Федеральное агентство по образованию

Уральский государственный технический университет – УПИ

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Н. Е. Максимова, Н. Н. Мочульская, В. В. Емельянов, В. А. Черешнев

Введение в иммунохимию

Учебное пособие

Научный редактор – проф. д-р хим. наук Е. Н. Уломский

Екатеринбург

УГТУ − УПИ

2010

УДК 557.27(075.8)

ББК 28.074я73

В24

Рецензенты: лаборатория иммунологии воспаления Института иммунологии и физиологии УрО РАН;

канд. хим. наук Н. С. Клубникина (ГОУ ВПО Уральская государственная медицинская академия Росздрава)

Авторы: Максимова Н. Е., Мочульская Н. Н., Емельянов В. В., Черешнев В. А.

В24 ВВЕДЕНИЕ В ИММУНОХИМИЮ: учебное пособие / Н. Е. Максимова, Н. Н. Мочульская, В. В. Емельянов, В. А. Черешнев. Екатеринбург: УГТУ − УПИ, 2010. 115 с.

ISBN 978-5-321-1-01715-9

Работа содержит общие сведения о функционировании иммунной системы, механизмах иммунных реакций, знакомит с современными достижениями иммунохимии, их практическим использованием в биотехнологии и экологии.

Рекомендуется студентам химико-технологического факультета, проходящим подготовку по специальностям 240901 − Биотехнология и 280201 − Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

Библиогр.: 11 назв.

УДК 577.27(075.8)

ББК 28.074я73

ISBN 978-5-321-1-01715-9 © Уральский государственный

технический университет – УПИ, 2010

© Авторы, 2010

Содержание

Предисловие 5

Краткий исторический очерк развития

иммунологии и иммунохимии 7

Иммунитет 11

Биологический смысл 11

Виды иммунитета 12

Антигены 13

Свойства антигенов 14

Гаптены 16

Антигены организма человека 17

Антигены бактериальной клетки. 22

Антигены вирусов. 22

Общие сведения об иммунной системе 24

Органы иммунной системы 26

Клетки иммунной системы 27

Цитокины – растворимые медиаторы иммунитета 31

АНТИТЕЛА 32

Строение и функции иммуноглобулинов 32

Классы иммуноглобулинов 34

Поликлональные и моноклональные антитела 36

МЕХАНИЗМ ИММУННОГО ОТВЕТА 38

Неспецифический иммунный ответ 38

Специфический иммунный ответ 42

Взаимосвязь неспецифического и специфического

иммунитета 46

НАРУШЕНИЯ ФУНКЦИЙ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ 48

Реакции гиперчувствительности (аллергии) 48

Аутоиммунные заболевания 54

Иммунодефицитные состояния 58

Реакции антиген-антитело и их практическое

применение 62

Общие закономерности реакции антитела с антигеном 62

Иммунодиагностические реакции 64

Реакции преципитации 64

Реакции агглютинации 67

Иммуноферментный анализ 68

Гомогенный ИФА 69

Гетерогенный ИФА 71

Иммунобиосенсоры 76

Иммунная система и экология 79

Влияние вредных факторов окружающей среды на иммунную

систему человека 79

Иммунитет и стресс 80

ИММУНОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕПАРАТЫ 87

Вакцины 87

Иммунные сыворотки и иммуноглобулины 91

Эубиотики 92

Иммунокорректоры 93

Диагностические препараты 95

Абзимы – каталитические антитела 95

Гибридомная технология получения моноклональных

антител 98

Библиографический список 102

Предисловие

В основу настоящего учебного пособия положен курс лекций «Введение в иммунохимию», который с 2002 г. читается на химико-технологическом факультете УГТУ – УПИ. Пособие рассчитано главным образом на студентов, обучающихся по специальностям «Биотехнология» и «Охрана природных ресурсов».

Включение курса «Введение в иммунохимию» в учебные планы этих специальностей связано с широким использованием иммунохимических методов анализа не только в медицине, но и в смежных областях науки, разработкой новых научных направлений на стыке иммунологии и биотехнологии, иммунологии и экологии.

Задачей курса является ознакомление студентов с современными достижениями иммунохимии и их практическим использованием в биотехнологии и экологии.

Первая часть пособия представляет собой краткое изложение основ иммунологии: знакомство с иммунной системой человека и млекопитающих, ее значением в функционировании живых организмов, формами иммунного реагирования, ролью иммунокомпетентных клеток и их кооперации в ходе иммунного ответа. Рассматривается строение иммуноглобулинов (антител) и их взаимодействие с антигенами.

Содержание второй части составляет знакомство с практическим применением достижений иммунологии и иммунохимии с учетом профиля будущей специальности. В подготовке студентов-биотехнологов делается акцент на основы иммунобиотехнологии: принципы создания и применения иммунобиологических препаратов (вакцин, иммунных сывороток, иммуноглобулинов, иммуномодуляторов, моноклональных антител и т. д.), знакомство с основами гибридомной технологии и иммуноферментного анализа. Это позволяет более глубоко подготовить студентов к изучению специального курса биотехнологии. Будущие экологи знакомятся с использованием современных иммунохимических методов анализа в мониторинге состояния объектов окружающей среды, влиянием экологических факторов на иммунный статус живых организмов (экологическая иммунология), принципами создания абзимов – катализаторов нового типа и др. Определенное внимание уделяется возможным нарушениям функций иммунной системы: аллергическим реакциям, иммунодефицитам, в том числе экологически обусловленным, и ВИЧ-СПИД. Рассмотрение последнего вопроса носит в определенной степени просветительский характер.

Изложению теоретического материала предшествует краткий исторический очерк развития иммунологии и иммунохимии. Это позволяет понять логику и движущие силы развития данной отрасли знаний, возникновения иммунохимии как раздела иммунологии, и ее становления как самостоятельной дисциплины, где изучаются молекулярные основы иммунитета:

• строение антигенов – биополимеров (главным образом белков и полисахаридов), вызывающих развитие иммунологических реакций;

• строение антител – белков, вырабатывающихся в организме в ответ на воздействие антигена;

• строение рецепторных молекул лимфоцитов и других клеток, а также продуцируемых этими клетками веществ, осуществляющих межклеточную кооперацию;

• закономерности реакций антиген – антитело.

В настоящее время предметом иммунохимии является не только изучение молекулярных основах иммунитета, но и развитие прикладных исследований, в основе которых лежат реакции специфического взаимодействия антигенов с антителами. Достижениями этого этапа развития иммунохимии стало создание методов иммунохимического анализа, получение биокатализаторов нового типа – антител, обладающих каталитической активностью (абзимов), разработка новых типов аналитических устройств – иммунобиосенсоров. Несомненно, что дальнейшее развитие этих исследований позволит найти более эффективные пути решения ряда других проблем, традиционно решаемых устоявшимися разделами химии.

Краткий исторический очерк

развития иммунологии и иммунохимии

Иммунология как наука возникла немногим более 100 лет назад. По мере ее развития и прогресса менялись взгляды на иммунитет и его роль в организме, механизмы иммунных реакций, расширялась сфера практического использования достижений иммунологии, в ее недрах возникла и стала самостоятельной дисциплиной иммунохимия. В становлении и развитии науки иммунологии можно выделить три основных периода.

I период – протоиммунология, его временная протяженность от античности до 80-х годов XIX в. Это период стихийного умозрительного познания защитных сил организма, предшествовавший становнию иммунологии как науки.

Уже древним цивилизациям была известна врожденная невосприимчивость людей к некоторым болезням животных (чума собак, куриная холера). Теперь мы это называем врожденным естественным иммунитетом. Издавна народной медициной отмечено явление стойкой невосприимчивости к повторному заражению после таких перенесенных заболеваний, как оспа, тиф, скарлатина. Врачи древности называли это «жизненной силой», «залечивающей силой», сейчас в данном случае мы говорим о приобретенном иммунитете.

Предпринимались и попытки объяснения наблюдаемых явлений. Так, в IX веке мусульманский врач Разес утверждал, что оспа человека связана с брожением крови, которое помогает избавиться от «излишка влаги», свойственной крови молодых. Повторное заражение невозможно, поскольку уже отсутствует субстрат заражения. Заражение стариков – редкость, так как процесс старения «высушил» их кровь.

Первые попытки предохранения от заражения оспой проводились в Китае за 1000 лет до рождества Христова. В XVIII в. получила распространение инокуляция – заражение здоровых людей гнойным содержимым оспенных пузырьков для выработки у них невосприимчивости к этой болезни. Считалось, что инокуляция, как и естественная инфекция, приводит к истощению некоего субстрата, вследствие чего болезнь повторно возникнуть не может.

На смену инокуляции пришла вакцинация, которую впервые провел в 1796 г. английский врач Эдвард Дженнер. Обнаружив у пожилой крестьянки кожные высыпания, он предположил, что она больна натуральной оспой. На это ему возразили, что она не могла заболеть оспой, так как ранее переболела коровьей оспой, заразившись ею при доении коров. Изучая в течение многих лет все известные случаи заболевания коровьей оспой, Э. Дженнер пришел к выводу, если ввести под кожу здорового человека содержимое оспенных пустул с вымени коров, можно предохранить его от заболевания натуральной оспой человека. Этот способ был назван вакцинация (от лат. «vacca» – корова). Свои наблюдения Дженнер экспериментально подтвердил, заразив натуральной оспой ранее провакцинированного им 8-летнего мальчика. Однако Э. Дженнер не мог дать теоретического объяснения открытого им явления.

II период – классическая (инфекционная) иммунология –конец XIX в. – середина XX в. На этом этапе иммунитет рассматривался только как способ защиты организма от инфекционных болезней, отсюда и его название.

Ко второй половине XIX века, благодаря развитию техники, активному внедрению микроскопов в биологические и медицинские исследования, были получены убедительные доказательства, что возбудителями инфекционных заболеваний являются микробы. Зарождение инфекционной иммунологии связано с именем выдающегося французского ученого Л. Пастера. В 1881 г. Пастер, изучая холеру у кур, случайно заразил их старой культурой этого возбудителя, птицы не погибли. Повторив опыт на этих же курах, но со свежей культурой, он обнаружил, что куры вновь остались живы. Это позволило сделать вывод, что введение ослабленной культуры каким-то образом подготовило организмы птиц к воздействию высоковирулентного микроба. Развив этот принцип – снижение патогенных свойств микробов при сохранении их иммуногенности, Пастер создал вакцины против бешенства и сибирской язвы на основе ослабленных возбудителей.

В этот период возникли две теории иммунитета: фагоцитарная (И. И. Мечников, 1884 г.) и гуморальная (П. Эрлих, 1897 г.).

И. И. Мечников показал, что в организмах имеются блуждающие клетки, способные поглощать, а затем разрушать инородные патогенные микробы, чужеродные макромолекулы, корпускулярные тела (твердые частицы), попавшие во внутреннюю среду организма. Эти клетки он назвал фагоциты, т. е. клетки-пожиратели, и приписал им роль защитников организма. Эта теория объясняла суть процесса воспаления и невосприимчивости к инфекциям.

В 1890 г. немецкий бактериолог Эмиль фон Беринг показал, что после иммунизации животных дифтерийным или столбнячным токсином в их крови обнаруживаются вещества, которые способны нейтрализовать или разрушить токсин, предотвратив тем самым заболевание. Эти вещества были названы антитоксинами, а позже антителами. То, что вызывает образование антител, стали называть антигеном. Антитоксические сыворотки стали использоваться как эффективные лекарственные средства на ранних стадиях этих заболеваний. На основе данного открытия П. Эрлих сформулировал гуморальную теорию иммунитета (1897). Он предложил теорию образования антител, разработал метод количественного определения антител и антигенов в крови, основанный на специфичности их связывания.

Ожесточенная дискуссия между последователями этих теорий продолжалась не один год и закончилась присуждением в 1908 г. Нобелевской премии П. Эрлиху и И. И. Мечникову. Обе теории составили основу современной теории иммунитета.

В 1899 г. Н. Я. Чистович установил, что не только патогенные микробы, но и чужеродные клетки и ткани, например эритроциты или сыворотка, при внутривенном введении вызывают образование антител. Это открытие, по сути, заложило основы нового направления – неинфекционной иммунологии.

Период классической иммунологии завершился созданием целого ряда вакцин против инфекционных заболеваний, которые перестали уносить жизни сотен тысяч людей. Однако экспериментальная и теоретическая иммунология оставались в зачаточном состоянии, тонкие механизмы иммунного реагирования организма не были известны.

III период – новая (неинфекционная) иммунология – середина XX в. – настоящее время. Это этап осознания, что функции иммунитета гораздо шире, чем только защита организма от инфекций. Иммунология оформилась как общебиологическая и общемедицинская наука, которая изучает способы и механизмы защиты от любых генетически чужеродных для организма веществ независимо от их происхождения (микробного, животного, растительного или синтетического).

Иммунитет – способ защиты организма от генетически чужеродных веществ живой и неживой природы (направленный на сохранение) структурной и функциональной целостности организма и его биологической индивидуальности (гомеостаза).

Большой вклад в становление и развитие новой иммунологии внес выдающийся австралийский ученый М. Ф. Бернет. Рассматривая иммунитет как реакцию, направленную на дифференциацию "своего" и "чужого", он впервые дал обобщенное понятие иммунитета как механизма поддержания генетической целостности организма в период индивидуального (онтогенетического) развития. Именно М. Ф. Бернет обратил внимание на лимфоцит как на главного участника специфического иммунного реагирования, дав ему название "иммуноцит", и указал на особую роль тимуса в формировании иммунного ответа. Бернет предсказал, а англичанин П. Медавар и чех М. Гашек зкспериментально подтвердили состояние иммунологической толерантности ("неотвечаемости") к чужеродному биологическому материалу. И, наконец, М. Ф. Бернет остался в истории иммунологии как создатель клонально-селекционной теории иммунитета. Формула этой теории проста: один клон лимфоцитов способен реагировать только на одну конкретную чужеродную антигенную детерминанту. Такие антигенные детерминанты представлены на бактериях, вирусах, чужеродных трансплантатах.

Большой вклад в становление современной иммунологии внесли также Р. Кох, открывший возбудитель туберкулеза и описавший кожную туберкулиновую реакцию; Ж. Борде, сделавший важный вклад в понимание роли системы комплемента в иммунном ответе; К. Ландштейнер, получивший в 1930 г. Нобелевскую премию за открытие групп крови человека и разработавший подходы к изучению тонкой специфичности антител с помощью гаптенов; Дж. Снелл, Б. Венацерраф и Ж. Доссе, описавшие главный комплекс гистосовместимости у животных и человека и открывшие гены иммунного ответа. Среди отечественных иммунологов особенно значительны исследования

Н. Ф. Гамалеи, Г. Н. Габричевского, Л. А. Тарасевича, Л. А. Зильбера, Г. И. Абелева.

Это период формирования иммунохимии как самостоятельной дисциплины, изучающей строение антител и их взаимодействие с антигенами. В 1972 г. Р. Портер (Оксфордский университет) и Дж. Эдельман (Рокфеллеровский университет) получили Нобелевскую премию за установление химической структуры антител (1972 г.).

На основе этих данных разработаны иммунохимические методы анализа, в основе которых лежит взаимодействие «антиген – антитело». В настоящее время эти методы применяются не только в медицинской диагностике, но и в других областях, в том числе мониторинге состояния окружающей среды.

Разработана технология получения каталитических антител, которые по своей эффективности сравнимы с биокатализаторами-ферментами, они получили название «абзимы».

Сегодня иммунологи знают очень многое из механизмов работы иммунной системы. Выявлены генетические основы уникального разнообразия антител и антигенраспознающих рецепторов; какие типы клеток ответственны за различные формы проявления иммунных реакций; в значительной степени поняты механизмы повышенной реактивности (аллергии) и толерантности. Многое известно о процессах распознавания чужеродных антигенов; охарактеризованы молекулярные регуляторы иммунных процессов – цитокины, для многих из которых получены генно-инженерные аналоги; в эволюционной иммунологии сформулирована концепция роли специфического иммунитета в прогрессивной эволюции животных. Иммунология встала в один ряд с истинно биологическими дисциплинами: молекулярной биологией, генетикой.

В результате интеграции иммунологии и биотехнологии возникла самостоятельная отрасль – иммунобиотехнология, которая разрабатывает принципы и методы получения иммунобиологических препаратов: вакцин, иммунных сывороток и иммуноглобулинов, иммуномодуляторов, эубиотиков, диагностикумов.

В последние годы сформировалась экологическая иммунология, изучающая особенности функционирования иммунной системы в условиях изменяющейся окружающей среды, причем изменяющейся в основном под влиянием антропогенных факторов.

Новые направления иммунологии решают стоящие перед ними задачи на молекулярном, клеточном, организменном уровне.

Иммунитет

Биологический смысл

В соответствии с современными представлениями иммунитет – это способ защиты организма от генетически чужеродных веществ живой и неживой природы направленный на сохранение структурной и функциональной целостности организма и его биологической индивидуальности (качественного гомеостаза). Иммунитет – явление общебиологическое. Несмотря на то, что человек, животные и растения различаются по анатомо-физиологической основе иммунитета, набору механизмов и реакций иммунного ответа, принципиальная сущность иммунитета от этого не меняется. Система иммунитета направлена на сохранение и поддержание генетически обусловленной антигенной индивидуальности каждой особи, каждого индивидуума, а также вида в целом.

Виды иммунитета

Различают два основных вида иммунитета: врожденный (видовой) и приобретенный (индивидуальный). Врожденный иммунитет одинаков у всех представителей определенного вида живых организмов, поэтому он еще называется видовым. Врожденный иммунитет человека проявляется в его невосприимчивости по отношению ко многим заболеваниям животных (например, чуме собак), с другой стороны, и животные невосприимчивы к определенным возбудителям болезней человека. Врожденный иммунитет является наследственным и передается от одного поколения к другому.

Приобретенный иммунитет формируется на протяжении жизни каждого индивидуума. Формирование иммунитета происходит во время различных инфекционных заболеваний или после вакцинации. Приобретенный иммунитет является индивидуальным и не передается по наследству.

По степени напряженности иммунитета различают активный и пассивный иммунитет. Постинфекционный и поствакцинальный иммунитет, в формировании которого задействована иммунная система человека, является активным и длительным. Длительность иммунитета определяется степенью иммуногенности возбудителя. Иногда, например при гонорее, возможно повторное заражение спустя некоторое время после перенесенной инфекции.

Иммунитет, создаваемый при введении в организм человека иммунных сывороток, содержащих готовые антитела, специфичные по отношению к возбудителю заболевания, или иммуноглобулинов, представляющих собой очищенные препараты антител, является пассивным и временным, действующим в течение нескольких недель. К пассивному иммунитету относится и иммунитет новорожденных, поскольку он обусловлен поступлением готовых антител из крови матери во время внутриутробного развития или с молоком в период грудного вскармливания.

Помимо этого различают стерильный и нестерильный иммунитет. Если после перенесенной болезни происходит полное разрушение и удаление патогенного микроба из организма, то сформированный иммунитет является стерильным (например, при кори, дифтерии). Стерильный иммунитет возникает также после вакцинации. При некоторых инфекционных заболеваниях (например, при туберкулезе, сифилисе) полной элиминации микробов из организма не происходит, часть их остается в организме, но они теряют способность к активному размножению. Возникает нестерильный иммунитет, который поддерживается присутствием в организме некоторого количества микробов. При снижении функций иммунной системы может иметь место реактивация инфекции (вирус простого герпеса), но при этом болезнь быстро подавляется, так как организм приспособился бороться с ней.