов являются бактериальные энтеротоксины; холерный токсин; токсин синдрома токсического шока стафилококков, суперантигены ВИЧ (вируса иммунодефицита), вируса бешенства и др.
Антигенный спектр микроорганизмов разнообразен и может выражаться антигенной формулой, т. е. символами в виде букв или цифр. Например, антигенная формула бактерии брюшного тифа представлена антигенами 9, 12, Vi, d.
Антигены вирусов
Антигены вирусов входят в состав вириона (вирусные) или являются вирусиндуцированными и находятся на поверхности или внутри инфицированной клетки. Вирусиндуцированные антигены образованы функциональными белками (ферментами), синтезируемыми в клетке на ранних стадиях репродукции вирусов.
Антигенными свойствами обладают белки, гликопротеиды, липопротеиды, ферменты вирионов. В составе вирионов простых вирусов имеется 1–2 антигена, которые могут значительно различаться по антигенной специфичности. Этим обусловлено наличие у них множества сероваров. Например, у энтеровирусов выявлено от 2 до 34 сероваров.
В структуре вирусной частицы различают несколько групп антигенов: ядерные (сердцевинные или к о ровые нуклеопротеиды), капсидные (или оболочечные) и суперкапсидные. На поверхности некоторых вирусных частиц встречаются особые V -антигены – гемагглютинин и фермент нейраминидаза (у вируса гриппа).
Антигены вирусов различаются по происхождению. Часть из них – вирусоспецифические. Информация об их строении картирована в НК вируса. Другие антигены вирусов являются компонентами клетки хозяина (углеводы, липиды), они захватываются во внешнюю оболочку вируса при его выходе из клетки-хозяина путем почкования. Все вирусные Аг Т-зависимые.
Антигенный состав вириона зависит от строения самой вирусной частицы. Антигенная специфичность простоорганизованных вирусов связана с рибо- и дезоксирибонуклеопротеинами. Эти вещества хорошо растворяются в воде и поэтому обозначаются как S-антигены (от лат. solutio – раствор). У сложноорганизованных вирусов часть антигена связана с нуклеокапсидом (нуклеокапсидные Аг), а другая – локализуется во внешней оболочке – суперкапсиде (поверхностные Аг).
Поверхностные антигены обладают б о льшей иммуногенностью и вариабельностью (например, гемагглютинин и нейраминидаза вируса гриппа типа А).
Поскольку в состав суперкапсидов часто включаются мембранные белки клеток-мишеней, в результате формируется антигенная или молекулярная мимикрия паразита к хозяину. Это снижает или извращает иммунный ответ, так как возможно образование гетероспецифических антител, реагирующих с поверхностными структурами клеток макроорганизма.
Антигенные детерминанты вирусов расположены поверхностно, где наиболее доступны взаимодействию с антителами. Они определяют родовую, видовую, вариантную и штаммовую специфичность.
Антигены многих вирусов отличаются высокой степенью изменчивости. Это связано с постоянным мутационным процессом, который претерпевает генетический аппарат вирусной частицы. Примером могут служить вирус гриппа, вирусы иммунодефицитов человека.
Процессинг антигенов
Процессинг антигенов –это их судьба в организме. Одной из важнейших функций макрофагов является переработка антигена в иммуногенную форму (это собственно и есть процессинг антигена) и представление его иммунокомпетентным клеткам. В процессинге, наряду с макрофагами, участвуют В-лимфоциты, дендритные клетки, Т-лимфоциты.
Под процессингом понимают такую переработку антигена, в результате которой пептидные фрагменты антигена (эпитопы), необходимые для передачи (представления), отбираются и связываются с белками МНС класса 2 (или класса II). В таком комплексном виде антигенная информация передается лимфоцитам. Дендритные клетки имеют значение в фиксации и длительном хранении (депонировании) переработанного антигена.
Экзогенные антигены подвергаются эндоцитозу и расщеплению в антиген-представляющих (презентирующих) клетках. Фрагмент антигена, содержащий антигенную детерминанту, в комплексе с молекулой класса 2 МНС транспортируется к плазматической мембране антигенпредставляющей клетки, встраивается в нее и представляется CD4 Т-лимфоцитам.
Эндогенные антигены – продукты собственных клеток организма. Это могут быть вирусные белки или аномальные белки опухолевых клеток. Их антигенные детерминанты представляются CD8 Т-лимфоцитам в комплексе с молекулой класса 1 МНС.
Важно напомнить, что антиген – это инициатор и движущая сила всех реакций приобретенного иммунитета. Иммунная система возникла для распознавания и разрушения чужеродных антигенов, а также устранения источника их образования – бактерий, инфицированных вирусом клеток и т.п. Когда антиген элиминирован, иммунный ответ прекращается.
Антигены гистосовместимости
При пересадках органов возникает проблема совместимости тканей, связанная со степенью их генетического родства, реакциями отторжения чужеродных аллогенных и ксеногенных трансплантатов, т.е. проблемами трансплантационного иммунитета. Трансплантационные антигены во многом определяют индивидуальную антигенную специфичность организма. Совокупность генов, определяющих синтез трансплантационных антигенов, получила название главной системы гистосовместимости. У людей она часто называется системой HLA (Human leucocyte antigens), в связи с четким представительством на лейкоцитах трансплантационных антигенов. Гены этой системы расположены на коротком плече хромосомы № 6 у человека.
Система HLA - это система сильных антигенов. Спектр молекул МНС уникален для организма, что определяет его биологическую индивидуальность и позволяет различать «чужое -несовместимое».
По химической структуре и функциональному назначению антигены МНС подразделяют на два класса:
антигены (молекулы) I класса МНС представлены в разных количествах на поверхности всех ядросодержащих клеток. Больше всего их на лимфоцитах и лейкоцитах. Они являются тканевыми антигенами и играют важную роль в процессах отторжения пересаженных аллогенных тканей. Кроме того, они представляют чужеродный антиген (обычно вирусный) для избирательного уничтожения киллерными клетками;
антигены (молекулы) II класса МНС находятся на мембране иммунокомпетентных клеток – макрофагов, моноцитов, В-лимфоцитов, активированных Т-клеток, дендритных клеток и др. Эти клеточные молекулы участвуют в представлении Т-лимфоцитам чужеродного антигена в иммуногенной форме для распознавания.
По химической природе Аг I класса МНС – это гликопротеины клеточных мембран, которые состоят из двух полипептидных цепей – тяжелой α-цепи с большой молекулярной массой и легкой (β-цепи с меньшей молекулярной массой. Тяжелая цепь проникает через мембрану клетки. Она нековалентно связана с легкой цепью, которая не является трансмембранной. Аг II класса МНС – состоят из двух трансмембранных микроглобулинов почти равной молекулярной массы.
Гены МНС. Генетический контроль развития и функционирования иммунной системы осуществляется комплексом генов МНС, который состоит из 4–106 пар нуклеотидов ДНК (около 50 генов), локализованных в хромосоме 6. Именно они формируют антигенную индивидуальность каждой особи определенного вида. Семь генетических локусов системы разделены на 3 класса:
гены I класса контролируют экспрессию (выход на поверхность клеток) антигенов I класса МНС;
гены II класса контролируют антигены II класса МНС;
гены III класса контролируют синтез иммунорегуляторных цитокинов (факторы некроза опухолей) и некоторых компонентов комплемента.
CD-номенклатура и CD-антигены
На поверхности лимфоцитов (как и других клеток ИС) присутствует множество разнообразных молекул, которые могут служить метками (маркерами) различных субпопуляций.
Разработана систематизированная номенклатура маркерных молекул; в ней определенные маркеры (антигены) совпадающей специфичности связывания моноклональными антителами объединяют в одну группу, присваивая ей номер в системе CD. (Cluster Designation – групповая метка). По структуре CD представляют собой гликопротеиды, многие из которых относятся к суперсемейству иммуноглобулинов. В создании номенклатуры и классификации CD участвуют многие специализированные лаборатории разных стран.
CD-антигены используют для выявления отличий в группах клеток, из которых наиболее широкое распространение получили маркеры иммунокомпетентных клеток. Например, CD3 экспрессируется на популяции Т-лимфоцитов, CD4 характерен для субпопуляции Т-хелперов, a CD8 – цитотоксических Т-лимфоцитов (Т-киллеров). CD11а обнаруживается на цитоплазматических мембранах моно- и гранулоцитов, а CD11b – на естественных киллерах. Список CD-маркеров довольно обширный, он насчитывает около 200 вариантов. Информация о структуре маркеров закодирована в различных участках генома, а экспрессия зависит от популяции клеток, стадии дифференцировки клетки и ее функционального состояния.
Важнейшими дифференцировочными антигенами Т-лимфоцитов человека являются следующие:
1. СD2 (gp 50) - антиген, характерный для Т-лимфоцитов, тимоцитов, NK клеток. Он идентичен рецептору эритроцитов барана и обеспечивает образование розеток с ними (методика определения Т-клеток).
2. CD3 (комплекс белковых молекул) – необходимы для функционирования любых Т-клеточных рецепторов (ТкР). Молекулы CD3 имеют все субклассы Т-лимфоцитов. Взаимодействие ТкР-CD3 с представляющей антиген молекулой МНС класса 1 или 2 определяет характер и реализацию иммунного ответа. Маркер CD3 характеризует общий уровень Т-лимфоцитов периферической крови.
3. CD4 (gp 55) – относится к стабильным маркерам выявления Т-лимфоцитов с функцией хелперов и индукторов (Т4+ лимфоциты). Около 2/3 Т-лимфоцитов периферической крови в норме имеют CD4.. Являются корецептором (местом связывания) детерминант белковых молекул МНС класса 2. Является специфическим рецептором для оболочечных белков вируса иммунодефицита человека ВИЧ-1 (gp l20) и ВИЧ-2. Именно молекула CD4 связывает оболочечный белок ВИЧ, что и приводит к проникновению вируса внутрь Т-хелпера.
4. CD8 (gp 32-33) экспрессируются на 1/3 периферических Т-лимфоцитов, Т8+ лимфоциты относятся к цитотоксической и супрессорной субпопуляции Т-клеток. Клетки с данным маркером обладают преимущественно цитотоксической активностью (Тц). При контакте с клеткой-мишенью CD8 выступает в роли корецептора для белков HLA класса 1.
Соотношение CD4+/ CD8+ клеток – один из параметров оценки иммунного статуса. В нормальных условиях это отношение >1 и отражает доминирующее влияние стимулирующих факторов на иммунный ответ. При некоторых иммунодепрессивных состояниях отношение может быть обратным (<1), указывая на преимущественное влияние супрессорных эффектов, лежащих в основе иммунодепрессии (СПИД).
Основные CD -дифференцировочные рецепторы В-лимфоцитов – этоCD19-22.
ИММУННАЯ СИСТЕМА
Органы и клетки иммунной системы
Иммунная система – совокупность органов, тканей и клеток, обеспечивающих клеточно-генетическое постоянство организма. Иммунная система человека обеспечивает специфическую защиту организма от генетически чужеродных молекул и клеток, в том числе инфекционных агентов – бактерий, вирусов, грибов, простейших.
Иммунная система определяет характер и силу иммунного ответа на экзогенные антигены и собственные генетически измененные клетки и представляет собой сложную многокомпонентную систему лимфоидных органов, тканей и клеток, которые неравномерно расположены по всему организму.
К клеткам иммунной системы относят
лимфоциты (Т- и В), макрофаги, другие АПК (А-клетки, от англ. accessory – вспомогательный), а также так называемую третью (О-) популяцию клеток (т.е. клеток, не имеющих основных поверхностных маркеров Т- и В-лимфоцитов, А-клеток).
Все клетки гемопоэтического происхождения образуются из плюри-потентных стволовых клеток, дающих начало клеткам двух основных направлений кроветворения: лимфоидного и миелоидного.
В зависимости от микроокружения клетка-предшественник лимфоидного ряда может дифференцироваться либо в Т -, либо в В -клетку. У млекопитающих Т-клетки созревают в тимусе, тогда как В-клетки развиваются сначала в печени плода, а после рождения - в костном мозге. Точное происхождение отдельных видов антигенпрезентирующих клеток (АПК) остается пока неизвестным, хотя в общем все они образуются из гемопоэтических стволовых клеток.
Лимфоциты третьей популяции, не экспрессирующие антигенсвязывающих рецепторов (нулевые, 0-клетки), названы нормальными (естественными) клетками-киллерами (НК). Они происходят из предшественников лимфоидных клеток в костном мозге и функционально отличаются от Т- и В-клеток. Морфологически это большие зернистые (гранулярные) лимфоциты (БГЛ). НК происходят, вероятно, из общих предшественников лимфоидных клеток, созревающих в печени плода, а после рождения в костном мозге.
Предшественники клеток миелоидного ряда дифференцируются в зрелые (коммитированные) клетки, изображенные слева. Эозинофилы, нейтрофилы и базофилы объединены под групповым названием гранулоциты.
Подобно лимфоцитам, фагоциты также представлены двумя популяциями: моноцитами/макрофагами и полиморфноядерными гранулоцитами (нейтрофилами). Наиболее многочисленны нейтрофилы, называемые также полиморфноядерными нейтрофилами (ПМН) и составляющие большинство лейкоцитов (белых кровяных телец) в циркулирующей крови (примерно 60—70% у взрослого человека).
Вспомогательные клетки (А-клетки). Кроме лимфоцитов и фагоцитов, к компонентам иммунной системы относится ряд вспомогательных клеток. Антигенпрезентирующие клетки (АПК) – представляют антигены Т- и В-клеткам. Тромбоциты – участвуют в свертывании крови и в воспалительных реакциях. Тучные клетки, структурно и функционально сходные с базофильными полиморфноядерными гранулоцитами, – принимают участие в определенных типах воспаления. Эндотелиальные клетки – экспрессируют молекулы, способные узнавать циркулирующие с кровотоком лейкоциты, обеспечивая таким образом их адгезию – прилипание, а также распределение в сосудистом ложе.
Основные клетки иммунной системы – Т- и В-лимфоциты. По функциональным свойствам все иммунокомпетентные клетки разделяют на эффекторные и регуляторные. Взаимодействие клеток в иммунном ответе осуществляется с помощью гуморальных медиаторов – цитокинов.
Презентация Аг. Антигенпрезентирующие клетки (АПК) – представляют антигены Т- и В-клеткам. Презентация – представление антигена Т-лимфоцитам осуществляется в результате следующих процессов: поглощения антигена антигенпрезентирующей клеткой (АПК); расщепления его внутри клетки ферментами; связывания образующихся антигенных пептидов с молекулами МНС («загрузка» антигенных пептидов в желобки собственных молекул МНС I, II класса); выхода их на поверхность клетки для контакта с Т-лимфоцитами. Антиген распознают рецепторы В- и Т-лимфоцитов.
Т - лимфоциты распознают процессированный и представленный на поверхности антиген-представляющих (АПК) клеток антиген. Они отвечают за клеточный иммунитет, иммунные реакции клеточного типа. Отдельные субпопуляции помогают В-лимфоцитам реагировать на Т-зависимые антигены выработкой антител (регулируют активность В-клеток). Участвуют в гиперчувствительности замедленного (IV) типа.
Распознавание антигена Т-клеткой:
Т-клетки распознают антигены, вначале локализованные внутриклеточно, а затем появляющиеся на поверхности других клеток, например вирусные пептиды из инфицированных клеток. Распознавание происходит путем специфического связывания с антигенными пептидами, презентированными на клеточной поверхности МНС-молекулами – продуктами генов главного комплекса гистосовместимости (МНС). Распознавание уникального комплекса «антигенный пептид + МНС-молекула» Т-клетки осуществляют посредством своих антигенспецифичных рецепторов (ТкР). В отличие от В -клеток, распознающих определенный участок молекулы антигена, Т-клетки распознают эпитоп, образованный аминокислотными остатками антигенного пептида и МНС-молекулы.
При дифференцировке Т- лимфоциты приобретают определенный набор мембранных CD-маркеров. Т- клетки разделяют на субпопуляции в соответствии с их функцией и профилем CD-маркеров.
Т- лимфоциты распознают антигены с помощью двух типов мембранных гликопротеинов – Т-клеточных рецепторов (семейство Ig -подобных молекул) и CD3, нековалентно связанных между собой. Их рецепторы, в отличие от антител и рецепторов В-лимфоцитов, не распознают свободно циркулирующие антигены. Они распознают пептидные фрагменты, представляемые им А -клетками через комплекс антигенного эпитопа с соответствующим белком главной системы гистосовместимости 1 и 2 класса.
Выделяют три основные субпопуляции) Т -лимфоцитов:
1. Помощники (Т-хелперы, активаторы). Запрограммированы индуцировать размножение и дифференцировку клеток других типов. Они индуцируют секрецию антител В-лимфоцитами и стимулируют моноциты, тучные клетки и предшественники Т-киллеров к участию в клеточных иммунных реакциях. Эта субпопуляция активируется антигенами, ассоциируемыми с продуктами генов МНС класса I I – молекулами класса II, представленными преимущественно на поверхности В-клеток и макрофагов;
2. Эффекторы. Т-киллеры. Узнают антиген в комплексе с собственными МНС-молекулами класса I. Они секретируют цитотоксические лимфокины
3. Регуляторы. Супрессорные Т-клетки. Генетически запрограммированы для супрессорной активности, отвечают преимущественно на продукты генов МНС класса I. Они связывают антиген и секретируют факторы, инактивирующие Т-хелперы
Первая группа – помощники, в состав которых входят Т-хелперы1, Т-хелперы2, индукторы Т-хелперов, индукторы Т-супрессоров.
1. Т-хелперы1 несут рецепторы CD4 (как и Т-хелперы2) и CD44, отвечают за созревание Т-цитотоксических лимфоцитов (Т-киллеров), активируют Т-хелперы2 и цитотоксическую функцию макрофагов, секретируют ИЛ-2, ИЛ-3 и другие цитокины.
2. Т-хелперы2 имеют общий для хелперов CD4 и специфический CD28 рецепторы, обеспечивают пролиферацию и диффе-ренцировку В-лимфоцитов в антителпродуцирующие (плазматические) клетки, синтез антител, тормозят функцию Т-хелперов 1, секретируют ИЛ-4, ИЛ-5 и ИЛ-6.
3. Индукторы Т-хелперов несут CD29, отвечают за экспрессию антигенов HLA класса 2 на макрофагах и других А-клетках.
4. Индукторы Т-супрессоров несут CD45 специфический рецептор, отвечают за секрецию ИЛ-1 макрофагами, активацию дифференцировки предшественников Т-супрессоров.
Вторая группа – Т-эффекторы. В нее входит только одна субпопуляция.
5. Т-цитотоксические лимфоциты (Т-киллеры). Имеют специфический рецептор CD8, лизируют клетки-мишени, несущие чужеродные антигены или измененные аутоантигены (трансплантат, опухоль, вирус и др.). ЦТЛ распознают чужеродный эпитоп вирусного или опухолевого антигена в комплексе с молекулой класса 1 HLA в плазматической мембране клетки-мишени.
Третья группа – Т-клетки-регуляторы. Представлена двумя основными субпопуляциями.
6. Т-супрессоры имеют большое значение в регуляции иммунитета, обеспечивая подавление функций Т -хелперов 1 и 2, В -лимфоцитов. Имеют рецепторы CD11, CD8. Группа функционально разнородна. Их активация происходит в результате непосредственной стимуляции антигеном без существенного участия главной системы гистосовместимости.
7. Т-контсупрессоры. Не имеют CD4, CD8, имеют рецептор к особому лейкину. Способствуют подавлению функций Т-супрессоров, вырабатывают резистентность Т-хелперов к эффекту Т-супрессоров.
Основная функция В-клеток – дифференциация в результате антигенной стимуляции в плазматические клетки, продуцирующие антитела, т.е. эффекторное участие в гуморальных иммунных реакциях. Существует несколько подтипов В- лимфоцитов. Основная субпопуляция – плазматические клетки, продуцирующие антитела.
Как и Т-лимфоциты, В-клетки активируются, связываясь со специфическими антигенами. Но Т-клеткам для этого требуется «увидеть» антиген связанным с молекулами МНС на антигенпрезентируюших клетках, тогда как В-клетки могут связываться с нативными антигенами, но для активации им необходима помощь Т-клеток (в случае некоторых полимерных антигенов или митогенных по своей природе молекул эта помощь В-клеткам не требуется).
Антигенраспознающий В-клеточный рецептор В-лимфоцитов (BcR – англ. B-cell Receptor) построен из молекулы мембранного иммуноглобулина (mIg, состоящий из двух одинаковых тяжелых Н-цепей и двух одинаковых легких L-цепей) и двух молекул CD79 (Igα, Igβ). Мембранные иммуноглобулины представлены мономерными mIgM и mIgD. BcR имеет трансмембранные и внутрицитоплазматические сегменты, передающие внутриклеточные сигналы.
Клетки иммунной памяти. В-клетки памяти – это долгоживущие В-лимфоциты, произошедшие из зрелых В-клеток в результате стимуляции антигеном при участии Т-лимфоцитов. При повторной стимуляции антигеном эти клетки активируются гораздо легче, чем исходные В-клетки. Они обеспечивают (при участии Т-клеток) быстрый синтез большого количества антител при повторном проникновении антигена в организм.
Поддержание долгоживущих и метаболически малоактивных клеток памяти, рециркулирующих в организме, является основой длительного сохранения приобретенного иммунитета. Состояние иммунной памяти обусловлено не только длительностью жизни Т- и В- клеток памяти, но и их антигенной стимуляцией. Длительное сохранение антигенов в организме обеспечивается дендритными клетками (депо антигенов), сохраняющими их на своей поверхности.
Дендритные клетки – популяции отростчатых клеток лимфоидной ткани костномозгового (моноцитарного) генеза, представляющая антигенные пептиды Т -лимфоцитам и сохраняющая антигены на своей поверхности. К антигенпрезентирующим (АПК) клеткам относятся фолликулярные отростчатые клетки лимфоузлов и селезенки, клетки Лангерганса кожи и дыхательных путей, М-клетки лимфатических фолликулов пищеварительного тракта, дендритные эпителиальные клетки тимуса. Наиболее типичными АПК, относящимися к разряду «профессиональных», являются (по активности) дендритные клетки костномозгового происхождения, В - лимфоциты и макрофаги. Дендритные клетки почти в 100 раз эффективнее макрофагов.
Макрофаги отличаются от лимфоцитов, но также играют важную роль в иммунном ответе. Они могут быть:
антиген-обрабатывающими клетками при возникновении ответа;
фагоцитами в виде исполнительного звена.
Выделяют центральные(первичные) и периферические (вторичные) органы иммунной системы.
К центральным (первичным) органам относят костный мозг (bone marrow) и вилочковую железу (тимус – thymus) (некоторые авторы еще лимфоидную ткань кишечника). Их называют центральными, потому что именно в них происходят созревание и дифференцировка лимфоцитов – лимфопоэз. Они регулируют и контролируют работу периферического аппарата иммунной системы.
Иммунный ответ организма реализуется только с участием специализированных клеток – лимфоцитов, которые являются главными, центральными клетками иммунной системы и ответственны за реализацию клеточного и гуморального звена иммунитета. В организме взрослого человека содержится около 1013 лимфоцитов.
Костный мозг – орган кроветворения. Из него ежесуточно выходят в циркуляцию стволовые клетки, среди которых есть и предшественники лимфоцитов (пре-лимфоциты). Здесь же из полипотентной стволовой клетки образуются и другие иммунокомпетентные клетки – нормальные киллерные (NK) и дендритные. В костном мозге проходят дифференцировку все лейкоциты крови и образуются нейтрофилы, моноциты/макрофаги, эозинофилы, базофилы, тучные клетки, участвующие в иммунном ответе в качестве помощников лимфоцитов. На завершающей стадии иммунного ответа к ним подключаются эритроциты, которые транспортируют образовавшиеся иммунные комплексы антигена с антителом и комплементом в печень и селезенку для фагоцитоза и разрушения.
В костном мозге из пре-В-лимфоцита формируется незрелый В-лимфоцит (В-клетка), на поверхности которого экспрессирован иммуноглобулиновый рецептор (IgM), но отсутствует рецептор IgG (он появляется позднее у зрелых В-клеток периферии). Рецептор IgM обладает узкой специализацией и способен реагировать только с одним антигенным эпитопом.
В-лимфоциты первоначально получили свое наименование по первой букве латинского названия сумки Фабрициуса («bursa Fabricii») у птиц, где формируются клетки этого типа. В последующем было установлено, что аналогичную функцию у человека выполняет костный мозг.
В-лимфоциты являются компонентами В-системы иммунитета, с участием которой осуществляется гуморальная форма иммунного ответа.
В костном мозге в дальнейшем происходит селекция В-лимфоцитов. Она проявляется в следующем: клоны В-лимфоцитов, несущие IgM-рецепторы к своим собственным антигенам (аутоантигены), уничтожаются путем апоптоза (запрограммированная гибель) в костном мозге или приходят в состояние ареактивности. Апоптоз (греч. apoproegmena – то, что должно быть отвергнуто в споре, или опадающие листья осенью) означает биологический механизм гибели клеток путем активации внутриклеточных ферментов, которые повреждают митохондрии и вызывают деградацию ДНК и ядра с последующим распадом. Остатки клетки фагоцитируются. При этом клетка погибает без вреда для окружающих тканей.
После апоптоза в костном мозге остаются активными те В-клетки, которые способны реагировать только на чужеродные антигены. Они являются незрелыми, наивными (от англ. naive – наивный), функционально не подготовленными, так как еще не контактировали с чужеродными антигенами. Эти В-клетки мигрируют по кровеносным сосудам в периферические лимфоидные органы.
В тимусе из клеток-предшественников происходят созревание и дифференцировка Т-лимфоцитов (Т-клеток). В дальнейшем они обеспечивают клеточную форму иммунного ответа.
Здесь у Т-лимфоцитов формируется антигенраспознающий Т-клеточный рецептор (ТКР) и дополнительные белковые молекулы (корецепторы). Они делят Т-клетки на субпопуляции: Т-киллеры/супрессоры, на поверхности которых экспрессируется корецептор CD8, и Т-хелперы/индукторы с корецептором CD4.
Корецепторы – это особые белки клеточной мембраны, которые усиливают взаимодействие ТКР с антигеном и участвуют в передаче сигнала внутрь клетки. Формируется множество клонов Т-клеток (тимоциты), и среди них отбираются только те, которые могут взаимодействовать с молекулами главного комплекса гистосовместимости (МНС). Происходит апоптоз тимоцитов, способных реагировать на собственные антигены (аутоантигены) или несущих на своей поверхности агрессивную информацию. В результате вилочковую железу каждые сутки покидает 8,5 млн зрелых Т-лимфоцитов, что составляет только 3–5% от всех образовавшихся тимоцитов. Выжившие Т-клетки мигрируют на периферию, и до встречи с антигеном их называют наивными, неиммунными.
Среди лимфоцитов периферической крови человека Т-лимфоциты составляют 55–60%, В-лимфоциты – 25–30 % и 10–20% –это нулевые лимфоциты, которые не прошли дифференцировку и являются, вероятно, клетками-предшественниками.
На поверхности лимфоцитов, покидающих центральные органы иммунной системы, имеется целый набор адгезивных молекул: селектины, интегрины, адгезины суперсемейства иммуноглобулинов, homing-рецепторы (от англ. home –дом, т. е. место дальнейшего расположения). Аналогичные рецепторы находятся на поверхности клеток периферических лимфоидных органов и тканей, которые заселяются такими лимфоцитами. Это обеспечивает дифференцированное, строго определенное размещение наивных лимфоцитов в периферических органах иммунной системы.
Периферическая лимфоидная ткань представлена:
селезенкой;
лимфатическими узлами;
лимфоидной тканью, ассоциированной со слизистыми оболочками (MALT – mucosal-associated lymphoid tissue) желудочно-кишечного тракта (GALT – gut-associated lymphoid tissue) – миндалин, аденоидов, пейеровых бляшек, аппендикса; бронхов и бронхиол (BALT – bronchial-associated lymphoid tissue);
лимфоидной тканью, ассоциированной с кожей (SALT – skin-associated lymphoid tissue);
субпопуляциями лимфоцитов в печени – нормальных киллеров (NK), Т-лимфоцитов, макрофагов;
