免疫学-抗原

第二章 抗原授课要点：理解并熟悉抗原的概念、性质 、特征； 掌握疫苗的概念、应用现状及前景 第一节 抗原 1.基本概念 抗原是一类能刺激机体免疫系统，使之产生特异性免疫应答，并能与相应免疫应答效应物在体内体外发生特异性结合的物质，也称作免疫原。 抗原的前一种性质称为免疫原性，后一种性质称为免疫反应性(反应原性)。同时具备这两种性质的抗原称为完全抗原；只有免疫反应性而无免疫原性的抗原称为半抗原。,2.抗原必须具备的性质 抗原性物质必须具备异物性、一定的理化性质和完整性。2.1 异物性. 那些化学结构与机体自身成分相异或机体的免疫系统以往未曾接触过的物质，可称之为异物。具有异物性的物质有以下几类：异种物质 异种蛋白、微生物细胞及其代谢产物对人而言是异种物质，均为良好的抗原。同种异体物质 高等动物同种不同个体之间，由于遗传基因的差异，其组织成分的化学结构也有差异，因而同种异体物质也可以成为抗原物质，如人类红细胞(ABO)血型物质和人类的白细胞抗原(HLA)都属于此类。自身抗原物质 自身组织成分在某些异常情况下也,会成为抗原性物质，如隐蔽的自我成分(晶状体蛋白、甲状腺蛋白、精子等)。正常情况下这些自身成分始终有屏障将之与免疫系统隔离，但若因外力等破坏该屏障而使之接触免疫活性细胞时，其即可转变成抗原性物质而引起自身免疫反应。2.2 一定的理化性质2.2.1 大分子胶体 作为抗原性物质，其分子量一般须大于10Kd。大多数蛋白质是大分子胶体物质，且具有复杂的化学结构，因而成为良好的抗原。若将蛋白质水解成胨、氨基酸后即可能失去或减弱其抗原性。一般小于5Kd的肽类并无抗原性。2.2.2 一定的化学组成与结构 大分子物质并非都具有抗原性，如明胶(分子量,可达100Kd以上)，其免疫原性很弱。含有芳香族氨基酸(尤其是酪氨酸)的蛋白质其抗原性较强。多糖的抗原性由其组成中单糖数目和类型所决定，杂多糖抗原性强于纯多糖。核酸的抗原性较弱；脂类一般无抗原性。2.2.3 分子构象及易接近性 抗原分子中的某些特殊化学基团的三维构象决定着该抗原分子能否与相应淋巴细胞表面受体互相吻合，从而是否启动免疫应答。另外，抗原分子的特殊化学基团与相应淋巴细胞表面受体相互接触的难易程度也影响着其抗原性。如人工合成的多聚丙氨酸、多聚赖氨酸复合物，其分子量超过10Kd，但仍缺乏抗原性；而若将酪氨酸、谷氨酸残基连接于多聚丙氨酸外侧，则其即表现出较强的抗原性(连接于内侧时其抗原性并未增强)。,2.2.4 一定的物理性状 一般具有环状结构蛋白质比呈直链分子状的抗原性强；聚合态分子较单体状分子的抗原性强；颗粒状较可溶性分子的抗原性强。3. 完整性 抗原物质通常需经非消化道途径进入机体(注入、吸入、伤口)，并接触到免疫活性细胞后才能表现出其良好的免疫原性。若经消化道时则可能会被消化酶水解而破坏其抗原决定簇和载体，此时会表现出丧失其免疫原性(除非在肠壁通透性较高的情况下如新生儿、烧伤、原子损伤等才具有免疫原性)。3. 抗原特异性 抗原决定簇(Antigen determinant，AD),存在于抗原表面的特殊基团，又称为表位(epitope).抗原物,质通过决定簇与相应淋巴细胞表面受体结合，从而激活淋巴细胞并引发免疫应答。一个抗原分子可以具有一种或多种不同的抗原决定簇，而每种抗原决定簇只具有一种抗原特异性。位于抗原表面的决定簇容易被相应淋巴细胞所识别，即具备易接近性，易启动免疫应答。这种决定簇可称为有功能的抗原决定簇；另一些决定簇存在于抗原分子内部/侧，不易(接触相应淋巴细胞)引发免疫应答，这种决定簇称为隐蔽抗原决定簇。一个抗原分子上能与抗体结合的抗原决定簇的总数称为抗原结合价。有些半抗原只能与抗体分子中一个结合位点结合，这种抗原称为单价抗原；而大多数天然抗原分子十分复杂，其分子表面带有多个相同和不同的抗原决定簇，所以是多价抗原，如卵白蛋白分子表面有10个AD，甲状腺球蛋白表面有40个AD。,4.侵染性抗原（抗传染免疫）4.1 抗细菌免疫细菌能粘附于易感宿主细胞表面，这是其侵入机体引起感染致病的重要起始步骤。粘附需要具备两个基本条件：一是具备有粘附素。典型的粘附素是存在于细菌细胞表面的蛋白质，包括菌毛和非菌毛粘附素。二是具备有粘附受体。如动物上皮细胞的D甘露糖（针对沙门氏菌、志贺氏菌、大肠杆菌.等的型菌毛），人的上皮细胞白蛋白或类似物（针对G菌）等等。细菌性感染从发病机制上有三个类型：外毒素血症、胞外菌感染和胞内菌感染。4.1.1外毒素感染多数外毒素是由两种亚单位组成（A、B），其中,的A亚单位具有活性成分，可在B亚单位协助下进入靶细胞而发挥其毒性及其他活性作用；它决定着毒素的致病特点和方式。B亚单位的抗原性强，可与宿主易感细胞膜上特异性受体结合，其决定着毒素对机体细胞的选择亲和性，但无毒性作用。各亚单位单独对机体或组织细胞均无致病性；所以毒素结构的完整性是其致病的必备条件。根据外毒素对宿主细胞的亲和性和作用方式，可将其分为四个类型，即肠毒素、细胞毒素、神经毒素和溶细胞毒素。肠毒素可引起胃肠道各种炎症、呕吐、水样腹泻、出血性腹泻等局部或全身性症状。例如，霍乱肠毒素可激活小肠粘膜上皮细胞内的腺苷环化酶，超量合成cAMP，造成靶细胞生理功能紊乱而引起腹泻；志贺毒素可直接损伤肠粘膜上皮细胞，引起肠粘膜组织炎症、溃疡、坏死、出血等；葡萄球菌肠毒素随食,物进入胃肠道，再吸收入血，到达中枢神经系统，刺激呕吐中枢，导致以呕吐为主要症状的食物中毒。细胞毒素通过作用于靶细胞的某种酶或细胞器，致使细胞功能异常而死亡，引起相应组织器官炎症和坏死等。如白喉毒素对呼吸道粘膜上皮细胞、外周神经末梢、心肌细胞等有亲和性，通过抑制靶细胞蛋白质的合成，导致假膜形成、外周神经麻痹和心肌炎等。溶细胞毒素利用膜损伤机制导致细胞裂解，可攻击各种器官组织细胞，使宿主出现诸如贫血、白细胞减少、毛细血管出血、皮肤坏死、化脓性炎症、心肌坏死等症状。神经毒素主要作用于中枢神经系统和（或）外周神经，通过抑制神经元释放神经介质，引起神经传导,功能异常，导致神经肌肉麻痹或神经持续兴奋与骨骼肌痉挛。例如，肉毒毒素能阻断胆碱能神经末梢释放乙酰胆碱，使眼和咽肌等麻痹，引起眼睑下垂、复视、斜视、吞咽困难等，严重者可因呼吸麻痹而死。4.1.2胞外菌感染胞外菌寄居在宿主细胞外的组织间隙和血液、淋巴液、组织液等体液中。大多数致病菌属胞外菌，主要有葡萄球菌、链球菌、肺炎链球菌、脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌、志贺菌、霍乱弧菌、白喉棒状杆菌、破伤风梭菌、流感嗜血杆菌和铜绿假单胞菌等。胞外菌感染多为急性感染；针对这种感染的免疫机制一般是以体液免疫和吞噬细胞作用为主。如化脓性细菌在局部侵入机体时，中性粒细胞受趋化因子作用首先从毛细血管壁大量逸出，并开始吞噬细菌；通,常这里无需特异性免疫细胞介入即可杀死细菌，故常呈急性过程。期间，溶酶体可被释放到胞外，或在粒细胞死亡后释放出组织蛋白酶、中性蛋白酶等，从而引起局部组织死亡和炎症。有些胞外菌与人体某些细胞组织存在着交叉抗原，这些致病菌诱生的抗体有可能与这些细胞组织发生型和（或）超敏反应，造成组织损伤而致病。最具代表性的疾病是A群链球菌感染后的风湿热和肾小球肾炎。幽门螺杆菌感染后也存在自身抗体，与胃粘膜发生交叉免疫反应，诱发胃炎和胃溃疡。4.1.3胞内菌感染胞内菌可分为兼性和专性两类。兼性胞内菌在宿主体内，主要寄居在细胞内生长繁殖；在体外，亦可在无活细胞的适宜环境中生存和繁殖。专性胞内菌则不论在宿主体内或体外，都只能在活细胞内生长,繁殖。对医学重要的兼性胞内菌有结核分枝杆菌、麻风分枝杆菌、伤寒沙门菌、布氏菌、嗜肺军团菌、产单核细胞李氏菌等。立克次体、柯克斯体、衣原体等属于专性胞内菌。胞内菌感染的特点除胞内寄生外，尚有低细胞毒性，潜伏期较长，病程缓慢，主要通过病理性免疫损伤而致病等。持续的抗原刺激可形成胞内菌感染常有的肉芽肿病变特征。肉芽肿既可阻挡致病菌的扩散，亦对宿主局部造成一定的病理损伤，最具代表性的疾病是结核分枝杆菌引起的肺结核。由于特异性抗体不能进入胞内菌寄居的吞噬细胞内并与之作用，故体液免疫对胞内菌感染作用不大，主要靠以T细胞为主的细胞免疫。,4.2 抗真菌免疫许多真菌对人类是有益的，只有少数真菌可致人类病害。病原性真菌并非以产真菌毒素致人类病害，其致病机理尚不十分清楚。依其致病部位可大致分为浅部真菌感染和深部真菌感染。4.2.1浅部真菌感染 这类真菌具有嗜角质特性，常侵入含有角质的皮肤表层、毛发和指（趾）甲，在局部生长繁殖；其可产生机械刺激作用以及繁殖过程中产生的酶和酸性产物可引起炎症反应和细胞组织的病变。它们一般不侵犯皮下深,层组织或内脏。浅表真菌包括毛癣菌属、小孢子菌属、表皮癣菌属等，统称为皮肤丝状菌。 须癣毛癣菌纯培养须癣毛癣菌感染部位皮屑标本直接镜检 紫色毛癣菌纯培养,4.2.2 深部真菌感染 此类真菌可侵害皮下组织、内脏等，大多不具嗜角质性，但往往可引起慢性炎症，产生慢性肉芽肿样病变，或导致溃疡和坏死。常见的有新生隐球菌、组织胞 白念珠菌纯培养浆菌、白色念珠菌等。如，新生隐球菌为条件致病菌，感染多为亚急性或慢性，常侵犯中枢神经系统、肺、骨髓、淋巴结等部位。 念珠菌性肉芽肿(granuloma),新生隐球菌环状肉芽肿慢性皮肤粘膜念珠菌病肉芽肿型,2.3 抗病毒感染 病毒具有较强的免疫原性，其在复制过程中产生的一些结构或非结构蛋白也具有免疫原性，都能刺激机体产生免疫应答(如HBsAg、HBcAg和HBeAg)。依据病毒的特性，其对宿主的感染可分为三个类型，即杀细胞感染、稳定状态感染和整合性感染。 无包膜病毒(如脊灰病毒等肠道病毒)感染时，其抗原并不表达于宿主细胞表面，不能形成靶细胞，所以T-细胞不能识别，也不能杀伤受感细胞。在清除、限制病毒扩散和抵抗病毒再次感染时是以体液免疫为主。若机体体液免疫缺陷时，此类病毒感染往往严重。 有包膜病毒(如流感病毒、麻疹病毒、EB病毒、HBV等)感染时，病毒抗原可在受感细胞表面表达，可以形成靶细胞并被免疫细胞识别；所以可被T-细胞和抗体攻击。对此类病毒免疫时，除体液免疫外，细胞免疫也起着重要作用。若机体细胞免疫缺陷时，此类,病毒感染往往严重。5.疫苗 疫苗是一种特殊的药物，属于生物制品。 生物制品是用微生物细胞或其毒素、酶的提取成分，人或动物血清、细胞等制备的供预防、治疗和诊断用的各种制剂。用细菌制成的生物制品称为菌苗，用病毒、立克次氏体、螺旋体等制成的生物制品称为疫苗；习惯上将这两类统称为疫苗(广义)。 疫苗与一般药物有着明显不同，主要区别在于：一般药物主要用于患病人群，疫苗主要用于健康人群；一般药物因疾病分布不同而用于不同年龄段的患者，疫苗主要用于婴幼儿和儿童；一般药物主要用于治疗疾病或减轻症状，而疫苗主要通过免疫机制使健康人预防疾病；一般药物包括天然药物、化学合成药物、生物制品等不同类型，疫苗均为生物制品；人类可以通过一般药物减轻病痛，但只有通过,疫苗免疫接种才能彻底控制和消灭某种传染病。疫苗的现代定义：一切通过注射功粘膜途径接种，可以诱发机体产生针对特定致病原的特异性抗体或细胞免疫，从而使机体获得保护或消灭致病原能力的生物制品统称为疫苗，包括蛋白质、多糖、核酸、活性载体或感染因子等。疫苗的基本成分：抗原、佐剂、防腐剂、稳定剂、灭活剂及其他成分。抗原是疫苗最主要的有效活性成分，它决定着疫苗的特异免疫原性。可用作抗原的生物活性物质有灭活病毒或细菌、活病毒或细菌通过实验室多次传代获得的减毒株、病毒或菌体提纯物、有效蛋白成分、类毒素、细菌多糖、合成多肽以及核酸等。佐剂是掺入疫苗制剂后能促进、延长或增强对疫苗抗原特异性免疫应答的物质，其本身是无毒安全的（如常用的铝佐剂、油制佐剂）。稳定剂可保证作为抗原的病毒或其他微生物存活,并保持免疫原性（如乳糖、明胶、山梨醇等）。灭活剂用于灭活病毒或细菌抗原，对人类有一定毒害（如丙酮、甲醛、酚），因此在灭活抗原后须及时从疫苗中去除。5.1传统疫苗5.1.1灭活疫苗用理化方法将病原体杀死（仍保留其免疫原性）而制备的制剂称为灭活疫苗。灭活疫苗进入机体后不能生长繁殖，对人体免疫作用弱。若要获得较强而持久的免疫力，则须多次接种且用量大。灭活疫苗稳定，易保存，且无毒力回复突变的危险。常用的灭活疫苗有伤寒、副伤寒、百日咳、霍乱、乙脑和狂犬病疫苗。5.1.2活疫苗用人工变异或直接从自然界筛选出的毒力高度减弱或基本无毒的活病原体制成的制剂称为减毒活疫苗。活疫苗进入机体后仍可生长繁殖，通常只需接种一次且用量少，产生的反应有如轻微感染。但是,减毒活疫苗稳定性差，不易保存，且有毒力回复突变的可能。常用的减毒活疫苗有卡介苗、脊灰疫苗、麻疹疫苗、流行腮腺炎疫苗等。5.1.3类毒素用0.30.4%甲醛处理外毒素，使其毒性失活但保留其免疫原性后所获得的外毒素称为类毒素。类毒素最初来自对白喉病的防治研究。（1884年,Klebs在白喉患者假膜中发现了棒状杆菌；1884年，Loffler获得了纯培养；1886年，Beehring用该纯培养免疫绵羊和山羊，获得了抗血清并用于治疗白喉病患者，首获成功；1909年，Smith发明了灭活白喉毒素的方法；1923年，Ramon等用稀甲醛处理白喉毒素获得类毒素，这成为白喉预防史上划时代的预防制剂，并在各国推广。1904年，Holt用磷酸铝吸附精制类毒素，降低了接种反应。目前，精制白喉类毒素和用铝佐剂吸附的精制白喉类毒素在全世界各国广泛使用）,5.2新型疫苗 5.2.1 亚单位疫苗和化学合成疫苗 用病原体有效抗原成分制成的疫苗称为亚单位疫苗。目前已用于临床的亚单位疫苗包括腺病毒衣壳亚单位疫苗，流感病毒血凝素和神经氨酸酶亚单位疫苗，麻疹病毒亚单位疫苗，HBV表面抗原亚单位疫苗，霍乱毒素B亚单位疫苗。 用能诱导保护性免疫的人工合成肽结合于载体上，再加入佐剂制成的疫苗称为化学合成疫苗。如HBsAg的各种合成类似物，人工合成白喉杆菌的14个氨基酸肽，流感病毒血凝素的18个氨基酸肽。 5.2.2 基因工程疫苗(重组疫苗) 将天然或人工合成的编码有效抗原成分的DNA片段插入适当载体以构成重组DNA，再将其导入宿主细胞，目的基因随重组DNA复制而得以复制，并随宿主细胞的分裂而扩增。这样可以使目的基因表达大量有效抗原成分，由此制备的疫苗称为基因工程疫苗。,5.2.3 DNA疫苗 核酸疫苗是20世纪90年代起来的一种新型疫苗，包括DNA疫苗和RNA疫苗。这类疫苗由能引起机体保护性免疫应答的病原体抗原编码基因和载体组成，将其直接导入机体细胞后并不与宿主细胞整合，而是通过宿主细胞的转录系统表达蛋白质抗原，诱导宿主产生细胞免疫和体液免疫应答，从而达到预防和治疗疾病的目的。编码目的抗原基因是机体预防和阻止细菌、病毒、寄生虫等病原体感染的保护性抗原以及肿瘤等相关抗原蛋白的基因，它是DNA疫苗诱导机体产生特异性免疫应答的关键，可以是针对某一种抗原的单基因片段或基因的cDNA，也可以是一组基因、多个基因或嵌合型基因。表达载体是DNA疫苗的主体，目的基因必须克隆到载体上才能进行转移和表达。DNA疫苗载体本质上是一种细菌质粒，但为了使抗原基因能够在真核的哺乳动物细胞中获得