外源性抗原的免疫应答过程

第三章　抗　原

学　习　目　标

1．抗原的免疫原性强弱是由哪些因素决定的?

2．简述完全抗原与半抗原的区别。

3．简述抗原的分类以及在医药学实践中的应用。

第一节　抗原的概念

一、抗原的概念

抗原(antigen，Ag)是指能诱导免疫系统发生免疫应答，并能与其产生的抗体或效应细胞在体内或体外发生特异性反应的物质。

二、抗原的特性

根据抗原的概念，抗原必须具备两种特性，即免疫原性和抗原性。

(一)免疫原性

抗原的免疫原性是指抗原分子能诱导免疫应答的特性。抗原的免疫原性与抗原分子的化学性质相关，更与机体的免疫应答特性相关。

(二)抗原性

抗原的抗原性是指抗原分子能与免疫应答产物，即抗体或效应T细胞发生特异反应的特性，称之为抗原的反应原性。抗原的抗原性主要决定于抗原分子的化学性质。如抗原为蛋白质分子，其抗原性可决定于其氨基酸序列或其空间构型。

第二节　影响抗原免疫原性的因素

抗原的免疫原性，首先决定于其自身的化学特性，但同一种抗原，对不同种动物或同种动物不同个体间其免疫原性强弱，可表现很大差异，因此一种抗原的免疫原性是由其化学性质和宿主因素决定的。具有免疫原性的物质称为免疫原。

一、免疫原性的化学基础

许多天然物质可诱导免疫应答，其中大分子蛋白质和多糖具有强免疫原性，小分子多肽及核酸也具有免疫原性。

(一)化学组成

大分子蛋白质是最强的免疫原。如异种血清蛋白、酶蛋白及细菌毒素等，是强的免疫原蛋白质分子。

多糖是重要的天然抗原，纯化多糖或糖蛋白、脂蛋白以及糖脂蛋白等复合物中的糖分子部分都具有免疫原性。在自然界，许多微生物有富含多糖的荚膜或胞壁，细菌内毒素是脂多糖，一些血型抗原也是多糖。

核酸分子多无免疫原性，但如与蛋白质结合形成为核蛋白则有免疫原性。在自身免疫病中，可诱导产生抗DNA或RNA的抗体。

(二)分子量

凡具有免疫原性的物质，其分子量都较大，一般在1万以上，小于1万者呈弱免疫原性，低于4 000者一般不具有免疫原性。许多小的免疫原性分子可激发细胞免疫，而不产生抗体。

(三)化学结构

在蛋白质分子中，凡含有大量芳香族氨基酸，尤其是含有酪氨酸的蛋白质，其免疫原性强;而以非芳香族氨基酸为主的蛋白质，其免疫原性较弱。蛋白质和多糖抗原，凡结构复杂者免疫原性强，反之则较弱。如明胶分子量可达10万，但因其为直链氨基酸结构，易在体内降解为低分子物质，所以呈弱免疫原性。胰岛素虽为小分子量(6K)但亦具有免疫原性，因其有9个芳香族氨基酸，可见免疫原性除与分子量有关外，还与其化学结构的复杂性相关。其复杂性是由氨基酸和单糖的类型及数量等决定的。如聚合体蛋白质分子较单体可溶性蛋白质分子的免疫原性强。

二、宿主因素

免疫原性物质进入机体后能否诱导产生免疫应答，除上述化学基础外，尚受宿主因素的影响，而且是更重要的因素。

(一)异物性

在免疫功能正常条件下，只对异物(即胚胎时期免疫细胞未接触过的物质)产生免疫应答，即对“非已”抗原产生免疫应答。这是由于免疫系统在个体发育过程中，对“自己”抗原不能识别，而对“非已”抗原则能够识别所致。因此抗原来源与宿主种系关系越远，其免疫原性也越强，如微生物抗原、异种血清蛋白等物质对人是强免疫原。反之种系关系较近，则免疫原性也弱，如鸭血清蛋白对鸡呈弱免疫原性，而对兔则表现为强免疫原性。

(二)宿主遗传性

在同种动物不同个体间抗感染的能力存在明显差异的事实，已充分证明个体遗传性对免疫应答的影响作用。

(三)免疫佐剂(adjuvant)

能增强机体对抗原的免疫应答或改变免疫应答类型的物质，称为佐剂。

免疫佐剂有:①微生物及其产物，常用的微生物有分枝杆菌、短小棒状杆菌以及革兰阴性杆菌的提取物脂多糖，自分枝杆菌的提取物质胞壁酰二肽等;②多聚核苷酸，如多聚肌苷酸:胞苷酸(polyI:C)等;③弗氏佐剂，这是目前最常用于动物实验的佐剂，它是将抗原水溶液与油剂(石蜡油或植物油)等量混合，再加乳化剂(羊毛脂或吐温80)制成油包水抗原乳剂，称之为不完全弗氏佐剂。如在不完全佐剂中加入分枝杆菌(如死卡介苗)则称为完全弗氏佐剂;④无机物，如明矾及氢氧化铝等。

佐剂的作用机制尚不完全清楚:①它可能增加抗原的表面面积，易为巨噬细胞所吞噬;②延长抗原在体内的存留期，增加与免疫细胞接触的机遇;③诱发抗原注射部位及其局部淋巴细胞增生和分化，从而增强和扩大免疫应答的效应。

第三节　抗原的特异性

抗原都具有特异性，这种特异性可表现在其免疫原性的特异性和反应原性的特异性两方面。例如伤寒杆菌诱导的免疫应答只能针对伤寒杆菌;志贺杆菌不能诱导出对伤寒杆菌的免疫力，与抗伤寒杆菌抗体也不发生反应。这就是传统免疫学进行免疫预防和免疫诊断的基本依据。

一、抗原表位

抗原的特异性与蛋白分子中的氨基酸种类、排列顺序、特殊基团和空间构型等因素有关，甚至与其电荷性质及亲水性也有关系。但是其特异性不是平均地决定于整个分子，而是取决于分子表面几个氨基酸残基组成的特殊序列及其空间结构，称为表位或抗原决定簇。正是这些表位被淋巴细胞识别而诱导免疫应答，被抗体分子识别而发生抗原－抗体反应，这是决定抗原特异性的基础。

将苯胺、对氨基苯甲酸、对氨基苯磺酸和对氨基苯砷酸等四种已知结构的半抗原分别以偶氮方式结合到大分子蛋白上，然后用这些结合物分别免疫动物，结果所产生的抗体能够精确地将上述结构相似的半抗原区别开来，四种抗体只与相应的抗原发生反应(表3－1)。

表3－1　不同酸基对半抗原与抗体反应特异性的影响

续表3－1

+:阳性反应;－:阴性反应

即使应用结构稍有差别的同一种物质，例如对位、邻位和间位的三种氨基苯甲酸作为半抗原，所产生的抗体也能将这些分子分出来(图3－1)。利用这种方法不仅可制备出针对许多小分子物质的抗体，甚至可制备出抗金属离子的抗体，而且大大地促进了对抗原性质的研究。

图3－1　基团相同构型不同对抗原特异性的影响

二、共同表位与交叉反应

抗原分子表面表位的数目称为抗原的结合价。实验证明，表位只有位于抗原分子的表面才能与淋巴细胞和抗体分子接触而发挥免疫效应。天然抗原多是多价抗原，半抗原多是单价抗原。

多数抗原分子上都存在多种表位。一般地说，不同的抗原物质具不同的表位，故各具特异性;但有时某一表位也会出现在不同的抗原上，称为共同表位，带有共同表位的抗原互称共同抗原。拥有共同抗原在自然界、尤其在微生物中是很常见的一种现象，存在于远缘不同种属中则称为异嗜性抗原。

由某一抗原诱导产生的抗体，也可以与其共同抗原结合，这种现象称为交叉反应。这种交叉反应可用来解释某些免疫病理现象，也可以用来诊断某些传染病。但是交叉反应总不如抗体与其诱导抗原之间的结合那么牢固;在与交叉抗体结合时只能部分地吻合，不能达到整个空间的完全相配。

第四节　抗原的分类及其在医药学实践中的应用

一、抗原的分类

(一)天然抗原

根据抗原性物质与机体的亲缘关系可分为“自己”(self)与“非已”(non－self)抗原。即与机体种系发生关系愈远，其遗传性差异越大，其免疫原性也愈强。

1．“自己”抗原　正常自身组织成分及体液组分处于免疫耐受状态，不能激发免疫应答，但如打破自身耐受，则可引起自身免疫应答;另一些自身组织成分虽具有免疫原性，但在正常情况下，由于组织屏障，不能进入血流，因此不能与免疫细胞接触，也不能激发免疫应答，称此种抗原为隐蔽性自身抗原，如脑组织、眼晶状体蛋白及精子等。一旦因外伤或手术等原因，可使此种抗原进入血流时，则可引起自身免疫应答。受病原微生物的感染或应用某些化学药物，可与自身组织蛋白结合，改变其分子结构，形成修饰的自身抗原，也能引起免疫应答。

2．“非已”抗原　来自异种动物的抗原物质称为异种抗原。如来自外部侵入人体的各种病原微生物及其产物的外毒素，注射的异种动物免疫血清，以及吸入和食入的异种蛋白，例如花粉和食物均属异种抗原。与人种属关系远的为强免疫原。

在同种动物不同个体间也存在各种组织成分抗原性的差异，称此种抗原为同种异型抗原。这种抗原受遗传支配，它可在遗传性不同的另一些个体内引起免疫应答，称之为异型免疫应答。如人血型抗原不同输血时可引起输血反应，组织相容性抗原或移植抗原型不同可引起移植排斥反应。

在不同种属动物组织间也可发现有共同抗原，称这种抗原为异嗜性抗原。Forssman首先发现这种抗原，故亦称之为Forssman抗原。即这种抗原无种属特异性，它可共同存于人、不同种动物与微生物之间，因此它与疾病的发病学和诊断有一定意义。

(二)人工抗原

用化学合成法或基因重组法制备含有已知化学结构决定簇的抗原，称之为人工抗原。它可包括人工结合抗原、人工合成抗原和基因重组抗原。无论对免疫学理论研究和分子疫苗的制备都具有重要意义。

1．人工结合抗原　将无免疫原性的简单化学基团与蛋白质载体偶联，或将无免疫原性的有机分子如二硝基苯或三硝基苯与蛋白质载体结合，形成载体－半抗原结合物，均属人工结合抗原。应用此种抗原证明了抗原与抗体特异结合的化学基础。

2．人工合成抗原　用化学方法将活化氨基酸聚合，使之成为合成多肽，只由一种氨基酸形成的聚合体称为同聚多肽，如由左旋赖氨酸形成的同聚多肽。由两种或两种以上氨基酸形成的聚合多肽称为共聚多肽，如由酪氨酸、谷氨酸与多聚丙氨酸和赖氨酸组成的聚合成多肽。应用这种人工合成多肽可研究氨基酸种类、序列与蛋白质抗原性及免疫原性的关系，也可研究机体遗传性与免疫性的关系。

对天然蛋白质抗原性的研究证明，任何一个氨基酸片段，只要具有合适的构型，都有抗原性，甚至一小段合成的小肽与合适的载体相联接，也能诱导产生抗体，并能与其天然分子构型相结合，这就提示，可根据天然蛋白质抗原的免疫原性片段进行氨基酸序列分析，或由其编码DNA推导的氨基酸序列，进行构建人工合成多肽疫苗。

3．基因工程抗原　近年来由于分子生物学技术的进步，已有可能将编码免疫原性氨基酸序列的基因克隆化并与适当载体(如细菌质粒或病毒)DNA分子相结合，然后引入受体细胞中(如原核细胞的大肠杆菌或真核细胞酵母菌及哺乳类动物细胞)使之表达，即能获得免疫原性之融合蛋白，经纯化后可做为疫苗，此即基因工程疫苗。

应用分子生物学技术制备基因重组疫苗的另一进展，是将目的抗原决定簇的DNA序列插入另一种比较安全的活病素基因中(如牛痘苗)，制备所谓重组感染载体多价疫苗。

(三)胸腺依赖抗原与胸腺非依赖抗原

实验证明，由抗原激发的免疫应答是多细胞相互作用的结果，即由抗原呈递细胞、T细胞和B细胞共同参与予完成的。大多数抗原激发的体液免疫应答，必须有Th细胞参予才能完成，称这种抗原为胸腺依赖抗原(thymus－dependent antigen，TD Ag)。但也有少数抗原物质，不须Th细胞参予，可单独刺激B细胞产生抗体，称这种抗原为胸腺非依赖抗原(thymus independentantigen，TIAg)。TD抗原主要是大分子蛋白质，而TI抗原多数为大分子多聚体，带有重复出现的同一抗原决定簇，且降解缓慢，故不须Th参加即能直接刺激B细胞，TI抗原主要是多糖类物质。

二、抗原在医药学实践中的应用

(一)在临床疾病发病机制中的应用

目前已发现多种异嗜性抗原，如溶血性链球菌一些抗原可与肾小球基底及心肌组织有共同抗原成分，它们可能与急性肾小球肾炎和风湿病的发病有关。

(二)在临床疾病检测中的应用

某些疾病的诊断也可借助于对异嗜性抗原的检测。例如引起斑疹伤寒的立克次体与变形杆菌一些菌株间有共同抗原，可藉其血清中抗体对变形杆菌的凝集反应进行诊断，称之为外斐反应。此外传染性单核细胞增多症患者血清中，可出现凝集羊红细胞的异嗜性抗体，可用羊红细胞凝集反应进行诊断。

(三)在预防临床疾病中的应用

随着20世纪70年代分子病毒学的发展，特别是对病毒基因的结构、功能与复制方面知识的积累，为迅速研制病毒亚单位疫苗、合成多肽苗以及基因工程疫苗奠定了基础。

一些重要病毒如乙型肝炎病毒、脊髓灰质炎病毒、疱疹病毒以及流感病毒等的蛋白质多肽，都已利用基因工程进行了成功的表达，有的已进入临床试验阶段。我国也报导了正在进行研制基因工程乙型肝炎病毒疫苗和在牛痘疫苗表达系统中研制乙肝病毒的重组感染载体的多价疫苗。

第五节　超抗原

超抗原(supper antigen，sAg)是一类由细菌外毒素和逆转录病毒蛋白构成的抗原性物质。它们能与多数T细胞结合并为T细胞活化提供信号，而上述的普通抗原只能与少数对应T细胞结合并使之活化。因此称这种能与多数T细胞结合的抗原为超抗原。

超抗原主要与CD4+ T细胞结合，和普通抗原肽与T细胞的结合有很大差异。超抗原的特点是既能与APC细胞上MHCⅡ类分子结合，也能与TCRβ链的V区结合。

超抗原无需经APC加工可直接与MHCⅡ类分子非多态区外侧结合，而不是与肽结合沟结合，故无MHC限制性。

葡萄球菌感染所产生的外毒素主要是可溶性蛋白分子，近年来的研究证明葡萄球菌外毒素对靶细胞并无直接毒性作用，而是通过活化多数T细胞所释放的大量细胞因子产生的生物学效应引起的毒性休克综合征等临床征状。

小　结

抗原是刺激机体产生免疫应答的物质，具免疫原性与免疫反应性。

决定某种物质能否成为抗原，或是否具备免疫原性的基本条件:大分子，复杂的化学基团，异物性，适当的途径。

抗原的特异性是由抗原决定簇的性质、结构和数目所决定。一个抗原决定簇只能激活一种淋巴细胞，只刺激产生一种类型抗体。一个抗原可以有一个或多个抗原决定簇。

佐剂是可增强抗原对机体的免疫应答或改变应答类型的物质。

超抗原是能激活更多的T细胞(比正常抗原激活T细胞多数万倍到数百万倍)的物质。

(丁　丽)