第三章抗原

第三章  抗  原 第一节  抗原的异物性与特异性 抗原（antigen, Ag）是指能与T细胞、B淋巴细胞的TCR或BCR结合，促使其增殖、分化，产生抗体或致敏淋巴细胞，并与之结合，进而发挥免疫效应的物质。抗原一般具备两个重要特性：一是免疫原性（immunogenicity）；二是抗原性（antigenicity）。同时具有免疫原性和抗原性的物质称免疫原（immunogen），又称完全抗原（complete antigen），即通常所称的抗原；仅具备抗原性的物质，称为不完全抗原（incomplete antigen），又称半抗原（hapten）。能诱导变态反应的抗原又称为变应原（allergen）；可诱导机体产生免疫耐受的抗原又称为耐受原（tolerogen）。 一、异物性 抗原免疫原性的本质是异物性。异物性是抗原的重要性质。异物即非己的物质。一般来说，抗原与机体之间的亲缘关系越远，组织结构差异越大，异物性越强，其免疫原性就越强。 二、特异性 决定抗原特异性的结构基础是存在于抗原分子中的抗原位。 1．抗原表位的概念  抗原分子中决定抗原特异性的特殊化学基团，称为抗原表位(antigen epitope)，又称抗原决定基（antigenic determinant）。一个半抗原相当于一个抗原表位。天然抗原一般是大分子，含多种、多个抗原表位。 2．抗原表位的类型  根据抗原表位的结构特点，可将其分为顺序表位（sequential epitope）和构象表位（conformational epitope）(图3-1)。前者是由连续性线性排列的短肽构成，又称为线性表位（linear epitope）；后者指短肽或多糖残基在空间上形成特定的构象，又称为非线形表位（non-linear epitope）。 根据T细胞、B细胞所识别的抗原表位的不同，将其分为T细胞表位和B细胞抗原表位。表3-1是T细胞表位和B细胞表位特性之比较。 表3-1  T细胞表位与B细胞表位的特性比较   T细胞表位 B细胞表位 识别表位受体 MHC分子参与 表位性质 表位大小 表位类型 表位位置 TCR 必需 主要是线性短肽 8-12个氨基酸(CD8+T细胞) 12-17个氨基酸(CD4+T细胞) 线性表位 抗原分子任意部位 BCR 无需 天然多肽、多糖、脂多糖、有机化合物 5-15个氨基酸，或5-7个单糖、核苷酸 构象表位或线性表位 抗原分子表面       3．影响抗原特异性的因素  抗原表位的性质、数目、位置和空间构象决定着抗原表位的特异性（表3-2和表3-3）。 表3-2  化学基团的性质对抗原表位特异性的影响 半抗原 反应强度 氨苯磺酸 ＋＋＋ 氨苯砷酸 ＋ 氨苯甲酸   ＋/       反应强度是指针对氨苯磺酸的免疫血清与不同半抗原的反应强度 表3-3  化学基团的位置对抗原表位特异性的影响 半抗原 反应强度 间位氨苯磺酸 ＋＋＋ 对位氨苯磺酸 ＋/ 邻位氨苯磺酸   ＋＋       反应强度是指针对间位氨苯磺酸的免疫血清与不同半抗原的反应强度 4．表位－载体作用  在人工抗原中，表位（半抗原）为简单的有机化学分子，与蛋白质载体偶联后，可诱导出抗半抗原抗体。在免疫应答中，B细胞识别半抗原，并提呈载体中的抗原表位给CD4＋ T细胞，Th细胞识别载体表位，这样载体就可把特异T细胞和B细胞连接起来（T－B桥联），T细胞才能激活B细胞。 5．共同抗原表位与交叉反应  不同抗原之间含有的相同或相似的抗原表位，称为共同抗原表位（common epitope）, 抗体或致敏淋巴细胞对具有相同和相似表位的不同抗原的反应，称为交叉反应（cross-reaction）。 第二节  影响抗原诱导免疫应答的因素 有多种因素影响机体对抗原免疫应答的类型及强度，但主要取决于抗原物质本身的性质及其与机体的相互作用。影响抗原诱导免疫应答的因素可概述为以下三个方面。 一、抗原分子的理化性质 1．化学性质  天然抗原多为大分子有机物。一般蛋白质是良好的抗原。糖蛋白、脂蛋白和多糖类、脂多糖都有免疫原性。脂类和哺乳动物的细胞核成分如DNA、组蛋白一般难以诱导免疫应答。但细胞在某些状态下如肿瘤或过活化时，其染色质、DNA和组蛋白都具有免疫原性，能诱导相应的自身抗体生成。 2．分子量大小  抗原的分子量一般在10千道尔顿（kD）以上，一般来说，抗原的分子量越大，含有抗原表位越多，结构越复杂，免疫原性越强。大于100kD的为强抗原，小于10kD的通常免疫原性较弱，甚至无免疫原性。 3．结构的复杂性  分子量大小并非决定免疫原性的绝对因素。明胶分子量为100kD，但免疫原性却很弱，原因在于明胶是由直链氨基酸组成，缺乏含苯环的氨基酸，稳定性差。如在明胶分子中接上2％的酪氨酸后，其免疫原性大大增强。胰岛素分子量仅5.7kD，但其序列中含芳香族氨基酸，其免疫原性较强。 4．分子构象（conformation）  某些抗原分子在天然状态下可诱生特异性抗体，但经变性改变构象后，却失去了诱生同样抗体的能力。这是由于其构象表位改变的缘故。因此，抗原分子的空间构象很大程度上影响抗原的免疫原性。 5．易接近性（accessibility）  是指抗原表位能否被淋巴细胞抗原受体所接近的程度。抗原分子中氨基酸残基所处侧链位置的不同可影响抗原与淋巴细胞抗原受体的结合, 从而影响抗原的免疫原性。如图3－2所示，氨基酸残基在侧链的位置不同（A与B相比），其免疫原性也不同；B与C相比，因侧链间距不同，使BCR可接近性不同，故免疫原性也不同。 6．物理状态  一般聚合状态的蛋白质较其单体有更强的免疫原性；颗粒性抗原的免疫原性强于可溶性抗原。因此常将免疫原性弱的物质吸附在某些大颗粒表面，可增强其免疫原性。 二、宿主方面的因素 1．遗传因素  机体对抗原的应答是受遗传（基因）控制的。研究发现，不同遗传背景的小鼠对特定抗原的应答能力不同，对某一抗原呈高反应的小鼠品系对其他抗原可能呈低反应性。不同遗传背景的豚鼠对白喉杆菌的抵抗力各异，且有遗传性。多糖抗原对人和小鼠具有免疫原性，而对豚鼠则无免疫原性。个体遗传基因不同，对同一抗原的免疫应答与否及应答的程度不同。在诸多遗传因素中，MHC是控制个体免疫应答质和量的关键因素。 2．年龄、性别与健康状态  一般说青壮年动物比幼年和老年动物对抗原的免疫应答强；新生动物或婴儿对多糖类抗原不应答，故易引起细菌感染。雌性比雄性动物抗体生成高，但怀孕动物的应答能力受到显著抑制。感染或免疫抑制剂都能干扰和抑制机体对抗原的应答。 三、抗原进入机体方式的影响 抗原进入机体的数量、途径、次数、两次免疫间的间隔时间以及免疫佐剂的应用和佐剂类型等都明显影响机体对抗原的应答。一般而言抗原剂量要适中，太低和太高则可诱导免疫耐受。免疫途径以皮内免疫最佳，皮下免疫次之，腹腔注射和静脉注射免疫效果相对较差，口服易诱导耐受。注射间隔时间要适当，次数不要太频。要选择好免疫佐剂，弗氏佐剂主要诱导IgG类抗体产生，明矾佐剂易诱导IgE类抗体产生。 第三节  抗原的种类 抗原的种类繁多，可以从不同的角度对抗原进行分类。 一、根据诱生抗体时需否Th细胞参与分类 1．胸腺依赖性抗原（thymus dependent antigen, TD-Ag） 此类抗原刺激B细胞产生抗体时依赖于T细胞辅助，故又称T细胞依赖抗原。绝大多数蛋白质抗原如如病原微生物、血细胞、血清蛋白等均属TD-Ag。先天性胸腺缺陷和后天性T细胞功能缺陷的个体，TD-Ag诱导机体产生抗体的能力明显低下。 表3-4 TD-Ag与TI-Ag的特性比较 2．胸腺非依赖性抗原（thynus independent antigen,TI-Ag） 与TD-Ag不同，该类抗原刺激机体产生抗体时无需T细胞的辅助，又称T细胞非依赖性抗原。TI-Ag可分为TI-1 Ag和TI-2 Ag。TI-1 Ag具有B细胞多克隆激活作用，如细菌脂多糖（LPS）等，成熟或未成熟B细胞均可对其产生应答；TI-2 Ag如肺炎球菌荚膜多糖、聚合鞭毛素等，其表面含多个重复B表位，仅能刺激成熟B细胞。婴儿和新生动物B细胞发育不成熟，故对TI-2 Ag不应答或低应答，但对TI-1 Ag仍能应答。TD-Ag与TI-Ag的区别详见表3-4。 二、根据抗原与机体的亲缘关系分类 1．异嗜性抗原（heterophilic antigen）  为一类与种属无关，存在于人、动物及微生物之间的共同抗原。异嗜性抗原最初是由Forssman发现，故又名Forssman抗原。例如，溶血性链球菌的表面成分与人肾小球基底膜及心肌组织具有共同抗原存在，故在链球菌感染后，其刺激机体产生的抗体可与具有共同抗原的心、肾组织发生交叉反应，导致肾小球肾炎或心肌炎；大肠杆菌O14型脂多糖与人结肠黏膜有共同抗原存在，有可能导致溃疡性结肠炎的发生。 2．异种抗原（xenogenic antigen）  指来自于另一物种的抗原性物质，如病原微生物及其产物、植物蛋白、用于治疗目的的动物抗血清及异种器官移植物等，对人而言均为异种抗原。微生物的结构虽然简单，但其化学组成却相当复杂，都有较强的免疫原性。临床上治疗用的动物免疫血清，如马血清抗毒素有其两重性：一是特异性抗体，有中和毒素的作用；另外它也是异种抗原，可刺激机体产生抗马血清抗体，反复使用可导致超敏反应的发生。 3．同种异型抗原（allogenic antigen）  指同一种属不同个体间所存在的抗原,亦称同种抗原或同种异体抗原。常见的人类同种异型抗原有血型（ 红细胞）抗原和组织相容性抗原（人主要为HLA）。血型抗原有40余种抗原系统，常见的有ABO系统和Rh系统。HLA是人体最为复杂的同种异型抗原。 4．自身抗原（autoantigen）  在正常情况下，机体对自身组织细胞不会产生免疫应答，即自身耐受。但是在感染、外伤、服用某些药物等影响下，使隔离抗原释放，或改变和修饰了的自身组织细胞，可诱发机体免疫系统对其发生免疫应答，这些可诱导特异性免疫应答的自身成分称为自身抗原。 5．独特型抗原（idiotypic antigen）  TCR、BCR或Ig的V区所具有的独特的氨基酸顺序和空间构型，可诱导自体产生相应的特异性抗体，这些独特的氨基酸序列所组成的抗原表位称为独特型（idiotype, Id），Id所诱生的抗体（即抗抗体，或称Ab2）称抗独特型抗体（AId）。因此能以Ab1→Ab2→Ab3→Ab4…的形式进行下去，从而形成复杂的免疫网络，可调节免疫应答（详见第十六章）。 三、根据抗原是否在抗原提呈细胞内合成分类 1．内源性抗原（endogenous antigen)  指在抗原提呈细胞内新合成的抗原，如病毒感染细胞合成的病毒蛋白、肿瘤细胞内合成的肿瘤抗原等。此类抗原在细胞内加工处理为抗原短肽，与MHC-Ⅰ类分子结合成复合物，可被CD8+T细胞的TCR识别。 2．外源性抗原（exogenous antigen)  指并非由抗原提呈细胞（APC）合成，而是来源于APC外的抗原。抗原提呈细胞可通过胞噬、胞饮和受体介导的内吞等作用摄取外源性抗原（如吞噬的细胞或细菌等），经加工为抗原短肽后，与MHC-Ⅱ类分子结合为复合物，可被CD4+T细胞的TCR所识别。 四、其他分类 除了上述常见的抗原分类外，还可根据抗原的产生方式的不同，将其分为天然抗原和人工抗原；根据其物理性状的不同，分为颗粒性抗原和可溶性抗原；根据抗原的化学性质，可分为蛋白质抗原、多糖抗原及多肽抗原等；根据抗原诱导不同的免疫应答，可分为移植抗原、肿瘤抗原、变应原、过敏原及耐受原等。 第四节  非特异性免疫刺激剂 一、超抗原 通常，普通蛋白质抗原可激活机体总T细胞库中万分之一至百万分之一的T细胞。然而，某些抗原物质，只需要极低浓度（1~10ng/ml）即可激活2％~20％T细胞克隆，产生极强的免疫应答，这类抗原称之为超抗原（superantigen,SAg），其主要特性如表3-5所示。与普通蛋白质抗原不同，SAg的一端可直接与TCR的Vβ链CDR3外侧区域结合，以完整蛋白的形式激活T细胞，另一端则与抗原提呈细胞表面的MHCⅡ类分子的抗原结合槽（cleft）外部结合，因而SAg不涉及Vβ的CDR3及TCRα的识别，也不受MHC的限制。SAg所诱导的T细胞应答，其效应并非针对超抗原本身，而是通过分泌大量的细胞因子而参与某些病理生理过程的发生与发展。因此，超抗原实际为一类多克隆激活剂。 SAg主要有外源性超抗原和内源性超抗原两类。前者如金黄色葡萄球菌肠毒素A~E(staphylococcus enterotoxin A~E, SEA~SEE)；后者如小鼠乳腺肿瘤病毒蛋白，它表达在细胞表面，作为次要淋巴细胞刺激抗原（minor lymphocyte stimulating antigen, mls）,刺激T细胞增殖（图3-3）。近年亦发现有作用于TCRγδ+T细胞的超抗原如热休克蛋白（heat shock protein，HSP），以及和B细胞超抗原如金黄色葡萄球菌蛋白A(staphylococcus protein A，SPA)和人类免疫缺陷病毒（human immumodeficency virus，HIV）gp120。它们活化γδ+T细胞和B细胞的机制目前尚不完全清楚。 3-5  超抗原与普通抗原的比较   超抗原 普通抗原 化学性质 细菌外毒素、逆转录病毒蛋白等 普通蛋白质、多糖等 MHC结合部位 非多态区 多态区肽结合槽 TCR结合部位 V V、J及V、D、J MHC限制性 + 应答特点 直接刺激T细胞 APC处理后被T细胞识别 反应细胞 CD4+T细胞 T、B细胞 T细胞反应频率 1/20~1/5 1/106~104       二、佐剂 预先或与抗原同时注入体内，可增强机体对该抗原的免疫应答或改变免疫应答类型的非特异性免疫增强性物质，称为佐剂（adjuvant）。佐剂的种类很多：生物性的如卡介苗（BCG）、短小棒状杆菌（CP）、脂多糖（LPS）和细胞因子（如GM-CSF）；无机化合物如氢氧化铝[Al(OH)3]；人工合成的双链多聚肌苷酸如胞苷酸（poly I:C）和双链多聚腺苷酸：尿苷酸（poly A:U）；矿物油等。近来用脂质体、免疫刺激复合物（ISCOMs）以及含CpC脱氧寡核苷酸用作佐剂。其中弗氏完全佐剂（Freund's complete adjuvant, CFA）和弗氏不完全佐剂（Freund's incomplete adjuvant, IFA）是目前动物试验中最常用的佐剂。CFA含有灭活的结核杆菌和矿物油，可协助抗原刺激机体产生体液和细胞免疫应答； IFA仅含矿物油成分，仅可协助抗原刺激机体产生抗体应答。 佐剂作用的主要机制有：①改变抗原物理性状，延缓抗原降解和排除，延长抗原在体内潴留时间；②刺激单核－巨噬细胞系统，增强其对抗原的处理和提呈能力；③刺激淋巴细胞的增殖分化，从而增强和扩大免疫应答的能力。 由于佐剂具有增强免疫应答的作用，故其应用很广。佐剂的主要用途包括：①增强特异性免疫应答，用于预防接种及制备动物抗血清；②作为非特异性免疫增强剂，用于抗肿瘤与抗感染的辅助治疗。近年来，临床上用作非特异免疫增强剂的有HSP、ISCOM、IFA等。 三、丝裂原 丝裂原（mitogen）亦称有丝分裂原，因可致细胞发生有丝分裂而得名。由于其与淋巴细胞表面的相应受体结合，刺激静止淋巴细胞转化为淋巴母细胞和有丝分裂，激活某一类淋巴细胞的全部克隆，因而被认为是一种非特异性的淋巴细胞多克隆激活剂。 T细胞、B淋巴细胞表面表达多种丝裂原受体（表3-6），均可对丝裂原刺激产生增殖反应，被广泛应用于在体外机体免疫功能的检测。 表3-6  作用于人和小鼠T、B淋巴细胞的丝裂原   人 小鼠   T细胞 B细胞 T细胞 B细胞 ConA（刀豆蛋白A） + － + － PHA（植物血凝素） + － + － PWM（商陆丝裂原） + + + － LPS（脂多糖） － － － + SPA(葡萄球菌蛋白A) － + － －