Практическое занятие № 3. Тема: Антигены. Классификация. Пути поступления. Главный комплекс гистосовместимости человека.

Учебная цель:

1. Изучить физиологические механизмы иммунитета.

2. Изучить серологические методы лабораторной диагностики.

Студент должен знать:

1. Постановку реакции агглютинации (развернутая).

2.Постановку реакции преципитации, практическое применение.

3.Получение диагностических сывороток, классификацию.

Студент должен уметь:

1. Поставить ориентировочную реакцию агглютинации на предметном стекле.

2. Поставить развернутую реакцию агглютинации.

3. Поставить реакцию кольцепреципитации.

План занятия

1. Антигены, их природа.

2. Гаптены.

3. Антигены бактерий.

4. Классификация антиген.

Самостоятельная работа студентов:

1. Постановка и учет ориентировочной реакции агглютинации на

предметном стекле с целью идентификации выделенной чистой культуры грамотрицательных палочек.

2. Постановка и учет развернутой реакции агглютинации с целью

серодиагностики брюшного тифа.

3. Постановка и учет реакции термокольцепреципитации с целью

сероиндикации сибирской язвы.

Информационный материал по теме занятия

Антигены — это любые генетически чужеродные для данного организма вещества (обычно биополимеры), которые, попав во внутреннюю среду организма или образуясь в организме, вызывают ответную специфическую иммунологическую реакцию: синтез антител, появление сенсибилизированных лимфоцитов или возникновение толерантности к этому веществу, гиперчувствительности замедленного или немедленного типов, иммунологической памяти.

Антигены обладают специфичностью, которая связана с определённой химической группой в составе молекулы, называемой детерминантой, или эпитопом. Детерминанты антигена — это те его части, которые распознаются антителами и иммунокомпетентными клетками.

Различают полноценные и неполноценные (гаптены) антигены. Антигены, вызывающие полноценный иммунный ответ, имеющие 2 и более детерминанты, называются полноценными. Это органические вещества микробного, растительного и животного происхождения. Гаптенами могут быть химические вещества с малой молекулярной массой или более сложные химические вещества, не обладающие свойствами полноценного антигена: некоторые бактериальные полисахариды, полипептид туберкулёзной палочки (РРД), ДНК, РНК, липиды, пептиды. Гаптены из-за небольшой молекулярной массы не фиксируются иммунокомпетентыми клетками макроорганизма и не могут вызвать ответную иммунологическую реакцию. Полугаптены — неорганические радикалы (йод, бром, нитрогруппа, азот и др.), присоединившиеся к белковой молекуле, могут менять иммунологическую специфичность белка.

Антигенами называют чужеродные для организма вещества коллоидной структуры, которые при попадании в его внутреннюю среду способны вызывать ответную специфическую иммунологическую реакцию, проявляющуюся, в частности, в образовании специфических антител, появлении сенсибилизированных лимфоцитов или в возникновении состояния толерантности к этому веществу.

Вещества, являющиеся антигенами, должны быть чужеродны для организма, макромолекулярны, находиться в коллоидном состоянии, поступать в организм парентерально, т.е. минуя желудочно-кишечный тракт, в котором обычно происходит расщепление вещества и потеря его чужеродности. Под чужеродностью антигенов следует понимать определенную степень химического различия между антигеном и макромолекулами организма, во внутреннюю среду которого, но попадает. Простые элементы (железо, медь, сера и др.), простые и сложные неорганические соединения (кислоты, соли и др.), а также простые органические молекулы, такие как моносахара, дисахара, аминокислоты не являются антигенами. Биосинтез этих молекул заканчивается построением химически однотипных молекул независимо от того, в животной, растительной или микробной клетке он осуществляется, т.е. эти вещества специфичностью не обладают, специфичность проявляется на более высоком уровне организации биологических макромолекул. Так, аминокислоты, соединенные в полимерную цепь, приобретают антигенность, если в эту цепь входит более 8 аминокислот. Термином «антигенность» обычно обозначают не только способность чужеродного вещества индуцировать образование антител в организме, но и вступать с ними в специфическую связь.

Антигенные свойства связаны с величиной молекулярной массы макромолекулы - она должна быть не менее 10 тыс. дальтон. Чем выше молекулярная масса вещества, тем выше его антигенность. Вместе с тем неверно считать, что высокая молекулярная масса является обязательным свойством антигена. Так, глюкогон (гормон поджелудочной железы, мм 3800) вазопрессин - ангиотензин (мм 1000) также обладают антигенными свойствами.

Принято различать полноценные антигены, неполноценные антигены (гаптены) и полугаптены. Полноценными антигенами называют такие, которые вызывают образование антител или сенсибилизацию лимфоцитов и способны реагировать с ними как в организме, так и в лабораторных реакциях. Свойствами полноценных антигенов обладают белки, полисахариды, высокомолекулярные нуклеиновые кислоты и комплексные соединения этих веществ.

Неполноценные антигены, или гаптены, сами по себе не способны вызывать образование антител или сенсибилизацию лимфоцитов. Это свойство появляется лишь при добавлении к ним полноценных антигенов («проводников»), а среди образующихся антител или сенсибилизированных лимфоцитов часть специфична к «проводнику», а часть - к гаптену, с которым они и могут реагировать как in vivo, так и in vitro.

Полугаптенами называют сравнительно простые вещества, которые при поступлении во внутреннюю среду организма могут химически соединяться с белками этого организма и придавать им свойства антигенов. К этим веществам могут принадлежать и некоторые лекарственные препараты (йод, бром, антипирин и др.).

Молекула антигена состоит из двух неравных частей. Активная (малая часть) с молекулярной массой около 350-1000 дальтон носит название антигенной детерминанты (эпитоп) и определяет антигенную специфичность. Антигенные детерминанты расположены в тех местах молекулы антигена, которые находятся в наибольшей связи с микроокружением. В белковой молекуле, например, они могут располагаться не только на концах полипептидной цепи, но и в других ее частях. Антигенные детерминанты содержат в своем составе по крайней мере три аминокислоты с жесткой структурой (тирозин, триптофан, фенилаланин). Специфичность антигена связана также с порядком чередования аминокислот полипептидной цепи и комбинацией их положений по отношению друг к другу. Примерно на каждые 5000 дальтон относительной молекулярной массы молекулы антигена приходится одна антигенная детерминанта (эпитоп). Количество антигенных детерминант у молекулы антигена определяет его валентность. Она тем выше, чем больше относительная молекулярная масса молекулы антигена. Так, у дифтерийного токсина 8 валентностей, гемоцианина - 231 и т.д. Остальная (неактивная) часть молекулы антигена, как полагают, играет роль носителя детерминанты и способствует проникновению антигена во внутреннюю среду организма, его пиноцитозу или фагоцитозу, клеточной реакции на проникновение антигена, образование медиаторов межклеточного взаимодействия в иммунном ответе (Т-лимфоциты имеют рецепторы к носителю, В- к антигенной детерминанте). Антигенные детерминанты некоторых антигенов получены искусственным путем. Их введение в организм животных без носителя, против ожидания, приводит к низкому иммунному ответу. В настоящее время ведутся разработки по созданию синтетических носителей для синтетических антигенных детерминант.

Для проявления антигенности большое значение имеет путь введения антигена в организм и его доза. Для большинства антигенов бактерий и вирусов наиболее результативно внутрикожное и подкожное введение их. Оба пути значительно эффективнее внутримышечного или внутривенного. Энтеральный путь поступления для многих антигенов малоэффективен. Передозировка медленно выводящихся антигенов может вызвать иммунологический паралич. Введение антигена в эмбрион приводит к возникновению толерантности после рождения животного. В зависимости от пути поступления наблюдается преимущественное накопление антигена в том или ином органе: при внутривенном - в селезенке, костном мозге, печени; при подкожном - в регионарных лимфатических узлах. В клетке организма антигены поступают в результате фаго- или пиноцитоза. Сохранение антигена в организме зависит при прочих равных условиях от размеров и химической структуры его молекул. Наиболее длительное пребывание его в организме (несколько сот дней) наблюдается при соединении антигена с веществом, имеющим длительный период полураспада. Выделяется антиген из организма, в основном, с мочой и (меньше) с фекалиями.

Белки и углеводы крови и внутренних органов обычно не антигенны для организма, в котором они синтезируются, и в то же время антигенны для других особей того же вида (изоантигены). Эта закономерность не распространяется на так называемые забарьерные органы, т.е. органы, отделенные от кровотока особым барьером (гематоэнцефалический, гематотестикулярный и др.), белки которых в норме не поступают в кровь и являются антигенами для собственного организма. В число таких органов входят мозг, хрусталик глаза, паращитовидные железы, семенник. Различные микробы в связи со сложностью их структуры и химического состава содержат различные антигены: белки (полноценные антигены), углеводы, липоидные соединения (гаптены) и их комплексы. 5200 Соответственно анатомическим структурам бактериальной клетки различают Н-антигены (жгутиковые, если бактерия их имеет), К-антигены (поверхностные, антигены клеточной стенки - полисахариды, липополисахариды, белки), О-антигены (соматический, внутриклеточные - белки, нуклеопротеины, ферменты бактерий), антигены экскретируемые бактериями в окружающую их среду (белки-экзотоксины, полисахариды капсул).

Среди многочисленных антигенов микробной клетки различают такие, которые присущи только данному типу микробов (типовые антигены), данному виду (видовые антигены), а также общие для группы (семейства) микроорганизмов (групповые антигены). Такие антигены извлекают из дезинтегрированных микробов, иммунизируют ими животных и получают, соответственно типовые, видовые, групповые антисыворотки. Такие сыворотки применяют с целью идентификации выделенных из организма больного (или окружающей среды) неизвестных бактерий, определяя не только вид, но и серотип внутри вида.

Таким образом, бактериальная клетка (как и микроорганизмы других царств микробов - вирусы, простейшие, грибки) представляют собой сложный комплекс многочисленных антигенов. При ее попадании во внутреннюю среду макроорганизма на многие из этих антигенов будут образовываться свои специфические антитела. Одни антигены индуцируют образование едва заметного количества антител (титр), другие - быстрое и значительное антителообразование. Соответственно этому различают «слабые» и «сильные» антигены.

Не все антигены бактериальной клетки в равной степени участвуют в индукции невосприимчивости (иммунитета) к повторному попаданию в макроорганизм патогенных микробов того же вида. Способность антигена индуцировать иммунитет называют иммуногенностью, а такой антиген - иммуногеном. Установлено также, что определенные антигены некоторых микроорганизмов могут вызывать развитие различных типов гиперчувствительности (аллергии). Такие антигены называют аллергенами. Антигены бактериальных клеток получают двумя путями: препаративным - выделением клеточных структур после дезинтеграции микробов (физический метод) или извлечением антигенных фракций химическими веществами (химический метод).

Методы дезинтеграции микробов

• Разрушение микробных клеток в механическом дезинтеграторе. В специальные нейлоновые стаканы помещают взвесь клеток (1 млрд/мл), на каждый миллилитр которой добавляют 1 г бус диаметром 0,15 мм, изготовленных из пирекс-стекла. Стакан вращается приводом электродвигателя со скоростью 3000 об/мин. Разрушение клеточных стенок бактерий наступает через 10-20 мин. Разница в экспозиции зависит от вида бактерий.

• Разрушение клеток в прессах высокого давления. Продавливают замороженную при 30-70°С микробную массу через узкую щель под давлением в 2000 атм. При переходе бактерий из зоны высокого давления пресс-аппарата в зону атмосферного давления их клеточная стенка разрушается. Процедуру повторяют 3-4 раза. Метод является более щадящим, чем встряхивание с бусами.

• Ультразвуковой метод дезинтеграции. Применяют генераторы, излучающие волны частотой не более 10-20 кГц и мощностью 60-100 Bт. Экспозиция озвучивания зависит от вида и формы микробной клетки и колеблется от 10 до 60 минут.

• Разрушить бактериальную клетку можно и детергентами (лаурилсульфат натрия, дезоксихолат натрия). На 1 мл взвеси бактерий добавляют 1-1,5% детергента. Экспозиция зависит от вида бактерий и подбирается опытным путем.

После дезинтеграции бактериальных клеток одним из методов из взвеси выделяют жгутики, капсульное вещество, клеточные стенки, мембраны, цитоплазматические компоненты.

Методы выделения клеточных компонентов

• Схема выделения жгутиков: целые микробные клетки со жгутиками - встряхивание с бусами в течение 5 мин - центрифугирование при 8000/30 мин. - осадок (целые клетки) удаляют - в надосадочной жидкости находятся жгутики (жгутиковые антигены).

• Схема выделения капсульной фракции: целые микробные клетки с капсулами - добавляют дистиллированную воду - центрифугируют при 5000/15 мин - осадок ресуспендируют в дистиллированной воде и встряхивают без бус при 3000 колебаний/мин 15 мин - центрифугируют при 10000 об/мни 20 мин - осадок удаляют - в надосадочной жидкости находится капсульная фракция.

• Схема выделения клеточных стенок: целые микробы - встряхивание с бусами 15 мин - центрифугирование при 5000 об/мин 20 мин - осадок удаляют (неразрушенные клетки) - в надосадочной жидкости находится фракция стенок бактерий.

• Извлечение соматических антигенов из микробных клеток осуществляется также различным химическими способами: экстрагированием трихлоруксусной кислотой, кислотным гидролизом или ферментативным перевариванием бактерий с последующим осаждением антигена спиртом или сернокислым аммонием и очисткой диализом.

• Схема получения экзотоксинов: культивирование токсин-продуцирующих бактерий в жидкой питательной среде до максимума продукции токсина - фильтрация для удаления бактериальных тел - перевод токсина в анатоксин путем длительного воздействия на него формалина при температуре 30-40° С.

Выделенные фракции (субфракции) антигенов из тех или других анатомических структур бактериальных клеток используют для получения специфических сывороток, а они, в свою очередь, применяются для сероидентификации и серотипирования культур, выделенных, от больных или из объектов внешней среды. Многие макромолекулярные соединения микробных клеток являются антигенами, но только часть из них называют иммуногенами, т. е. способными вызвать образование антител - антитоксинов или сенсибилизированных лимфоцитов, принимающих участие в создании иммунитета. Поверхностные структуры бактерий (жгутики, капсула и клеточные стенки) значительно более антигенны, чем внутриклеточные компоненты (цитоплазма, в частности, рибосомы, ДНК). Иммуногенные фракции находятся у большинства бактерий в капсуле (микрокапсуле) и клеточной стенке. Оказалось, что изолированные физическими способами клеточные структуры более иммуногенны, чем извлеченные химическими методами комплексы. В процессе химической экстракции более значительно повреждается исходная молекулярная организация биополимера, нарушается его нативная структура, в результате чего изменяются антигенные, в том числе иммуногенные свойства извлеченного комплекса. Внутриклеточные компоненты (цитоплазма, цитомембраны, генофор), где локализованы неспецифические антигены, обладают очень низкой иммуногенностью.

Помимо получения антигенов из отдельных анатомических структур часто возникает необходимость использования бактерий, как комплекса антигенов. Схема получения корпускулярного бактериального антигена: посев бактерий на плотную оптимальную питательную среду и культивирование в течение суток - смыв культуры физиологическим раствором - прогревание взвеси бактерии при температуре 60° С (для неспоровых бактерий) в течение 1 часа - стандартизация взвеси по стандартам мутности Государственного института стандартизации и контроля (ГИСК) медицинских биологических препаратов. Стандартизацию проводят оптическим методом, т. е. путем сравнения степени мутности взвеси бактерий с готовыми стандартами. Стандарты выпускаются густотой 500 млн., 1-1,5-2 млрд. микробных тел в 1 мл. Для определения густоты полученной взвеси 1 мл ее наливают в пустую пробирку, равную по диаметру со стандартом. Мерной пипеткой доливают физиологический раствор до тех пор, пока не исчезнет разница между густотой взвеси в этой пробирке и в стандарте на 1 млрд. Густота исходной взвеси бактерий выражается в млрд/мл и равна общему объему жидкости в рабочей пробирке. Исходную взвесь разводят до нужной концентрации бактерий. Определение количества бактерий во взвеси проводится также и нефелометрическим методом. В его основе лежит определение светорассеяния (мутности), вызываемого суспензией микробов. Количество света, рассеиваемое этой суспензией, пропорционально числу и размерам клеток при данной длине волны. Разность интенсивности света, падающего на кювету с микробной взвесью и прошедшего через него, по калибровочной кривой переводится в абсолютное количество бактерий. Данный метод может быть использован только для тех микробов, которые в жидких средах дают равномерное помутнение. а сама среда должна быть оптически прозрачной. Другие виды микроорганизмов (риккетсии, микоплазмы, грибки, простейшие, вирусы) имеют свои особенности антигенного состава, но общая характеристика свойств их антигенов остается той же, что и у бактерий (макромолекулярность, наличие антигенных детерминант и т. д.).

С целью создания приобретенного искусственного активного иммунитета (человеку) или с целью получения сывороток (животному) вводят антигены (иммуногены) в очищенном виде, в составе убитых или живых микроорганизмов. Это введение редко бывает однократным, а чаще двух- или трех- и многократным по специальным схемам. Для получения сывороток и иммуноглобулинов от животных применяются схемы введения антигенов, в которых предусмотрены дозы, кратность, интервалы между введениями, метод введения (схемы гипериммунизации), а также возможность использования одного из адъювантов.

Адъювантами называют группу веществ как антигенной, так и неантигенной природы, относящихся к различным химическим соединениям и имеющим различное происхождение, которые при введении совместного с антигеном в организм животных и человека оказывают неспецифическое стимулирующее действие на формирование иммунного ответа. К ним относятся вещества неорганической природы: минеральные коллоиды (гидрат окиси алюминия, фосфат кальция, гидрат окиси железа), растворимые соединения (алюмо-калиевые квасцы, хлористый кальций); вещества органической природы: белки (протамины, желатин), липиды (животные, растительные масла и жиры), углеводы (крахмал, танин, пектиновые вещества), сложные вещества (адъювант Фрейнда, комплексы липидов с минеральными сорбентами). Наиболее полно действие адъювантов выявляется при первом соприкосновении организма с антигеном (грундиммунизация), но при последующих инъекциях антигена с адъювантом его стимулирующее действие заметно снижается.