Иммунология. Основы медицинской иммунологии. Учебное пособие Рекомендовано Ученым советом Военномедицинской академии имени С. М. Кирова для курсантов и студентов
 Скачать 7.86 Mb.
|
|
Глава 4. АНТИГЕНЫ В 1899 году Л. Детре-Дейтч, сотрудник лаборатории И.И. Мечникова в Институте Пастера, предложил для обозначения веществ, вызывающих образование антител, термин "антиген". Термин "антиген" используется в 2-х случаях. Во-первых, так называют молекулы, которые индуцируют иммунный ответ (эти молекулы называют еще иммуногенами). Во-вторых, антигенами называют молекулы, реагирующие с антителами или примированными Т-лимфоцитами. При этом не имеет значения, способны ли эти молекулы сами по себе индуцировать образование таких антител или Т-лимфоцитов. Если мыши ввести ее собственные эритроциты, то никаких антител, естественно, образовываться не будет. Если же ей ввести эритроциты крысы, то образуются антитела не только к крысиным, но и к мышиным эритроцитам, которые начинают связываться с собственными клетками животного. В этом случае эритроциты мыши выступают, как антиген, поскольку связывают антитела, хотя сами по себе вызвать их образование не могут. Другой пример – гаптены, низкомолекулярные химические вещества известного строения, такие как динитрофенил или метааминобензолсульфонат. Сами по себе гаптены не иммуногенны. В то же время они реагируют с антителами, образование которых было индуцировано гаптеном. Кроме антигенов, способных индуцировать иммунный ответ, необходимо выделить чужеродные вещества белковой природы, не обладающие иммуногенностью, – суперантигены, которые могут связываться с β-цепью молекул антигенраспознающего рецептора на Т-лимфоцитах (рис. 4.1). Данная часть молекулы ТКР не участвует в презентации антигенного пептида, но является общей для достаточно большого количества Т-лимфоцитов (около 20%). В результате такого взаимодействия происходит активация большого количества Т-лимфоцитов по сравнению со стимуляцией 189 их специфическим антигеном (менее 0,1%). Суперантигены также презентируются Т-лимфоцитам с помощью молекул МНС II класса на поверхности антигенпрезентирующей клетки. Однако суперантигены после их захвата АПК не подвергаются процессингу и действуют как целая молекула. Важно понимать, что зоной взаимодействия является не паратоп, а боковой участок молекулы МНС II класса. Именно поэтому реакция Т- лимфоцитов на стимуляцию суперантигенами не является клоноспецифичной, а приводит к активации большого количества Т- лимфоцитов, гиперпродукции цитокинов, развитию пирогенного эффекта, синдрому токсичекого шока, снижению артериального давления и другим неспецифическим синдромам. Рис. 4.1. Стимуляция Т-лимфоцитов бактериальным и вирусным суперантигенами (по A. K. Abbas, 2009). Та часть гипервариабельной области антитела, которая контактирует с антигеном, называется паратопом, а часть антигена, взаимодействующая с паратопом, обозначается как эпитоп. Если антиген - линейный пептид или полисахарид, то во взаимодействии с антителом принимают участие около 5- 6 аминокислотных остатков или молекул гексозы соответственно. Если же 190 антиген - глобулярный белок, то с антителом может контактировать до 16 аминокислотных остатков. 4.1. Антигены и иммуногенность Таким образом, под термином «антигены» следует понимать чужеродные вещества или структуры, которые способны вызывать иммунный ответ и характеризуются следующими свойствами: - антигенностью, т.е. способностью к специфическому взаимодействию с эффекторами иммунного ответа; - иммуногенностью, т.е. свойством антигенов вызывать иммунный ответ; - специфичностью – его способностью антигена избирательно реагировать со специфическими антителами или сенсибилизированными лимфоцитами, появляющимися после иммунизации. Эпитопы и антигенные детерминанты. Антитела, образующиеся в ответ на введение глобулярного белка, слабо взаимодействуют с денатурированными препаратами этого же белка. Данный факт хорошо согласуется с тем представлением, что большинство антител распознает топографические структуры на поверхности белка (т.е. эпитопы), определяемые конформацией нативной молекулы. Поэтому неудивительно, что антитела к нативным белкам обычно гораздо слабее взаимодействуют с пептидами, имеющими ту же первичную структуру. При картировании индивидуальных эпитопов с помощью гомогенных моноклональных антител, обнаружено, что эти эпитопы часто включают аминокислотные остатки, которые находятся далеко друг от друга в первичной последовательности, но собраны в один эпитоп в результате упаковки полипептидной цепи в нативном белке. В этих случаях принято говорить о прерывистых или комбинированных эпитопах в отличие от непрерывных или секвенциальных. 191 Если схематически изобразить поверхность белкового антигена и отметить на ней центры эпитопов, выявляемых с помощью индивидуальных антител, входящих в данную антисыворотку, то на этой карте почти наверняка можно будет выявить кластеры доминантных эпитопов, т.е. участки антигена, в которых особенно часто происходит взаимодействие с антителами. Именно эти кластеры ближе всего к тому, что принято называть антигенными детерминантами. Важно иметь в виду, что на поверхности антигена может находиться несколько антигенных детерминант различной структуры. Моноклональные антитела, реагирующие с одной детерминантой данного антигена, не будут реагировать с другими, если конечно молекула антигена не имеет осей симметрии. Факторы, определяющие антигенность. Крупные белки, имея большее число потенциальных детерминант, представляют собой лучшие антигены, по сравнению с небольшими. Чем больше отличается антиген от собственных молекул организма, индуцирующих Толерантность, тем он более эффективен при индукции иммунного ответа. Те участки пептидной цепи, которые далеко выступают за пределы компактной структуры молекулы, обычно представляют собой области большого скопления эпитопов. Наименьший вклад в антигенность вносят те участки поверхности молекулы, которые расположены вблизи ее впячиваний, где находятся прочно закрепленные молекулы воды. Для формирования обширной области контакта между антигеном и антителом способность антигена к изменению формы играет, по-видимому, большую роль, поскольку позволяет ему принять такую конформацию, которая обеспечивает наибольшую степень взаимодействия с антителом. Полагают, что энергия, затрачиваемая на такие конформационные изменения, с избытком окупается изменением внутренней свободной энергии, которое происходит при возникновении новых участков связывания. Этот приток энергии, обеспечивающий конформационные изменения, приводящие к прочному связыванию, видимо, позволяет 192 гидрофобным боковым цепям аминокислот, обычно спрятанным внутри глобулы, оказываться в области контакта с антителом (рис. 4.2.). В-клетки реагируют в основном с белками, нативная структура которых не изменена, а Т-лимфоциты распознают развернутые пептидные цепи. Поэтому гораздо легче синтезировать линейные пептиды, имитирующие способность исходного антигена стимулировать Т-клетки, чем пептиды, способные реагировать с антителами. Рис.4.2. Презентация антигена макрофагом, В-лимфоцитом, дендритными клетками Т-лимфоцитам (по Д. Мейл, Дж. Бростофф, 2007) Антигены и вирулентность. По степени специфичности выделяют групповые антигены микроорганизмов, общие для рода или вида, а также 193 типовые или подтиповые, обуславливающие индивидуальные особенности отдельных разновидностей микроорганизмов внутри одного вида или типа. Среди микробных антигенов основными являются белки, полисахариды и липоиды. Выраженными антигенными свойствами обладают экзотоксины бактерий: дифтерийный, столбнячный, ботулинический, стрептококковый, возбудителей газовой гангрены. Это обеспечивается их способностью проникать за пределы микробной клетки при ее жизни, белковой природой, тропностью к определенным тканям, высокой токсичностью и антигенной специфичностью. Сильными антигенами являются и бактериальные ферменты: стрептогиалуронидаза, протеиназа. Состав основных антигенов определяет его вирулентность и чувствительность к фагоцитозу. Рассмотрим это положение на примере основных антигенов чумного микроорганизма. Чумные микроорганизмы дефицитные по основным антигенам вирулентности (F1 - VW - ) – чувствительны к фагоцитозу; а имеющие их (F1 + VW + ) – устойчивы к фагоцитозу. Микроорганизмы, у которых отсутствует фракция 1, но присутствует VW-антиген (F1 - VW + ) – устойчивы к моноцитам, но чувствительны к нейтрофилам. Как правило, микроорганизмы, имеющие в своем составе фракцию 1 (F1 + ) – вирулентные, а F1 - – авирулентные. Это же относится и к другому основному антигену: VW + – вирулентные, VW - – авирулентные. Наличие одних и отсутствие других антигенов чумного микроорганизма характеризует его вирулентность следующим образом: Ca - VW + – кальций зависимые микроорганизмы, вирулентны; Ca + VW - – авирулентные; Р + (гемин) – вирулентные – образуют на синтетической среде с гемином цветные колонии; Р - – авирулентные, образуют бесцветные колонии; Pu + (независимость от экзогенных источников пурина) – микроорганизмы вирулентны. 194 Таким образом, вирулентные штаммы чумного микроорганизма имеют формулу: F1 + VW + Ca - P + Pu + , а антигенный состав основных противочумных вакцин выражен следующим образом: вакцина EV: F1 + VW + Ca - P - Pu + ; вакцина K-1: Pg - F1 + VW + Ca + P - Pu + ; вакцина Дживайдж: Pg + VW - F1 + Ca - P - Pu - ; вакцина 100R-6: Pg + F1 + VW + Ca - P - Pu + К факторам патогенности относят и поверхностные свойства бактерий, которые являются ключевым фактором, определяющим их взаимодействие с поверхностями, в том числе и с поверхностями других клеток. Наиболее важными составляющими поверхностных свойств клетки являются ее относительная гидрофобность, наличие на поверхности клеток внеклеточных полимеров и заряд клетки. Уровень гидрофобности поверхности клеток различается в зависимости от штамма микроорганизма. К настоящему времени известно изменение свойств поверхностных структур бактериальной клетки в ответ на действие сублетальных концентраций антимикробных веществ, объясняемое изменением экспрессии внеклеточных полимеров. Полученные данные свидетельствуют, что в результате воздействия на микроорганизмы субингибиторных концентраций пероксида водорода и гидроксильного радикала происходит изменение поверхностных свойств бактериальных клеток. Эти изменения проявляются как в уменьшении гидрофобности клеток, так и в уменьшении способности бактерий сорбировать на своей поверхности такие белки, как лизоцим и гемоглобин. Изменения поверхностных свойств бактерий сопровождались увеличением числа R-форм колоний после высева на твердые питательные среды взвеси бактерий, обработанных сублетальными концентрациями активных форм кислорода. Можно предположить, что уменьшение уровня гидрофобности клеток под влиянием активных форм кислорода приведет к понижению адгезивных свойств бактерий и их способности колонизировать какой-либо биотоп. Уменьшение сорбции белков на 195 поверхности бактериальных клеток после их контакта с активными формами кислорода может препятствовать формированию на поверхности микроорганизмов своеобразного защитного экрана, образующегося за счет неспецифического связывания белков хозяина, и тем самым облегчить доступ эффекторов специфической и неспецифической резистентности к патогену. Отмеченная культурально-морфологическая диссоциация микроорганизмов в сторону увеличения удельного веса R-форм колоний свидетельствует о переходе вирулентных вариантов в авирулентные. Таким образом, наличие в микробных биотопах человека активных форм кислорода, продуцируемых клетками иммунной системы хозяина или представителями нормальной микрофлоры, не ограничивается прямым повреждающим действием на бактериальные клетки. Активные формы кислорода в сублетальных концентрациях, обладающие способностью модифицировать различные структуры клетки, в том числе и поверхностные, являются фактором, регулирующим взаимодействие бактерий друг с другом и хозяином, определяя колонизационную резистентность организма. Формирование метициллинрезистентности (MR) у штаммов S. aureus, котороевероятнее всего связано с образованием дополнительного пенициллинсвязывающего белка ПСБ-2а, участвующего в синтезе клеточной стенки бактерий и кодируемого хромосомным геном mecА также является одним из установленных факторов патогенности микроорганизмов. Эти изменения приводят к формированию резистентности. Другими механизмами формирования резистентности к метициллину могут быть: гиперпродукция пенициллиназ, модификация нормальных ПСБ, а у отдельных вариантов – появление ферментов, гидролизующих метициллин. Однако лишь mecA- обусловленная резистентность сопровождается перекрестной устойчивостью ко всем β-лактамам и множественной устойчивостью к антибиотикам других классов, за исключением гликопептидов. 196 Иммунопатогенез, связанный с золотистыми стафилококками, во многом определяется широким набором факторов вирулентности, присущих этому виду стафилококков, среди них такие значимые, как протеиназы, разрушающие антимикробные пептиды; токсины (TSST-1), суперантигены (SEA-D), которые могут вызывать и поддерживать воспалительную реакцию. S. aureus отличаются от других стафилококков тем, что они продуцируют пигмент желто- золотистого цвета, способны давать положительную плазмокоагулазную реакцию, ферментируют спирт манитол и обладают дезоксирибонуклеазной активностью. Клеточная стенка стафилококков состоит на 50% по весу из пептидогликана. Пептидогликан стафилококков обусловливает эндотоксиноподобную активность, стимулируя образование цитокинов макрофагами, активируя комплемент и агрегацию тромбоцитов. Различия в структуре пептидоглиганов разных штаммов стафилококков играют важную роль в их способности вызывать развитие ДВС-синдрома. Одним из факторов патогенности различных прокариотических и эукариотических микроорганизмов является их способность к адгезии. Компоненты клеточной стенки стафилококков активируют свертывающую и каликреин-кининовую системы, кроме того, облегчают адгезию к эпителиальным поверхностям. Белок А (агглютинин А) неспецифически связывается с Fс-фрагментом молекул IgG, что активирует компоненты комплемента по классическому и альтернативному пути и усиливает активность естественных киллеров. Однако не все так однозначно, в частности, кандиды используют механизмы коадгезии с бактериями нормальной микрофлоры для колонизации слизистых. В литературе встречаются данные о непосредственном влиянии продуктов бактериального метаболизма на процесс прикрепления микробных клеток к эпителиоцитам через модификацию адгезивных молекул. Обычно адгезивный потенциал стафилококков связывают со специфическими 197 адгезинами, которые сгруппированы в так называемое семейство адгезивных матриксных молекул (MSCRAMMs) – это фибронектинсвязывающие протеины (Fnbp А и –В), рецепторы для фибриногена на поверхности клетки Clf А и Clf В и фибриногенсвязывающие протеин (Fib), а также ламинин, коллаген и эластинсвязывающие белки. Наличие железа в среде также является важным фактором, определяющим способность S. aureus к адгезии. Это лишний раз доказывает, что выработка факторов патогенности является не конститутивным свойством патогенного организма, а лишь одной из его экологических стратегий в изменчивых условиях окружающей среды, которой для условно патогенных организмов является внутренняя среда организма- хозяина. Многие штаммы способны к образованию одного или нескольких экзопротеинов, среди которых, в первую очередь, следует отметить эксфолиатины А и В (ЕТА и ЕТВ), обусловливающие развитие синдрома «ошпаренной кожи»; токсин синдрома токсического шока (TSST-1), ответственный за развитие специфического симптомокомплекса; д-токсин (лейкоцидин), ингибирующий всасывание воды и активирующий образование цАМФ, а также оказывающий цитотоксическое действие на полиморфноядерные лейкоциты; энтеротоксины A-l (SEA, SEB, SEC, SED, SEE, SEG, SHE и SEI), участвующие в развитии пищевых интоксикаций. Стафилококковые энтеротоксины и TSST-1 также известны как пирогенные суперантигены (PTSAgs), поскольку стимулируют пролиферацию Т- лимфоцитов без антигенной специфичности. Каждый из этих экзотоксинов проявляет, по крайней мере, три биологические активности: пирогенность, суперантигенность и способность повышать токсичность эндотоксина для кролика в 100000 раз. Некоторые PTSAgs обладают дополнительными свойствами. Например, стафилококковые энтеротоксины могут вызывать рвотный рефлекс. TSST-1 способен легко проникать через слизистые оболочки, а также повышает токсичность эндотоксина для клеток почек. 198 В настоящее время различают два типа болезней у человека, вызываемые PTSAgs. Это стафилококковые пищевые отравления и стафилококковый синдром токсического шока. Вырабатываемый стафилококками TSST-1 является мощнейшим антигеном, активизирующим Т-хелперы. Активации подвергается до 20 и более процентов от общего количества лимфоцитов организма, которые начинают продуцировать интерлейкин-2, а затем цитокины, которые вызывают выраженные воспалительные реакции. Эксфолиатины А и В, обусловливающие развитие токсического шока за счет стимуляции выделения ФНО-α и выраженного цитотоксического действия на полиморфно-ядерные лейкоциты. Данные токсины вызывают интраэпидер- мальные нарушения через гранулярный слой благодаря специфическому расщеплению десмоглеина, протеина, который вовлечен в межклеточную адгезию кератиноцитов в гранулярном слое. У новорожденных, инфицированных штаммами, продуцирующими эксфолиатины, наблюдается синдром «ошпаренной кожи». Цитотоксическое действие могут оказывать и гемолизины. Выделяют 4 антигенных типа гемолизинов, вызывающих полный гемолиз кровяных сред. Золотистые стафилококки способны одновременно синтезировать несколько подобных продуктов. α-Гемолизин, или α-токсин наиболее часто выявляют у бактерий, выделенных из клинических образцов. Он неактивен в отношении человеческих эритроцитов, но лизирует эритроциты животных, вызывает кожные некротические изменения у барана. Связываясь с макрофагами α- токсин индуцирует секрецию интерлейкина-1β. fS-гемолизин, или сфингомиелиназа открыта в 1935 году. Выявляется у 20% изолятов, оказывает умеренное действие на эритроциты человека. Максимальная активность проявляется при низких температурах. 199 7-гемолизин и PV-лейкоцидин (Panton-Valentine leukocidin) образуют двухкомпонентный токсин с умеренной гемолитической активностью в отношении эритроцитов человека. Поскольку один из компонентов инактивирует содержащие серу полимеры, присутствующие в агаре, то эффект этого гемолизина на кровяных средах обычно не проявляется. Два компонента токсина секретируются независимо друг от друга. При этом γ-гемолизин продуцируется практически всеми штаммами золотистых стафилококков, а PV- лейкоцидин образуют лишь 2 – 3% изолятов. Токсин действует на нейтрофилы и макрофаги, кроме того 7-гемолизин способен лизировать эритроциты животных. Возможно существование комплекса, включающего γ-гемолизин, PV-лейкоцидин, S и F компоненты. Компоненты по отдельности обладают очень слабой гемолитической и токсической активностью. Различные комбинации компонентов обеспечивают токсину сильную гемолитическую активность. 5-гемолизин – агрегат низкомолекулярных соединений, проявляющих детергентные свойства, благодаря чему обеспечивается цитотоксичность широкого спектра. Токсин продуцируют 97 % штаммов золотистых стафилококков. Мономер 5-гемолизина состоит из 26 аминокислот с молекулярной массой около 3000 Да. Стафилококки продуцируют различные ферменты – протеазы, липазы, гиалуронидазы. Эти ферменты способствуют распространению (дессиминации) этих микроорганизмов в тканях организма человека. Основные протеолитические ферменты, секретируемые S. aureus, относятся к трём классам: металлопротеиназам – ауреолизин (aureolysin – Aur); сериновым эндопептидазам – сериновая протеиназа – SspA); тиоловым протеазам, таким какстафопаин (ScpA) и протеиназе SspB. Сериновая протеиназа (SspA) эффективно расщепляет фибрино- генсвязывающий белок и поверхностный белок А. Металлопротеиназа (Aur) ответственна за модификацию белка, являющегося рецептором к фибриногену на поверхности микробной клетки (ClfB-Clumping factor В). Кроме того, существует гипотеза, предполагающая вероятное участие экзопротеиназ в 200 инактивации токсинов стафилококков, что может быть сопряжено с особым регуляторным механизмом, снижающим вирулентный потенциал S.aureus в определенных нишах организма, что способствует колонизации им таких эпитопов как кожа в норме у здоровых лиц. Кроме того, стафилококковые экзопротеазы активно расщепляют человеческие плазменные белки, такие как α-1-ингибитор протеаз. Результатом этого протеолитического прессинга ферментов стафилококков, особенно протеиназ, является угнетение контролирующего действия со стороны местной иммунной системы макроорганизма, что, в конечном счете, может привести к тяжелой деструкции соединительной ткани и кожи в целом. В дополнение к этому, было показано in vitro, что металлопротеиназа стафилококков – ауролизин (Aur) оказывает существенное влияние на клеточные иммунные реакции, активирует Т- и В-лимфоциты, a in vivo способствует подавлению продукции антистафилококковых антител. Кроме того, в опытах in vitro было показано, что сериновая протеиназа (SspA) расщепляет тяжелые цепи иммуноглобулинов всех классов. Изоляты S.aureus и S.epidermidis, выделенные у пациентов с атопической экземой с различной степенью тяжести заболевания, оцениваемого по индексу SCORAD, проявляли в несколько раз более высокую активность по расщеплению в тестах in vitro таких значимых защитных белков как иммуноглобулины, лизоцим и структурный белок соединительной ткани – коллаген. Более высокая активность протеиназ у изолятов стафилококков, выделенных от больных атопической экземой, косвенно характеризует вирулентный потенциал этих штаммов. Необходимо учесть, что, обладая более высоким протеиназным потенциалом, стафилококки, колонизирующие кожу пациентов с атопическим дерматитом, способны вызвать развитие патологической деградации соединительной ткани кожи, в отличие от штаммов, колонизирующих кожу здоровых лиц. 201 К факторам патогенности необходимо отнести и способность бактерий образовывать биопленки. Особенно это касается условно патогенных микроорганизмов. Установлено, что в составе биопленок бактерии более устойчивы к действию антибактериальных препаратов (включая антибиотики), бактериофагов и фагоцитов, а также к воздействию неблагоприятных факторов, таких как изменения температуры тела, рН среды, осмолярности. В ряде случаев бактерии могут образовывать смешанные биопленки с другими родами бактерий. Однако способность образовывать биопленки у штаммов оказалась различной. Так, при исследовании способности клинических штаммов бактерий комплекса Burkholderia cepacia формировать биопленку, установлено, что более 83% штаммов способно образовывать биопленки, а штаммы по этому признаку могут быть разделены на три группы: 1) обладающие хорошей способностью к формированию биопленки (27,8%), 2) с умеренной способностью образовывать биопленки (55,6%) и 3) – неспособные формировать биопленки (16,6%). Установлено, что штаммы, характеризующиеся хорошей способностью к формированию биопленки, принадлежат только к двум геновариантам. Таким образом, факторы патогенности должны изучаться как комплексная система, сформированная в результате длительной совместной эволюции условно патогенной микрофлоры и иммунной системы хозяина. |