С тавропольская Государственная Медицинская Академия

Кафедра микробиологии иммунологии и вирусологии

Лекция для студентов специальностей: лечебное дело, педиатрия, стоматология

Раздел: общая микробиология, иммунология, вирусология

Л

1

екция № 11 Иммунология – 2.

• Иммунная система организма. Структура и функции

• Клетки иммунной системы

• Антиген

• Основные свойства антигенов: иммуногенность и специфичность

• Формы иммуногенности

• Виды специфичности

• Антигены микробной клетки. Локализация, химический состав

• Соматический, капсульный, жгутиковый антигены

• Протективные антигены

• Антигены вирусов

• Виды специфичности антигенов микроорганизмов (видовая, групповая, вариантная)

• Роль антигенов в инфекционном процессе и развитии иммунного ответа

Лекция обсуждена на

кафедральном совещании

« »____________ 2009 г

д.м.н. Таран Т.В.

Ставрополь, 2009 г

Антигены

А

3

нтигенами (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.

К

4

лассифицируют 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).

I

5

II. 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:

Э

6

кзогенные (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.

А

7

нтигены обладают рядом характерных основных свойств: антигенностью (чужеродностью), специфичностью и иммуногенностью.

А

8

нтигенность 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.

И

9

ммуногенность – 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.

И

10

ммуногенностью 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).

С

11

пецифичность 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.

Э

12

питопы 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.

О

13

сновные 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

14

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.).

Г

15

аптены – 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

16

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.

А

17

нтигенная 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.

О

18

бладая 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:

К

19

апсульные (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.

Ж

20

гутиковые (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;

Ц

21

итоплазматические 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.

П

22

ротективные 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.

С

23

уперантигены. 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.