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.
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.
Специфичностью называют 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 аутоантигены неиммуногенны вследствие сформировавшейся иммунологической толерантности (невосприимчивости) либо их недоступности для контакта с факторами иммунитета - это так называемые забарьерные антигены. 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.
Неполноценные антигены, или гаптены (термин предложен К. Ландштейнером), обладают антигенностью - способны специфически взаимодействовать с уже готовыми факторами иммунитета (антителами, лимфоцитами), но не способны при введении в нормальных условиях индуцировать в организме иммунный ответ. Чаще всего гаптенами являются низкомолекулярные соединения (молекулярная масса менее 10 кД).
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.
Ксеногенные антигены (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».
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 АВ0 и др.). Аллогенные ткани при трансплантации иммунологически несовместимы - они отторгаются или лизируются реципиентом. Микробы на основании групповых антигенов могут быть подразделены на серогруппы, что используется в микробиологической диагностике.
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.
Толероген является 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 (см. раздел 11.4). 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 к антителопродукции, 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 103 кД, 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.
Антигены организма человека:
Антигены групп крови человека
Антигены групп крови человека располагаются на цитоплазматической мембране клеток, но наиболее легко определяются на поверхности эритроцитов. Поэтому они получили название «эритроцитарные антигены». На сегодняшний день известно более 250 различных эритроцитарных антигенов. Однако наиболее важное клиническое значение имеют антигены системы АВ0 и Rh (резус-фактор): их необходимо учитывать при проведении переливания крови, пересадке органов и тканей, предупреждении и лечении иммуноконфликтных осложнений беременности и т.д.
Антигены системы АВ0 обнаруживаются в плазме крови, лимфе, секретах слизистых оболочек и других биологических жидкостях, но наиболее выражены на эритроцитах. Они синтезируются многими клетками организма, включая ядросодержащие предшественники эритроцитов, и свободно секретируются в межклеточное пространство. На мембране клеток эти антигены могут появиться либо как продукт клеточного биосинтеза, либо в результате сорбции из межклеточных жидкостей.
Антигены системы АВ0 представляют собой высокогликозилированные пептиды: 85% приходится на углеводную часть и 15% - на полипептидную. Пептидный компонент состоит из 15 аминокислотных остатков. Он постоянен для всех групп крови АВ0 и иммунологически инертен. Иммуногенность молукулы антигена системы АВ0 определяется его углеводной частью.
В системе антигенов АВ0 выделяют три варианта антигенов, различающихся по строению углеводной части: Н, А и В. Базовой молекулой является антиген Н, специфичность которого определяют три углеводных остатка. Антиген А имеет в структуре дополнительный четвертый углеводный остаток - N-ацетил-D-галактозу, а антиген В - D-галактозу. Антигены системы АВ0 имеют неза-
висимое аллельное наследование, что определяет наличие в популяции 4 групп крови: 0(I), А(II), B(III) и АВ(IV). Кроме того, антигены А и В имеют несколько аллотипов (например, А1, А2, А3... или В1, В2, В3...), которые встречаются в популяции людей с разной частотой.
Антигены гистосовместимости
На цитоплазматических мембранах практически всех клеток макроорганизма обнаруживаются антигены гистосовместимости. Большая часть из них относится к системе главного комплекса
гистосовместимости, или MHC (от англ. Main Hystocompatibility Complex)
Антигены гистосовместимости представляют собой гликопротеины, прочно связанные с цитоплазматической мембраной клеток. Их отдельные фрагменты имеют структурное сходство с молекулами иммуноглобулинов и поэтому относятся к единому суперсемейству. Различают два основных класса молекул MHC (I и II), которые объединяют множество сходных по структуре антигенов, кодируемых множеством аллельных генов. На клетках индивидуума могут одновременно экспрессироваться не более двух разновидностей продуктов каждого гена MHC. MHC I класса индуцирует преимущественно клеточный иммунный ответ, а MHC II класса - гуморальный.
MHC I класса включает нанопептид, который легко выявляется специфическими антителами.
Сборка комплекса MHC I класса - антиген протекает внутриклеточно непрерывно в эндоплазматическом ретикулуме. В его состав включаются любые эндогенно синтезированные пептиды, в том числе вирусные, куда они переносятся из цитоплазмы при помощи особого белка, протеосомы. Включенный в комплекс пептид придает структурную устойчивость MHC I класса. В его отсутствие функцию стабилизатора выполняет шаперон (калнексин).
MHC II класса участвуют в индукции приобретенного иммунного ответа. Фрагменты молекулы антигена экспрессируются на цитоплазматической мембране особой группы клеток, которая получила название антигенпрезентирующих. Основными являются дендритная клетка, макрофаг и В-лимфоцит. Структура MHC II класса с включенным в него пептидом в комплексе с кофакторными молекулами CD-антигенов воспринимается и анализируется Т-хелперами (CD4+-лимфоциты). В случае распознавания чужеродности Т-хелпер начинает синтез соответствующих иммуноцитокинов, и включается механизм специфического иммунного реагирования: пролиферация и дифференцировка антигенспецифических клонов лимфоцитов.
Опухольассоциированные антигены
В большинстве случаев опухольассоциированные антигены представляют собой продукты экспрессии генов, в норме включаемых в эмбриональном периоде. Они являются слабыми иммуногенами, хотя в отдельных случаях могут индуцировать реакцию цитотоксических Т-лимфоцитов (Т-киллеров) и распознаваться в составе молекул MHC (HLA) I класса. Синтезируемые к опухольассоциированным антигенам специфические антитела не угнетают рост опухолей.
CD-антигены
На мембране клеток обнаруживаются групповые антигены, объединяющие клетки с определенными морфофункциональными характеристиками. Эти молекулы получили название антигенов кластеров дифференцировки клетки, или CD-антигенов (от англ. Cell Differentiation Antigens, или Claster Definition). По структуре они являются гликопротеинами и в большинстве своем относятся к суперсемейству иммуноглобулинов.
Список CD-маркеров довольно обширный и насчитывает около 200 вариантов. Среди многообразия CD-антигенов наиболее широкое распространение получили маркеры иммунокомпетентных клеток. Например, CD3 экспрессируется в популяции Т-лимфоцитов, CD4 - Т-хелперов, а CD8 - цитотоксических Т-лимфоцитов Т-киллеров, CD11a - моно- и гранулоцитов, CD11b - естественных киллеров, CD19-22 - В-лимфоцитов. Информация о структуре закодирована в различных участках генома, а экспрессия зависит от стадии дифференцировки клетки и ее функционального состояния.
CD-антигены имеют значение в диагностике иммунодефицитных состояний. Определение CD-маркеров осуществляется в иммунологических реакциях с использованием моноклональных антител.
Антигены бактерий:
Жгутиковый (Н-антиген) локализован в локомоторном аппарате бактерий – жгутиках. Представляет собой белок флагеллин, при нагревании быстро разрушается и теряет свою специфичность.
Соматический (О-антиген) связан с клеточной стенкой бактерий. Его основу составляют липополисахариды. Этот антиген термостабилен и не разрушается при кипячении.
Капсульный (К-антиген) расположен на поверхности клеточной стенки бактерий, образующих капсулу, имеет гетерополисахаридную или белковую природу. Некоторые из К-антигенов термостабильны, другие – термолабильны
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.
Антигенными свойствами обладают также бактериальные белковые токсины, ферменты и некоторые другие вещества, которые секретируются бактериями в окружающую среду (например, туберкулин). Столбнячный, дифтерийный и ботулинический токсины относятся к числу сильных полноценных антигенов, поэтому их используют для получения молекулярных вакцин - анатоксинов.
В антигенном составе некоторых бактерий выделяется группа антигенов с сильно выраженной иммуногенностью, чья биологическая активность играет ключевую роль в формировании патогенности возбудителя - связывание таких антигенов специфическими антителами практически полностью инактивирует вирулентные свойства микроорганизма и обеспечивает к нему иммунитет. Эти антигены получили название протективных.
Антигены вирусов:
В структуре вирусной частицы различают ядерные (или коровые), капсидные (или оболочечные) и суперкапсидные антигены. На поверхности некоторых вирусных частиц встречаются особые V-антигены - гемагглютинин и фермент нейраминидаза. Антигены вирусов различаются по происхождению. Часть из них вирусоспецифические, кодируются в нуклеиновой кислоте вируса. Другие, являющиеся компонентами клетки хозяина (углеводы, липиды), формируют суперкапсид вируса при его рождении путем почкования.
Антигенный состав вириона зависит от строения самой вирусной частицы. В просто организованных вирусах антигены ассоциированы с нуклеопротеидами. Эти вещества хорошо растворяются в воде и поэтому обозначаются как S-антигены (от лат. solutio - раствор). У сложноорганизованных вирусов часть антигенов связана с нуклеокапсидом, а другая находится во внешней оболочке, или суперкапсиде.
Антигены многих вирусов отличаются высокой степенью изменчивости, что связано с постоянными мутациями в генетическом материале вирусов. Примером могут служить вирус гриппа,
ВИЧ и др.