Антигену желательно иметь стабильную и достаточно жесткую трехмерную структуру. Гибкие и «разболтанные» молекулы, а среди белков такие встречаются, на эту роль не годятся. Аминокислоты, которые распознает В-клеточный рецептор (антитело), могут находиться рядом или в разных участках белка. Последовательно расположенные аминокислоты образуют линейный антиген. Если же аминокислоты в белковой последовательности расположены далеко друг от друга, но сближаются, когда белок сворачивается и принимает активную форму (третичная структура), то они формируют конформационный антиген.
Чувствительность к конформационным антигенам – отличительная черта именно гуморального (В-клеточного) иммунитета. Т-клетки по причинам, о которых мы поговорим дальше, способны распознавать только линейные антигены. Таким образом, В-клетки могут реагировать на антигены, невидимые для Т-клеточного ответа.
У одной чужеродной молекулы может быть несколько эпитопов, потенциально распознаваемых иммунной системой, а на поверхности каждого вируса (не говоря уже о бактерии) таких молекул десятки и сотни. Поэтому к одному чужеродному агенту в организме могут вырабатываться десятки и даже сотни антител, распознающих разные эпитопы его белков. Однако не все они одинаково эффективно связываются со своими антигенами и препятствуют развитию инфекции. По этому признаку антитела можно разделить на нейтрализующие – блокирующие инфекционные агенты или их токсины (как в случае с дифтерией) и предотвращающие развитие заболевания – и связывающие, которые, хотя и садятся на чужеродный агент, не способны полностью подавить его активность. Об этом различии, о его значении для развития реальных инфекций, а также о разработке вакцин мы подробнее поговорим в главе, посвященной коронавирусной инфекции.
Глава 16*ЕЩЕ КОЕ-ЧТО ОБ АНТИТЕЛАХ
Кроме врожденного и приобретенного клеточного иммунитета у многоклеточных организмов существует древняя защитная система комплемента (именно так, через «е», – не путайте с «комплиментом»). Некоторые ее элементы обнаружены уже у первых беспозвоночных, а значит, появились около 500 млн лет назад.
У человека система комплемента представляет собой комплекс защитных белков, постоянно присутствующих в крови. Белки комплемента связываются с белками или углеводами на поверхности микробных клеток, которые отличаются по химическому составу от собственных клеток организма. Это запускает каскад сложных биохимических реакций и приводит к образованию так называемого мембраноатакующего комплекса, который образует в мембране канал, через который в клетку начинает поступать вода. В результате под действием осмотического давления клетка сначала разбухает, а потом разрывается и погибает. К сожалению, за миллионы лет эволюции многие бактерии научились обходить эту систему, и сейчас древние пути активации комплемента уже не играют такой важной роли в защите нашего организма. Но, подобно тому как кистеперые рыбы напоминают нам о первых шагах позвоночных на суше, так и система комплемента является своего рода живым ископаемым, свидетельствующим о первых эволюционных шагах защитных сил нашего организма.
Впрочем, в организме все идет в дело, и позвоночные смогли встроить древнюю систему комплемента в «новомодную» систему гуморального иммунного ответа. Так, активация этого пути является одним из важных эффектов присоединения антител к поверхности микроорганизмов. Такая связка «система комплемента – антитела» работает гораздо эффективнее, чем древние способы активации комплемента, и служит одним из важных способов защиты от бактериальных инфекций у человека.
Долгие годы ученые были уверены, что антитела всех млекопитающих имеют одну и ту же структуру: две тяжелые цепи Н и две легкие цепи L. Однако в 1993 году группа бельгийских ученых обнаружила в крови представителей семейства верблюдовых (верблюдов, лам, викуний и альпак) антитела, строение которых заметно отличалось от классического. Они имеют уникальную структуру и состоят только из фрагмента одной укороченной тяжелой цепи, а легкие цепи у них вообще отсутствуют.
Такие антитела были названы HCAb (heavy chain antibody). Антигенраспознающий участок HCAb формируется лишь одним вариабельным доменом – VHH (variable domain of the heavy chain antibody). При этом VHH – полностью функциональная молекула, которая способна распознавать и связывать антиген ничуть не хуже, чем вариабельные домены обычных антител. При изоляции VHH-доменов (без константных цепей) они сохраняют способность связываться с антигенами так же, как и обычные антитела. Эти молекулы – самые крошечные из известных белков с аналогичными свойствами, их размер составляет всего 2×4 нм. По этой причине фрагмент HCAb называют наноантитело, нанотело или мини-антитело.
Малые размеры дают этим антителам целый ряд преимуществ. Они легко проникают внутрь органов и тканей, куда классическим антителам из-за их крупных размеров путь закрыт. Кроме того, благодаря структурным особенностям наноантитела способны распознавать в антигенах участки, недоступные классическим антителам.
С точки зрения биотехнологических перспектив важно отметить, что наноантитела более стабильны, чем обычные, при низких и высоких температурах и различных значениях pH. Их проще и экономичнее синтезировать в больших количествах, что важно при производстве лекарств. С ними легко производить разнообразные генно-инженерные манипуляции, к тому же из-за своего малого размера они практически не иммуногенны (не вызывают иммунного ответа в организме человека). Сейчас терапевтический потенциал наноантител исследуется во многих лабораториях по всему миру, включая Россию. На рынке уже появились первые препараты, разработанные на основе наноантител. Среди них, например, каплацизумаб для лечения редкой и опасной болезни крови – синдрома Мошковица, для которого характерна усиленная агрегация тромбоцитов, приводящая к множественному образованию тромбов и нарушению нормального кровообращения.
К сожалению, антительный иммунитет не лишен и некоторых побочных эффектов. Самым опасным, хотя, к счастью, достаточно редким является антителозависимое усиление инфекции (АЗУИ), при котором связывание вируса с не полностью нейтрализующими антителами усиливает его проникновение в клетки инфицируемого организма. Иногда при этом усиливается и репликация вируса.
Лучше всего АЗУИ изучено на примере вируса лихорадки Денге – опасного заболевания, распространенного во многих тропических странах. Как мы знаем, повторное заболевание обычно протекает легче первого (подробнее о механизмах этого явления мы поговорим в главе о вакцинации). Однако в случае Денге дело обстоит ровно наоборот: первое заболевание часто протекает легко, а второе и последующие – тяжело. Когда ученые занялись выяснением механизмов этого явления, оказалось, что в тропических странах распространено несколько серотипов (разновидностей) вируса и повторное заражение, с высокой вероятностью, происходит другим серотипом. Антитела, оставшиеся после первого случая, распознают его лишь «приблизительно», то есть из нейтрализующих они становятся связывающими. Так бывает и при других вирусных инфекциях, например при гриппе, – именно поэтому вакцину против него каждый год разрабатывают заново. Однако в случае с Денге ситуация осложняется тем, что связывающие антитела не только не помогают организму бороться с вирусом, но, напротив, облегчают ему атаку на иммунные клетки организма. Обычно фагоцитирование комплекса «вирус – антитело» сопровождается деградацией вируса, но в случае АЗУИ оно вызывает репликацию вируса внутри клеток фагоцитов (макрофагов, дендритных клеток) и ведет к их гибели. Таким образом, вирус «обманывает» процесс фагоцитоза и использует антитела хозяина в качестве «троянского коня», чтобы проникнуть внутрь иммунной клетки. В результате массовой гибели иммунных клеток, вызванной АЗУИ, вторая встреча с вирусом Денге протекает у больных тяжелее. Именно антителозависимое усиление является причиной того, что эффективная и безопасная вакцина против вируса Денге до сих пор не разработана и геморрагическая лихорадка остается настоящим бичом в тропических регионах.
Глава 17МОНОКЛОНАЛЬНЫЕ АНТИТЕЛА – «ВОЛШЕБНАЯ ПАЛОЧКА» СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
Ученый всегда стоит на перепутье: с одной стороны, все добытые им сведения – это его интеллектуальная собственность и, возможно, в будущем финансовый успех, с другой – достояние науки. Обмениваться данными или нет? Вот в чем вопрос.
Способность антител специфически связывать различные белки с самого начала казалась ученым весьма многообещающей. Однако все идеи о ее практическом использовании упирались в очень низкую продуктивность любого естественного способа производства этих молекул. Сколько антител способна произвести одна лабораторная мышь, да хотя бы и кролик?.. К тому же довольно быстро стало ясно то, о чем мы говорили в предыдущей главе: разные организмы и даже разные В-клетки одного и того же организма производят разные антитела к одному и тому же веществу. Тот же самый дифтерийный антитоксин – это не один иммуноглобулин, а множество белков, эффективность связывания которых с разными эпитопами дифтерийного токсина неодинакова.
С точки зрения медицинской практики это, возможно, было бы не очень важно. Но в науке во второй половине ХХ века утвердились определенные стандарты, подразумевающие использование «чистых веществ». В данном случае – «чистых антител», а еще точнее, идентичных, то есть моноклональных, антител, которые производились бы потомками (клонами) одной и той же В-клетки. Такие клетки можно было выделить из крови экспериментальных животных и искусственно размножать некоторое время – но, увы, недолго. Как и всяким нормальным клеткам, В-лимфоцитам присущ природный предел делений, называемый еще пределом Хейфлика[6]