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第一节 抗体及其特点
Section 1 Antibody and its characteristics
一、抗体的一般概念
抗体,又称免疫球蛋白(immunoglobulin,简称Ig),是一种由B淋巴细胞或记忆B细胞增殖分化为浆细胞所产生的,可与相应抗原发生特异性结合,被免疫系统用来鉴别与中和外来物质如细菌、病毒等的大型Y形蛋白质,仅被发现存在于脊椎动物的血液等体液中及B细胞的细胞膜表面 [1]。抗体分子具有结合部位(结合簇),能与对应的抗原决定簇结合。抗体与不同的抗原结合往往出现不同的反应,因而常给抗体以不同的名称,如凝集素、沉淀素、抗毒素、溶血素、溶菌素等。抗体主要分布在血清中,也分布于组织液及外分泌液中。
最初有人用电泳证明血清中抗体活性在γ球蛋白部分,故曾把抗体统称为丙种(γ)球蛋白。后来发现,抗体并不都在γ区;并且位于γ区的球蛋白,也不一定都具有抗体活性。1964年,世界卫生组织举行专门会议,将具有抗体活性以及与抗体相关的球蛋白统称为免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig),如骨髓瘤蛋白、巨球蛋白血症、冷球蛋白血症等患者血清中存在的异常免疫球蛋白以及正常人天然存在的免疫球蛋白亚单位等。因而免疫球蛋白是结构化学的概念,而抗体是生物学功能的概念。可以说,所有抗体都是免疫球蛋白,但并非所有免疫球蛋白都是抗体。
二、抗体的结构
抗体是一种高分子球状血液蛋白质,重量约为150kDa。由于在部分氨基酸残基中含有糖链,抗体也是一种糖蛋白。能发挥功能的基本单位是一个免疫球蛋白体。抗体的单体是一个Y形的分子,具有4条多肽链的对称结构,其中2条较长、相对分子量较大的相同的重链(H链);2条较短、相对分子量较小的相同的轻链(L链)。链间由二硫键和非共价键联结形成一个由4条多肽链构成的单体分子 [2]。整个抗体分子可分为恒定区和可变区两部分。根据恒定区的组成,轻链有κ和λ两种,重链有μ、δ、γ、ε和α 5种。可变区位于“Y”的两臂末端。在可变区内有一小部分氨基酸残基可变度较高,这些氨基酸的残基组成和排列顺序更易发生变异称高变区,高变区之外可变区的部分叫骨架区。每条重链或轻链均有3个高变区及相邻地,有4个骨架区。高变区位于分子空间结构的表面,其氨基酸序列所决定的抗体空间结构,是该抗体特异结合抗体的部位,因此又叫互补决定区。高变区最多由17个氨基酸残基构成,少则只有2~3个。一个抗体分子上的两条重链(或轻链)是相同的。木瓜蛋白酶水解抗体时,在其铰链区(即第一第二个恒定区之间)近N端进行切割,形成Y两臂末端的两个完全相同的抗原结合片段称之为Fab(antigen-binding fragment,Fab)。“Y”的柄部称结晶片段(crystalline fragment,FC)。
三、抗体的功能和产生规律
活化的B细胞可分化成两种不同用途的细胞:产生可溶性抗体的浆细胞,以及用于记忆已接触过的抗原的记忆B细胞。后者可在体内存在多年,当机体再次接触该抗原时,能够更迅速的做出反应。胎儿和新生儿体内的抗体是由母亲所提供的,是一种被动免疫。在出生后的一年内,新生儿可自行产生许多不同的抗体。由于抗体可以溶解在血液当中,因此它们是体液免疫系统的一部分。体液循环中的抗体,是由应答某一特定抗原如病毒衣壳片段的B细胞克隆子代所产生的。抗体的主要功能是与抗原(包括外来的和自身的)相结合,从而有效地清除侵入机体内的微生物、寄生虫等异物,中和它们所释放的毒素或清除某些自身抗原,使机体保持正常平衡,但有时也会对机体造成病理性损害,如抗核抗体、抗双链DNA抗体、抗甲状腺球蛋白抗体等一些自身抗体的产生,导致自身免疫性疾病。
(一)抗体的生物活性
抗体的功能与其生物活性密切相关,而抗体的生物活性主要表现在以下几个方面:①结合特异性抗原:抗体与其他免疫球蛋白分子的主要区别,就在于抗体能与相应抗原发生特异性结合,在体内导致生理或病理效应;在体外产生各种直接或间接的可见的抗原抗体结合反应。抗体是依靠其分子上的特殊的结合部位与抗原结合的。②激活补体:抗体与相应抗原结合后,借助暴露的补体结合点去激活补体系统、激发补体的溶菌、溶细胞等免疫作用。③结合细胞:不同类别的免疫球蛋白,可结合不同种的细胞,参与免疫应答。④可通过胎盘及黏膜:免疫球蛋白G(IgG)能通过胎盘由母体进入胎儿血液中,使胎儿形成自然被动免疫。免疫球蛋白A(IgA)可通过消化道及呼吸道黏膜,是黏膜局部抗感染免疫的主要因素。⑤具有抗原性:抗体分子是一种蛋白质,也具有刺激机体产生免疫应答的性能。不同的免疫球蛋白分子,各具有不同的抗原性。⑥抗体对理化因子的抵抗力与一般球蛋白相同:不耐热,60~70℃即被破坏。各种酶及能使蛋白质凝固变性的物质,均能破坏抗体的作用。抗体可被中性盐类沉淀。在生产上常可用硫酸铵或硫酸钠从免疫血清中沉淀出含有抗体的球蛋白,再经透析法将其纯化。
(二)抗体的功能
抗体的功能主要有以下几方面:①抗体能抑制病原体的生长繁殖,比如抗病菌的抗体可以使入侵的病菌发生凝集,不让病菌吸取营养,病菌就不能繁殖了。②抗体能阻止病毒或病菌靠近人体细胞,入侵者不能靠近人体细胞,就不能黏附在细胞上,它就不能破坏人体细胞,不能形成感染。如同植物种子,只有落入土壤才能生根发芽。抗体不让病毒黏附于细胞上,犹如飘浮在空中的种子,永远不会生根发芽。③抗体可以中和病毒,比如HBV,它的表面有一层蛋白质结构,并借此黏附到人的肝细胞表面,随之进入肝细胞。而抗体在HBV黏附之前与其相遇,两者出现表面结合,这一结合非常重要,使HBV表面的蛋白质发生改变,令其失去了黏附肝细胞的能力,不能进入肝细胞,更谈不上复制了;抗体的这种中和作用,好像“酸碱中和”,使HBV不再有感染性,不久可能被人体清除。④抗体还能识别感染微生物的种类。每种致病微生物侵入人体后,人体都会根据入侵微生物的不同抗原表位自动产生不同的抗体,比如SARS病毒侵入人体,人体就针对它产生抗SARS抗体;HBV入侵,人体也会产生一系列抗乙肝抗体等。
(三)天然抗体产生的规律
抗体作为一种特殊的免疫球蛋白,其在发挥特殊免疫功能时,表现出一般的规律。掌握抗体产生的规律在疾病的预防和诊断中具有重要意义。例如,初次接种疫苗须在疾病流行前数周进行,并一般应接种2次以上;应用血清学试验诊断传染病时,需在疾病初期和晚期采两份血清,以动态观察,若第二次血清抗体水平比第一次高4倍以上者,方有诊断意义。
1.初次应答产生抗体
当抗原第一次进入机体时,需经一定的潜伏期才能产生抗体,且抗体产生的量也不多,在体内维持的时间也较短。其主要特点有:初次免疫应答潜伏期长,产生的抗体浓度低且抗体与抗原的亲和力低,主要为IgM。
2.再次应答产生抗体
当相同抗原第二次进入机体后,开始时,由于原有抗体中的一部分与再次进入的抗原结合,可使原有抗体量略为降低。随后,抗体效价迅速大量增加,可比初次反应产生的多几倍到几十倍,在体内留存的时间亦较长。其主要特点有:潜伏期短,一般为1~3天,血液中即出现抗体,产生的抗体浓度高,在体内持续时间长,抗体与抗原的亲和力高,主要为IgG。
3.回忆反应产生抗体
由抗原刺激机体产生的抗体,经过一定时间后可逐渐消失。此时若再次接触抗原,可使已消失的抗体快速上升。如再次刺激机体的抗原与初次相同,则称为特异性回忆反应;若与初次反应不同,则称为非特异性回忆反应。非特异性回忆反应引起的抗体的上升是暂时性的,短时间内即很快下降。
四、抗体的分类
1.按作用对象
可分为抗毒素、抗菌抗体、抗病毒抗体和亲细胞抗体(能与细胞结合的免疫球蛋白,如Ⅰ型变态反应中的IgE反应素抗体,能吸附在靶细胞膜上)。
(1)抗毒素,抗毒素(antitoxin)产生于免疫球蛋白尚未明确分类的早期,是一类免疫球蛋白的总称,对毒素具有中和作用的特异性抗体,能中和某种毒素的抗体或含有这种抗体的血清。细菌毒素(通常指外毒素)的对应抗体或含有这种抗体的免疫血清。它能中和相对应的外毒素的毒性作用。机体经产生外毒素而致病的病原菌,如白喉、破伤风、气性坏疽等菌感染,即能产生抗毒素。外毒素经甲醛处理后,可丧失毒性而保持免疫原性,成为类毒素。在医疗实践中,应用类毒素进行免疫预防接种,使机体产生相应的抗毒素,可以预防疾病。在免疫治疗中,常用细菌的外毒素、类毒素或其他毒物(如蛇毒等)对马进行免疫注射,使马产生抗毒素,然后取其血清,经浓缩提纯制成抗毒素,这不仅可以提高效价,而且可以减轻副作用。这种动物来源的抗毒素血清,对人体具有两重性:一方面对病人提供了特异性抗毒素抗体,可中和体内相应的外毒素,起到防治的作用;另一方面是具有抗原性的异种蛋白,能刺激人体产生抗马血清蛋白的抗体,以后再次接受马的免疫血清时,可能发生超敏反应。已用胃蛋白水解酶水解提纯的IgG分子,保留具有抗体活性的F(ab)2段,尽可能除去特异性抗原决定簇,既能大大提高效价,也可以减少发生超敏反应的机会。
(2)抗菌抗体和抗病毒抗体,此类抗体是机体在抵抗细菌、病毒等其他病原生物的感染和破坏过程中产生的一类免疫球蛋白,以维持生理稳定的功能。病毒突破人体第一道防线后,干扰素和自然杀伤细胞(NK细胞)在第二道防线中占重要地位。病毒进入机体后,能刺激人体的巨噬细胞、淋巴细胞以及体细胞产生干扰素。干扰素具有广谱抗病毒作用,它能诱生抗病毒白蛋白来阻断新病毒的产生,故有阻止病毒增殖和扩散作用。NK细胞是淋巴细胞中除T细胞、B细胞外的另一类细胞,它们占淋巴细胞总数的5%~10%,一刻不停地在血循环中承担着“巡逻”任务。一旦发现有不正常的细胞,立即能释放穿孔素等将它们杀死。被病毒感染的宿主细胞属不正常细胞,因此亦在NK细胞攻击范围之内。病毒逃脱了第二道防线抵御后,就面临第三道防线。这就是特异性体液免疫和细胞免疫。它们在对抗病毒感染中各有特定作用。特异性抗体可以中和存在于宿主细胞外的病毒。抗体与病毒结合后,病毒就不能与易感染细胞表面的相应受体结合而进入细胞,并且随后这些抗体和病毒的结合物就被吞噬细胞吞噬降解。对已进入易感染细胞的细胞内病毒,像胞内菌一样,抗体进不去,需要细胞免疫中的CD8 CTL细胞完成清除任务。CTL细胞破坏“藏”有病毒的感染细胞的过程是,首先CTL细胞与病毒感染细胞靠近并相互接触,然后CTL细胞放出穿孔素、粒酶等生物活性物质,再后CTL细胞离开,最后病毒感染细胞破裂死亡,释出的病毒则可被特异性抗体中和消灭。CD8 CTL细胞离开后,还能以同样方式多次攻击其他感染细胞。
(3)亲细胞抗体,亦称嗜细胞抗体(cytophilic antibody),是一类能与细胞结合的免疫球蛋白,如I型变态反应中的IgE反应素抗体,可与肥大细胞、嗜碱粒细胞结合,IgG能与巨噬细胞结合,吸附在靶细胞膜上。能与同种细胞结合的免疫球蛋白称亲同种细胞抗体,能与异种动物细胞结合的免疫球蛋白称亲异种细胞抗体。嗜细胞抗体的Fc端能吸附于具有Fc受体的免疫细胞上。包括:①对肥大细胞和嗜碱性粒细胞有亲嗜性的IgE型过敏性抗体。②能吸附在杀伤细胞(亦称K细胞K cell)上的IgG型抗体。只有吸附有抗体的K细胞才能有效地杀伤带相应抗原的靶细胞。③吸附在巨噬细胞上的抗体。它能武装巨噬细胞以提高其吞噬作用和杀伤靶细胞的能力。
2.按理化性质和生物学功能
可分为IgM、IgG、IgA、IgE、IgD五类 [3]。
(1)IgM即免疫球蛋白M(Immunoglobulin M,IgM),IgM占血清免疫球蛋白总量的5%~10%。是B细胞抗体基因重排(见后述)后细胞膜上首先呈现的抗体类型就是IgM,构成B细胞抗原受体(B cell receptor,BCR)。分泌型IgM为五聚体,由J链将5个IgM的Fc段连接在一起,是分子量最大的Ig,称为巨球蛋白。由于分子量巨大,五聚体IgM一般不能通过血管壁,主要存在于血液中,它含有10个F(ab)段,因此抗菌活性高于IgG,含5个Fc段,因此比IgG更易激活补体。天然的血型抗体为IgM,血型不符的输血可致严重溶血反应。IgM是个体发育过程中最早合成和分泌的抗体,胎儿大约在胚胎期第20周即能合成IgM。因母体的IgM不能通过胎盘,如果新生儿血液中出现IgM时,即表示已发生过宫内感染,如果脐带血IgM升高提示胎儿有宫内感染(如风疹病毒或巨细胞病毒等感染)。IgM也是初次体液免疫应答中最早出现的抗体,是机体抗感染的“先头部队”,是免疫应答中首先分泌的抗体。经过一段时间,IgM抗体量逐渐减少而消失。它们在与抗原结合后启动补体的级联反应。它们还把入侵者相互连接起来,聚成一堆以便于巨噬细胞的吞噬。因此IgM抗体的测定,对某些传染病如甲型肝炎有较高的临床诊断价值。血清中检出IgM提示新近发生感染,可用于感染的早期诊断。1周岁以上的小儿,血清中IgM即达到成人水平。很多抗微生物的天然抗体、同族血凝素(抗A型与抗B型血)、类风湿病中的类风湿因子以及梅毒的补体结合抗体都属于IgM。
(2)IgG即免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG),是血清中免疫球蛋白成分,约占血清中免疫球蛋白总含量的75%,正常值为9.5~12.5mg/ml。其中40%~50%分布于血清中,其余分布在组织中。分子量约为150KD。人类血清中的IgG主要为单体,正常人的IgG包括四个亚型,其IgG1占60%~70%,IgG2占15%~20%,IgG3占5%~10%,IgG4占1%~7%。这些亚型在补体激活的经典途中结合能力各不相同。IgG主要由脾脏和淋巴结中的浆细胞合成,是唯一能通过胎盘的抗体,对防止新生儿出生数周内的感染起很大作用。在出生后第3个月开始合成,3~5岁接近成年人水平,40岁后逐渐下降。IgG的含量个体差异很大,同一个体在不同条件下,波动也很大。机体在抗原刺激下产生的大多数抗菌、抗病毒、抗毒素抗体属于IgG。不少自身抗体,例如系统性红斑狼疮的LE因子,抗甲状腺球蛋白抗体也属于IgG。IgG是机体抗感染免疫的主力抗体。抗体激活补体,中和多种毒素。IgG持续的时间长,是唯一能在母亲妊娠期穿过胎盘保护胎儿的抗体。他们还从乳腺分泌进入初乳,使新生儿得到保护。
IgG的功能作用主要在机体免疫中起保护作用。抗病毒、抗毒素和多数抗菌抗体均属于IgG类。应对麻疹、甲型肝炎等,能有效地预防相应的感染性疾病。因此,在中和毒素、抗细菌、抗病毒方面,IgG类抗体起着重要作用。IgG是唯一可以通过胎盘的免疫球蛋白。来自母体的IgG在出生后数月对防御白喉、麻疹、脊髓灰质炎等感染起着重要作用,母体传递给胎儿的IgG于生后6个月几乎全部消失,而婴儿自身产生IgG从3个月时才逐渐增多,故6个月后易患感染。
(3)IgA即免疫球蛋白A(immunoglobulin A,IgA),IgA在正常人血清中的含量仅次于IgG,占血清免疫球蛋白含量的10%~20%。从结构来看,IgA有单体、双体、三体及多聚体之分。按其免疫功能又分为血清型及分泌型两种。血清型IgA存在于血清中,其含量占总IgA的85%左右。血清型IgA虽有IgG和IgM的某些功能,但在血清中并不显示重要的免疫功能。分泌型IgA是由J链连接的双体和分泌成分所组成,主要存在于初乳、唾液、泪液、胃肠液、支气管分泌等外分泌液中,是黏膜局部免疫的最重要因素,分泌型IgA通过与相应的病原微生物(如脊髓灰质炎病毒)结合,阻抑其吸附到易感细胞上,分泌型IgA还可中和毒素如霍乱弧菌毒素和大肠杆菌毒素等。新生儿易患呼吸道、胃肠道感染可能与IgA合成不足有关。慢性支气管炎发作与分泌型IgA的减少也有一定关系。分泌型IgA是机体黏膜局部抗感染免疫的主要抗体。故又称黏膜局部抗体。IgA不能通过胎盘。新生儿血清中无IgA抗体,产妇可通过初乳将分泌型IgA传递给婴儿,这也是一种重要的自然被动免疫。嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和巨噬细胞表达FcαR,血清型单体IgA可介导调理吞噬和ADCC作用。此外,分泌型IgA具有免疫排除(immune exclusion)功能,即分泌型IgA结合饮食中大量的可溶性抗原以及肠道正常菌群或病原微生物所释放的热原物质,防止它们进入血液。
IgA主要由黏膜相关淋巴样组织产生,其中大部分是由胃肠淋巴样组织所合成,少部分由呼吸道、唾液腺和生殖道黏膜组织合成。哺乳期产妇腺组织含有大量IgA产生细胞,这些细胞主要来自胃肠。在人类,还有少量的IgA来自骨髓。人出生后4~6个月开始合成IgA,4~12岁血清中含量达成人水平。抗体进入身体的黏膜表面,包括呼吸、消化、生殖等管道的黏膜,中和感染因子。还可以通过母乳的初乳把这种抗体输送到新生儿的消化道黏膜中,是在母乳中含量最多,最为重要的一类抗体。
(4)IgE即免疫球蛋白E(immunoglobulin E,IgE),主要由鼻咽部、扁桃体、支气管、胃肠等黏膜固有层的浆细胞产生,分子量为188KD,是正常人血清中的含量最少的免疫球蛋白,仅占血清总Ig的0.002%,而分泌IgE的这些部位常是变应原入侵和Ⅰ型变态反应发生的场所。过敏患者及寄生虫患者血清IgE含量显著高于正常人。1966年,瑞典学者Johansson和日本学者石坂夫妇首先自豚草过敏患者血清中分离到IgE,并证明了IgE为过敏反应的介质。IgE为亲细胞型抗体。尾部与嗜碱细胞、肥大细胞的细胞膜结合。当抗体与抗原结合后,嗜碱细胞与肥大细胞释放组胺一类物质促进炎症的发展。这也是引发速发型过敏反应的抗体。
IgE的合成及调节机制并不完全明确。多种过敏反应性疾病常可见于同一患者,称这些过敏易患者为过敏体质,与正常人相比,血清IgE明显升高,肥大细胞数较多而且胞膜上IgE受体也较多。研究证实过敏体质为常染色体显性遗传,但同一家系中不同成员所患的过敏病可以不同;抗原的性质及进入机体的途径也会影响IgE的合成,以相同途径进入人体的抗原,有的引起强速发型过敏反应,有的则不能,虽然确切原因尚不明了,但与抗原本身的特性,特别是被T细胞识别的表位的特性有关,有些药物如青霉素降解物,蠕虫抗原、蒿草花粉、豚草花粉等,能引起强烈IgE型过敏反应。抗原进入机体的途径和接触频率对机体产生抗体有影响,经黏膜进入易激发产生IgE应答,而注射则引起IgG的产生,接触过敏原次数越多致敏的可能性越大。
血清IgE升高是过敏性疾病最有力的提示。过敏原进入机体诱导产生特异性IgE,IgE结合肥大细胞和嗜酸性粒细胞,使机体进入对该过敏原特异致敏状态,当过敏原再次接触时,与细胞膜上的IgE受体结合引起一系列生化反应,继而释放出诸如组织胺等各种与过敏反应和炎症有关的生物活性介质。辅助性T细胞及其发作的细胞因子对IgE的组成起重要调理效果。依据排泄细胞因子品种的不一样,将辅助性细胞分成为Th1和Th2两个亚群。而Th2细胞排泄的细胞因子主要在抗体构成及过敏反响过程中起效果。Th1和Th2之间经过细胞因子而相互调理,在健康情况下,Th1和Th2会相互平衡,且同时接受辅助性T细胞调控,在辅助性T细胞调控能力欠缺时或接触到某些异性蛋白质或细微分子(如尘螨、花粉或海鲜食物等)后,Th2过度活化,致使Th2细胞激素排泄量过高,促使IgE升高,使血清中IgE浓度上升,从而引发过敏。降低IgE抗体需补充获得降低血清IgE抗体的抗过敏益生菌菌株。抗过敏益生菌采用了具有增强抗过敏能力的、生理上可接受的益生菌组合物,通过促进白细胞介素12(IL-12)和干扰素γ的分泌,可有效改善过敏症状,调控Th1型免疫反应而抑制免疫球蛋白IgE,改善Th2型免疫反应过度的过敏现象的方法。抗过敏益生菌菌株和肠道壁上的树突状细胞上的受体结合,活化细胞内的转译蛋白移至核内而释放大量细胞激素,属于先天免疫的一个环节,因此,借由其细胞壁多糖尿病类物质如肽聚糖、脂多糖、多糖等,经先天免疫系统,确实能活化T细胞的发育。
(5)IgD即免疫球蛋白D(immunoglobulin D,IgD),是人类当今已知的抗体中最神秘的一种,其具体作用还不为人类所知。它们主要出现在成熟的B淋巴细胞表面上,可能与细胞识别有关,以便对应起相对的病原体进行免疫反应,也可能与B细胞的分化有关。其主要以跨模型存在于B细胞表面,而血清中分泌的含量极低。(IgD于1995年从人骨髓瘤蛋白中发现,分子量为175kD,主要由扁桃体、脾等处浆细胞产生,人血清中IgD浓度为3~40μg/ml,不到血清总Ig的1%,在个体发育中合成较晚。IgD铰链区很长,且对蛋白酶水解敏感,因此IgD半衰期很短,仅2.8天。血清中IgD确切的免疫功能尚不清楚。在B细胞分化到成熟B细胞阶段,除了表达SmIgD,抗原刺激后表现为免疫耐受。成熟B细胞活化后或者活化后或者变成记忆B细胞时,SmIgD逐渐消失。)
3.按与抗原结合后是否出现可见反应
可分为在介质参与下出现可见结合反应的完全抗体,即通常所说的抗体;不出现可见反应,但能阻抑抗原与其相应的完全抗体结合的不完全抗体。
4.按抗体的来源
可分为天然抗体和免疫抗体。
(1)天然抗体又称为正常抗体,即人或动物未经明显感染或通过人工注射抗原而天然存在于体内的各种抗体。天然抗体不仅包括针对病原微生物及其产物的抗体,也包括针对非病原性物质的抗体,如血型抗体。除血型抗体主要是受遗传因素的影响外,其余的天然抗体可能是因隐性感染或因受共同抗原刺激而产生的。由于人或动物在出生后总是不断地接触各种抗原,所以有人认为天然抗体确切,仅是习惯用法。在一个地区内,天然抗体的平均水平对诊断疾病有一定的参考价值。最主要的天然抗体为IgM。
(2)免疫抗体:是机体在抗原物质刺激下,由B细胞分化成的浆细胞所产生的、可与相应抗原发生特异性结合反应的免疫球蛋白。免疫抗体能与抗原(包括外来的和自身的)相结合,从而有效地清除侵入机体内的病原微生物、寄生虫等异物,中和它们所释放的毒素或清除某些自身抗原,使机体保持正常平衡。但免疫抗体有时也会对机体造成病理性损害,如抗核抗体、抗双链DNA抗体、抗甲状腺球蛋白抗体等一些自身抗体的产生,对人体可造成危害。
5.按抗体的制备方法
可分为多克隆抗体和单克隆抗体等。
(1)多克隆抗体(polyclonal antibody,PcAb)(简称多抗):
顾名思义,是相对“单克隆抗体”而言的,抗原通常是由多个抗原决定簇组成的,由一种抗原决定簇刺激机体,由一个B淋巴细胞接受该抗原所产生的抗体称之为单克隆抗体。由多种抗原决定簇刺激机体,相应地就产生各种各样的单克隆抗体,这些单克隆抗体混杂在一起就是多克隆抗体,机体内所产生的抗体就是多克隆抗体;除了抗原决定簇的多样性以外,同样一类抗原决定簇,也可刺激机体产生IgG、IgM、IgA、IgE和IgD等5类抗体。那么正确的认识和理解单克隆抗体,反过来对进一步理解什么是多克隆抗体也有明显作用。多克隆抗体由机体内、外的异源性抗原(大分子抗原、半抗原等)刺激机体产生的免疫反应,有机体浆细胞分泌的一组特殊免疫球蛋白。多克隆抗体由于其可识别多个抗原表位、可引起沉淀反应,制备时间短,成本低的原因广泛应用于研究和诊断方面。
(2)单克隆抗体(monoclonal antibody,McAb)(简称单抗):
被称为肿瘤“生物导弹”,是能直接导向肿瘤的药物,是由淋巴细胞杂交瘤产生的、只针对抗原分子上某一单个抗原决定簇的特异性抗体。淋巴细胞杂交瘤是用人工方法使骨髓瘤细胞(纯系小鼠的腹水瘤型浆细胞)与已用抗原致敏并能分泌某种抗体的淋巴细胞(常用致敏动物的脾细胞,起作用的是其中的B细胞)融合而成的。在加入HAT选择培养基后,未融合的B细胞由于不能长期存活而死亡,而骨髓瘤细胞由于缺乏HGPRT酶,不能通过DNA的补救合成途径合成DNA,因此也会死亡。融合细胞存活,最终获得单克隆细胞,并比较不同单克隆细胞之间抗体的效价,从而选择合适的单克隆株。种融合细胞既具有肿瘤细胞大量、无限繁殖的特性,又具有B细胞合成分泌特异性抗体的能力。可以用来生产单克隆的抗原可以是人和动物的T细胞、B细胞、红细胞、肿瘤细胞、也可以是各种微生物或蛋白、核酸等分子。
由于一个B细胞克隆只针对一个抗原决定簇产生相对应的抗体,所以一个B细胞与骨髓瘤细胞融合而成的单个杂交瘤细胞,也只产生某种单一的抗体。采用适当方法把杂交瘤细胞分离出来,进行单个细胞培养,使之大量繁殖,从而在该培养液中增殖而形成的细胞克隆,只产生完全均一的、单一特异性的抗体,即单克隆抗体。单克隆抗体纯度高、专一性强、效价高,使用时可免除不同细胞及微生物种或株间血清学上的交叉反应,这大大提高了诊断的特异性及敏感性。另外,它在研究细胞表面标志、提纯可溶性抗原及进一步研究抗体的结构和功能等方面,都起着十分重要的作用。
1975年英国科学家Kohler和Milstein将产生抗体的淋巴细胞和肿瘤细胞融合,成功地建立了这项单克隆技术。因此在1984年获得诺贝尔生理学或医学奖。单克隆抗体自1975年问世以来,在临床免疫学方面揭开了新的一页,它不仅为制备抗血清制剂开创了一条新的道路,同时也大大提高了临床广大疾病的诊断、治疗水平,单克隆抗体技术是现代生命科学研究的重要工具,其在基因和蛋白质的结构与功能研究方面有着不可或缺的作用,在人类和动植物的免疫学诊断方面至今仍有着无可代替的重要作用。近年来,单克隆抗体广泛应用于组织、器官移植,极大地改善了移植的疗效,为移植界的快速发展提供了有力的技术支撑。临床常见的单克隆抗体主要包括利妥昔单抗、西妥昔单抗、曲妥珠单抗等。
(3)单B细胞PCR体外表达抗体。
与前述多克隆或单克隆抗体相似,使用目的抗原免疫鼠或者兔等动物后,取动物外周血或脾组织,制成细胞悬液,与标记有荧光素的目的抗原孵育,由于记忆B细胞表面表达特异IgG或IgM,表达目的抗原特异抗体的B细胞将会结合抗原,而抗原已被荧光素标记,从而在流式细胞仪特定波长激光激发下结合抗原的记忆B细胞将产生荧光,经单细胞分选,裂解,将单细胞信使RNA反转录为互补DNA(complement DNA,cDNA),使用抗体可变区和恒定区的引物进行聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction,PCR),可扩增出特异的抗体序列。然后将其克隆到抗体表达载体,转染至常用的293细胞即可体外表达单克隆抗体。
单细胞PCR体外表达法较传统的单克隆抗体技术具有一定的优势:①没有杂交瘤形成的过程,大大节约了时间和成本。此外,由于杂交瘤技术的效率相对较低,可能丢失某些低丰度的抗体信息。②取外周血也可以使用本方法进行抗体表达。因此在动物福利等伦理学领域相对争议更少。同样也可以在受感染的人群血液样本中提取B细胞,从而获得完全人源化的单克隆抗体,比如抗SARS病毒抗体、AB血型抗体。
6.根据抗原抗体反应的各种表现形式
可分为:①沉淀素,指与抗原结合后可发生沉淀反应的抗体;②凝集素,是指与颗粒性抗原结合出现凝集的抗体;③溶解素,为与细胞膜上抗原结合后,在补体的参与下可使细胞出现溶解的抗体,如溶菌素,溶血素等;④补体结合抗体,指与抗原结合后可激活补体的抗体;⑤调理素,指具有调理作用,与微生物结合后能促进吞噬细胞吞噬作用的抗体;⑥中和抗体,为与病毒结合后,可使病毒失去感染性的抗体。
五、抗体的多样性及其产生机制
(一)抗体的多样性
抗体的多样性即抗体的异质性。抗体的组成极为复杂,是由成千上万、多种多样的免疫球蛋白(Ig)分子所组成。这些Ig分子在形状、大小、结构以及氨基酸的组成和排列上,既相似,又有差别。由于有差别,它们的电泳活性就有很大的变化。因为抗体具有与抗原决定簇相对应的结合部位(抗原结合簇),所以抗体与抗原的结合具有特异性。另一方面,抗体本身是一种蛋白质,具有本身的氨基酸组成、排列和立体结构,对异种动物来说,它又是抗原。各类Ig都具有可用血清学方法检出的抗原特异性,它们表现出不同的血清学类型。Ig抗原的特异性有3种:①同种型特异性:同一种属所有个体共同具有的抗原特异性。人的Ig可分为5大类(IgM、IgG、IgA、IgD、IgE)、两个型(lambda型和kappa型)以及若干亚类、亚型、群和亚群等。但是,抗体和抗原结合的特异性与抗体的类、亚类、型别等无关;②同种异型特异性:同一种属(如人)的某些个体共有的抗原决定簇。这是由遗传基因决定的,某些重链和轻链的恒定区内,有个别氨基酸发生置换而形成Gm、Am、Km各型;③独特型特异性:由单一B细胞克隆产生的Ig分子独有的抗原性。此决定簇在重链和轻链的可变区,特别是在可变区的超变区中。由于每一个体抗体形成细胞是由多克隆组成,所以独特型特异性为数极多。
抗体的多样性受B细胞系统的遗传基因控制。肽链是由两个不同基因分别编码可变区或恒定区,恒定区的基因(C基因)是有限的,它虽然可以决定Ig分子的类别和亚类,为造成Ig分子多样性的原因之一,但是,造成免疫球蛋白分子多样性的主要原因却在于可变区的异质性。
(二)抗体多样性的产生机制
抗体多样性的产生有以下几种机制 [3]:
1.VDJ基因片段组合多样性
抗体由两条相同的重链和两条相同的轻链形成Y型结构,抗体对抗原的特异性是由抗体的可变区决定的。人抗体重链可变区由VDJ三个基因片段组成,位于14号染色体上,V基因片段约有45个,D基因片段有23个,J基因片段有6个。在B细胞发育成熟产生抗体过程中,包含VDJ基因片段在内的抗体基因区域发生重排,VDJ片段各取一个,形成抗体的可变区,然后再取众多恒定区基因片段其中的一个,形成抗体重链。由此可能形成的抗体多样性就有45×23×6=6210种。人的轻链基因有κ和λ两种,分别位于2号和22号染色体。轻链可变区由VJ两个基因片段组成,V κ和J κ片段数分别为40和5,V λ、J λ片段数分别为30和4,这样可能的κ种类为40×5=200,可能的λ种类为30×4=120种。抗体由重链和轻链组成,这样由轻重链V(D)J重排所带来的抗体数目种类可能性有6210×(200+120)=1 987 200种。
2.VDJ之间连接多样性
虽然由VDJ基因片段组合所带来的抗体多样性约达2×10 6,但是实际情况远不止这么多,提示还有其他的多样性机制存在。V(D)J基因片段在连接之前,比如V和D基因片段连接之前,V基因片段(尾端)末端在重组酶的作用下游离开来,自身正义链的3′和反义链的5′相连,形成发夹结构,以保持稳定。同样,和V基因片段相似,D基因片段(头端,将要与V基因相连的末端)末端也在重组酶作用下游离,自身形成发夹。在V基因和D基因相连时,两个基因片段的发夹结构再切开。然而切开的部位不一定是原来的位置,这样导致V(D)基因片段双链中一条链长于另外一条,短的那一条被补齐,形成平末端,然后与D(V)基因片段相连。被补齐的核苷酸称之为P核苷酸。DJ基因片段或轻链的VJ基因片段之间均由于这种机制存在P核苷酸。P核苷酸的存在大大丰富了抗体的多样性。此外,在P核苷酸加入后,同时也是细胞内末端转移酶(terminal deoxynucleotidyl transferase,TdT)活跃之时,末端转移酶可在P核苷酸之后再加入核苷酸,最多可达20个核苷酸,加入的这些核苷酸叫做N核苷酸。除加入P、N核苷酸外,抗体的VDJ片段连接之间也可以在末端删除核苷酸。这种核苷酸的插入和缺失极大地丰富了抗体的多样性。
3.体细胞高频突变
成熟的B细胞除在VDJ基因连接区与前体细胞或者其机体其他细胞不同外,人们发现其VDJ基因亦有不同,提示成熟的B细胞VDJ基因发生了突变。这种突变叫称为体细胞高频突变(somatic hypermutation)。体细胞高频突变在抗体的多样性尤其是抗体的特异性和亲和力发挥着至关重要的作用。经过组合多样性和P、N等核苷酸改变产生的大多是低亲和力的抗体。亲和力成熟此时发挥作用,在外周淋巴器官(主要是淋巴结)生发中心,低亲和力结合抗原的B细胞,在有丝分裂时VDJ区发生核苷酸突变,突变频率高达每1000个核苷酸1个突变,突变后抗体亲和力更高的细胞获得优势生长,从而使B细胞产生的抗体亲和力大大升高。