Антигены.Общие сведения

Жизнедеятельность каждого макроорганизма проходит в непосредственном контакте с чужеродными для него клетками, доклеточными формами жизни и отдельными биоорганическими молекулами. Будучи чужеродными, эти объекты таят в себе огромную опасность, так как могут нарушить гомеостаз, повлиять на течение биологических процессов в макроорганизме и даже повлечь его гибель. Контакт с чужеродными биологическими объектами представляет собой ранний сигнал опасности для иммунной системы, они являются основным раздражителем и объектом системы приобретенного иммунитета. Такие объекты получили название антигенов (от греч. anti- против, genos- создавать).

Современное определение термина «антиген» - это биополимер органической природы, генетически чужеродный для макроорганизма, который при попадании в последний распознается его иммунной системой и вызывает иммунные реакции, направленные на его устранение. Учение об антигенах является ключевым для понимания основ молекулярно-генетических механизмов иммунной защиты макроорганизма, так как антиген является движущей силой иммунного ответа, а также принципов иммунотерапии и иммунопрофилактики.

Антигены имеют разнообразное происхождение. Они являются продуктом природного биологического синтеза любого чужеродного организма, могут образовываться в собственном организме при структурных изменениях уже синтезированных молекул в ходе биодеградации, нарушении их нормального биосинтеза или генетической мутации клеток. Кроме того, антигены могут быть по-

лучены искусственно в результате научной работы или путем направленного химического синтеза. Однако в любом случае молекулу антигена будет отличать генетическая чужеродность по отношению к макроорганизму, в который она попала. Теоретически антигеном может быть молекула любого органического соединения.

Антигены могут попадать в макроорганизм самыми разными путями: через кожные покровы или слизистые оболочки, непосредственно во внутреннюю среду организма, минуя покровы или образовываясь внутри него. При попадании в макроорганизм антигены распознаются иммунокомпетентными клетками и вызывают каскад разнообразных иммунных реакций, направленных на их инактивацию, разрушение и удаление.

Свойства антигенов.Характерными свойствами антигенов являются антигенность, иммуногенность и специфичность.

Антигенность- это потенциальная способность молекулы антигена активировать компоненты иммунной системы и специфически взаимодействовать с факторами иммунитета (антитела, клон эффекторных лимфоцитов). При этом компоненты иммунной системы взаимодействуют не со всей молекулой антигена, а только с ее небольшим участком, который получил название антигенной детерминанты, или эпитопа.

Различают линейные, или секвенциальные, антигенные детерминанты, например первичная аминокислотная последовательность пептидной цепи, и поверхностные, или конформационные, расположенные на поверхности молекулы антигена и возникшие в результате вторичной или более высокой конформации. На концевых участках молекулы антигена расположены концевые эпитопы, а в центре молекулы - центральные. Существуют также глубинные, или скрытые, антигенные детерминанты, которые проявляются при разрушении биополимера.

Молекулы большинства антигенов имеют довольно большие размеры. В их структуре определяется множество антигенных детерминант, которые распознаются разными по специфичности антителами и клонами лимфоцитов. Поэтому антигенность вещества зависит от наличия и числа антигенных детерминант в структуре его молекулы.

Структура и состав эпитопа имеют критическое значение. Замена хотя бы одного структурного компонента молекулы приводит к образованию принципиально новой антигенной детерминанты. Денатурация приводит к потере имеющихся антигенных детерминант или появлению новых, а также специфичности.

Чужеродность является обязательным условием для реализации антигенности. Понятие «чужеродность» относительное, так как иммунокомпетентные клетки не способны напрямую анализировать чужеродный генетический код, а лишь продукты, синтезированные с чужеродной генетической матрицы. В норме иммунная система невосприимчива к собственным биополимерам, если он не приобрел черты чужеродности. Кроме того, при некоторых патологических состояниях в результате нарушения регуляции иммунного ответа (см. аутоантигены, аутоантитела, аутоиммунитет, аутоиммунные болезни) собственные биополимеры могут восприниматься иммунной системой как чужие.

Вместе с тем антигенные детерминанты даже генетически неродственных существ или веществ могут иметь определенное подобие и способны специфически взаимодействовать с одними и теми же факторами иммунитета. Такие антигены получили название перекрестно реагирующих. Обнаружено также сходство антигенных детерминант стрептококка, сарколеммы миокарда и базальной

мембраны почек, Treponemapallidumи липидной вытяжки из миокарда крупного рогатого скота, возбудителя чумы и эритроцитов человека 0(I) группы крови. Явление, когда один организм маскируется антигенами другого для защиты от факторов иммунитета, получило название антигенной мимикрии.

Иммуногенность- потенциальная способность антигена вызывать по отношению к себе в макроорганизме специфический продуктивный ответ. Иммуногенность зависит от трех групп факторов: молекулярных особенностей антигена, кинетики антигена в организме, реактивности макроорганизма.

К первой группе факторов отнесены природа, химический состав, молекулярная масса, структура и некоторые другие характеристики.

Природа антигена в значительной степени определяет иммуногенность. Наиболее выраженной иммуногенностью обладают белки и полисахариды, наименьшей - нуклеиновые кислоты и липиды. В то же время их сополимеры - липополисахариды, гликопротеиды, липопротеиды - способны в достаточной мере активировать иммунную систему.

Важна оптическая изомерия структурных компонентов молекулы антигена. Пептиды, построенные из L-аминокислот, высокоиммуногенны. Полипептидная цепочка, построенная из правовращающих изомеров аминокислот, напротив, может проявлять ограниченную иммуногенность при введении в малых дозах.

В спектре иммуногенности существует определенная иерархия антигенных детерминант: эпитопы различаются по способности индуцировать иммунный ответ. При иммунизации некоторым антигеном будут преобладать реакции к отдельным антигенным детерминантам. Это явление получило название иммунодоминантности. По современным представлениям она обусловлена различиями в сродстве эпитопов к рецепторам антигенпрезентирующих клеток.

Большое значение имеют размер и молекулярная масса антигена. Небольшие полипептидные молекулы с массой менее 5 кД, как правило, низкоиммуногенны. Олигопептид, способный индуцировать иммунный ответ, должен состоять из 6-12 аминокислотных остатков и иметь молекулярную массу около 450 Д. С увеличением размера пептида возрастает его иммуногенность, однако эта зависимость на практике не всегда выполняется. Так, при равной молекулярной массе (около 70 кД) альбумин является более сильным антигеном, чем гемоглобин.

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.

Важным условием иммуногенности является растворимость антигена. Например, высокомолекулярные соединения кератин, меланин, натуральный шелк и др. нерастворимы в воде, не образуют коллоидных растворов в нормальном состоянии и не являются иммуногенами. Благодаря этому свойству конский волос, шелк, кетгут и др. прменяют в клинической практике для сшивания органов и тканей.

Вторая группа факторов связана с динамикой поступления антигена в организм и его выведения. Так, хорошо известна зависимость иммуногенности антигена от места и способа его введения, что обусловлено особенностями строения иммунной системы в местах интервенции антигена.

Сила иммунного ответа зависит от количества поступающего антигена: чем его больше, тем выраженнее иммунная реакция макроорганизма.

Третья группа объединяет факторы, определяющие зависимость иммуногенности от состояния макроорганизма: наследственности и функциональных характеристик. Хорошо известно, что результат иммунизации в определенной мере связан с генотипом особи. Существуют чувствительные и нечувствительные к определенным антигенам роды и виды животных. Например, кролики и крысы практически не реагируют на некоторые бактериальные антигены, которые могут вызывать у морской свинки или мыши чрезвычайно бурный иммунный ответ.

Специфичностьюназывают способность антигена индуцировать иммунный ответ к строго определенному эпитопу. Специфичность антигена во многом определяется свойствами составляющих его эпитопов.

По происхождению различают экзогенные (возникшие вне организма) и эндогенные (возникшие внутри организма) антигены. Среди эндогенных особого внимания заслуживают ауто- и неоантигены. Аутогенные антигены (аутоантигены) - это структурно неизмененные антигены собственного организма, синтезируемые в организме в физиологических условиях. В норме аутоантигенынеиммуногенны вследствие сформировавшейся иммунологической толерантности (невосприимчивости) либо их недоступности для контакта с факторами иммунитета - это так называемые забарьерныеантигены. При срыве толерантности или нарушении целостности биологических барьеров (воспаление, травма) компоненты иммунной системы начинают специфически реагировать на аутоантигены выработкой специфических факторов иммунитета (аутоантитела, клон аутореактивных лимфоцитов). Неоантигены, в отличие от аутоантигенов, возникают в организме в результате генетических мутаций или модификаций и всегда чужеродны.

По природе: биополимеры белковой (протеиды) и небелковой (полисахариды, липиды, липополисахариды, нуклеиновые кислоты и др.) природы.

По молекулярной структуре: глобулярные (молекула имеет шаровидную форму) и фибриллярные (форма нити).

По степени иммуногенности: полноценные и неполноценные. Полноценные антигены обладают выраженной антигенностью и иммуногенностью - иммунная система чувствительного организма реагирует на их введение выработкой факторов иммунитета. Такие вещества, как правило, имеют достаточно большую молекулярную массу (более 10 кД), большой размер молекулы (частицы) в виде глобулы и хорошо взаимодействуют с факторами иммунитета.

Если искусственно укрупнить молекулу гаптена - соединить ее прочной связью с достаточно большой белковой молекулой, удается заставить иммунную систему макроорганизма специфически реагировать на гаптен как на полноценный антиген и вырабатывать факторы иммунитета. Молекула белка-носителя получила название шлеппера(тягача). При этом специфичность в составе молекулы конъюгата определяется гаптенной частью, а иммуногенность - белком-носителем. Используя для иммунизации конъюгаты, получают антитела к гормонам, лекарственным препаратам и другим низкоиммуногенным соединениям.

По степени чужеродности: ксено-, алло- и изоантигены. Ксеногенныеантигены (или гетерологичные) - общие для организмов, стоящих на разных ступенях эволюционного развития, например, относящиеся к разным родам и видам. Впервые феномен общности ряда антигенов у животных разных видов был отмечен Д. Форсманом (1911 г.). При иммунизации кролика суспензией органов морской свинки ученый получил иммунную сыворотку, способную взаимодействовать с эритроцитами барана. Позже было установлено, что морская свинка и баран имеют ряд структурно сходных антигенных детерминант, дающих перекрестное реагирование. В дальнейшем перечень подобных ксеногенных антигенов был значительно расширен и они получили обобщенное название «антигены Форсмана».

Изогенные антигены (или индивидуальные) - общие только для генетически идентичных организмов, например для однояйцовых близнецов, инбредных линий животных. Изотрансплантаты обладают практически полной иммунной совместимостью и не отторгаются. К изоантигенам у людей относятся антигены гистосовместимости, а у бактерий - типовые антигены, не дающие дальнейшего расщепления.

В пределах отдельного организма в определенных органах или тканях обнаруживаются специфичные для них антигены, которые нигде больше не встречаются. Такие антигены получили название органо- и тканеспецифических.

В зависимости от физико-химических свойств антигена, условий его внедрения, характера реакции и реактивности макроорганизма различают иммуногены, толерогены и аллергены. Иммуногены способны индуцировать нормальную продуктивную реакцию иммунной системы - выработку факторов иммунитета (антитела, антигенореактивные клоны лимфоцитов). В клинической практике иммуногены используют для иммунодиагностики, иммунотерапии и иммунопрофилактики многих патологических состояний.

Толерогенявляется полной противоположностью иммуногену. Он формирует иммунологическую толерантность или неотвечаемость на эпитопы данного вещества (см. раздел 11.6). Толероген, как правило, - мономер с низкой молекулярной массой, высокой эпитопной плотностью и высокой дисперсностью. Толерогены используют для профилактики и лечения иммунологических конфликтов и аллергии путем наведения искусственной неотвечаемости на отдельные антигены.

Аллерген, в отличие от иммуногена, формирует патологическую реакцию организма в виде гиперчувствительности немедленного или замедленного типа. По своим свойствам аллерген не отличается от иммуногена. В клинической практике аллергены применяют для диагностики инфекционных и аллергических заболеваний.

По направленности активации и обеспеченности иммунного реагирования, т.е. необходимости вовлечения Т-лимфоцитов в индукцию иммунного ответа, выделяют Т-зависимые и Т-независимые антигены. Иммунная реакция в ответ на введение Т-зависимого антигена реализуется при обязательном участии Т-хелперов. К ним относится большая часть известных антигенов. Для развития иммунного ответа на Т-независимые антигены не требуется привлечение Т-хелперов. Эти антигены способны непосредственно стимулировать В-лимфоциты кантителопродукции, дифференцировке и пролиферации, а также вызывать иммунный ответ у бестимусных животных. Т-независимые антигены имеют относительно простое строение. Это крупные молекулы с молекулярной массой более 10³кД, поливалентны и имеют многочисленные однотипные эпитопы. Т-независимые антигены являются митогенами и поликлональными активаторами, например полимерный флагеллин (сократительный белок жгутиков бактерий), липополисахарид, туберкулин и др.

От Т-независимых антигенов следует отличать суперантигены. Это группа веществ, в основном микробного происхождения, которые могут неспецифически вызывать поликлональную реакцию. Молекула суперантигена способна вмешиваться в кооперацию антигенпрезентирующей клетки и Т-хелпера и формировать ложный сигнал распознавания чужеродной субстанции.

Суперантигены способны одновременно неспецифически активировать огромное количество иммунокомпетентных клеток (до 20% и более), вызывать гиперпродукцию цитокинов и низкоспецифичных иммуноглобулинов, массовую гибель лимфоцитов вследствие апоптоза и развитие вторичного функционального иммунодефицита. Свойства суперантигена обнаружены у стафилококкового энтеротоксина, белков вирусов Эпштейна-Барр, бешенства, ВИЧ и некоторых других микробных агентов.