Sammensætning og struktur af antistoffer

I de første tre årtier af det 20. århundrede blev antistoffer identificeret som proteiner i gamma-globulinfraktionen i serum. De undersøgelser, der førte til disse konklusioner, var et resultat af forsøg på at tilvejebringe et bedre produkt til seroterapi for patienter med infektionssygdomme.

I 1890’erne blev antistofbehandling af infektionssygdomme introduceret, og i de første årtier af det tyvende århundrede blev serumterapi den foretrukne behandling af patienter, der var inficeret med mikroorganismer som C. diphtheriae, C. tetani, S. pneumoniae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae og gruppe A-streptokokker (Casadevall, 1996). I kapitel 3 fortælles om udviklingen af seroterapi for difteri og stivkrampe. De antistoffer, der anvendes i disse terapier, stammer oprindeligt fra heste, der er blevet injiceret med målpatogenerne og/eller deres toksiner. I dag ved vi, at injektion af fremmed (heste)serum i et menneske kan resultere i produktion af antistoffer rettet mod disse fremmede serumproteiner. Disse nyligt dannede antistoffer kan fremkalde deres egen unikke patologi, der er karakteriseret ved feber, hududslæt, ledsmerter, hjerteanomalier og nyrefejl. Denne konstellation af symptomer kaldes serumsyge og skyldes dannelsen af antigen- (hesteserum)-antistofkomplekser (humane antistoffer) (kapitel 33). Disse komplekser bliver følgelig fanget i små blodkar, hvor de aktiverer et inflammatorisk respons.

Forsøg på at øge styrken af hesteantistoffer mod S. pneumoniae og samtidig mindske forekomsten eller sværhedsgraden af serumsyge og andre bivirkninger førte til nye oplysninger om antistoffernes sammensætning. Oswald Avery (1877-1955) påviste, at antistofaktiviteten mod S. pneumoniae er indeholdt i globulinfraktionen i serum.

Avery, der blev født i Halifax, Nova Scotia, flyttede med sin familie til New York som 10-årig. Han fik sin lægeeksamen fra Columbia University og forfulgte en forskningskarriere primært på Rockefeller Institute of Medical Research (senere Rockefeller University). Selv om han startede sin karriere som immunkemiker, skabte Avery og hans kolleger Colin MacLeod og Maclyn McCarty molekylærbiologien, da de i 1944 påviste, at genetisk information består af DNA.

Avery fraktionerede hesteserum ved at behandle det med forskellige koncentrationer af ammoniumsulfat, en almindeligt anvendt metode til udfældning af proteiner fra serum. Han evaluerede disse udfældninger funktionelt ved at injicere dem i mus, der var blevet inokuleret med en dødelig dosis af S. pneumoniae. De fraktioner, der udfældede med 38-42% ammoniumsulfat, gav den største beskyttelse. Denne fraktion var kendt for at indeholde globuliner og for at udelukke albumin og euglobuliner. Globulinfraktionen var også den mest aktive i agglutinerings- og udfældningsassays in vitro (Avery, 1915).

Resultater, der ligner Averys, blev opnået af andre forskere i løbet af de næste 20 år (Chickering, 1915; Fenton, 1931b). Disse undersøgelser bekræftede, at antistoffer er serumglobuliner med en molekylvægt, der svarer til andre globuliner. Som følge heraf konkluderede Michael Heidelberger i 1937, at “det er generelt accepteret, at antistoffer er modificerede serumproteiner” (Heidelberger og Pedersen, 1937).

Heidelberger (1888-1991), en organisk kemiker, blev uddannet ved Columbia University og Federal Polytechnic Institute i Zürich. Han fokuserede sin forskning på isolering og karakterisering af polysacchariderne fra S. pneumoniae og på udvikling af teknikker til måling af antigen-antistof-interaktioner. Heidelberger udførte omfattende undersøgelser for at bestemme de optimale metoder til udfældning af antigen med antistof; disse undersøgelser dannede grundlaget for den kvantitative præcipitintest. På baggrund af hans undersøgelser af antistofbinding bliver Heidelberger ofte tilskrevet som faderen til området kvantitativ immunokemi.

I midten af 1930’erne var identifikation og karakterisering af blodproteiner et spændende nyt forskningsområde. Arne Tiselius (1902-1971) blev uddannet i kemi ved universitetet i Uppsala, Sverige. Han arbejdede oprindeligt sammen med Theodor Svedberg (1884-1971), som brugte ultracentrifugering til at adskille kolloider, herunder proteiner. Svedberg indså, at proteiner også kunne adskilles ved hjælp af vandringsmønstre i et elektrisk felt, og han foreslog, at Tiselius skulle fokusere på at udvikle teknologien til dette nye område. I 1930 beskrev Tiselius elektroforese-separation af proteiner og modtog sin doktorgrad i naturvidenskab baseret på dette arbejde.

Tiselius (1937a,b) adskilte serum ved elektroforese og påviste fire komponenter med forskellige elektriske ladninger. Disse komponenter blev identificeret som albumin og tre globulinfraktioner: alfa, beta og gamma (figur 11.2). På baggrund af denne karakterisering af serumproteiner modtog Tiselius Nobelprisen i kemi i 1948 “for sin forskning i elektroforese og adsorptionsanalyse, især for sine opdagelser vedrørende serumproteinernes komplekse natur.”

Figur 11.2. Elektroforetiske mønstre af serum fra en kanin, der er injiceret med ægalbumin indeholdende ovalbumin-specifikke antistoffer. Serum kunne adskilles i fire fraktioner baseret på den elektroforetiske mobilitet: albumin, alfa-globuliner, beta-globuliner og gamma-globuliner.

Fra Tiselius og Kabat (1939).

Elvin Kabat (1914-2000) kom til Tiselius’ laboratorium efter at have opnået sin ph.d. for arbejde udført i Heidelbergers laboratorium. Kabat, fik sin grunduddannelse på City College of New York og afsluttede sin ph.d.-grad på Columbia University. Kabats ph.d.-afhandling fokuserede på antistofresponset mod pneumokokpolysaccharider. Han påviste, at antistoffer, der agglutinerede S. pneumoniae, også kunne udfælde polysaccharid isoleret fra bakterien (Heidelberger og Kabat, 1936). Da han ankom til Uppsala, Sverige, for at arbejde i Tiselius’ laboratorium, medbragte Kabat en prøve af hesteserum, der indeholdt antistoffer mod pneumokokpolysaccharider. Tiselius og Kabat analyserede dette serum ved elektroforese og påviste, at størstedelen af antistofaktiviteten migrerede med gammaglobulinfraktionen (Tiselius og Kabat, 1939).

I løbet af de næste 15 år karakteriserede flere andre immunkemikere antistofmolekyler, og der blev opnået generel enighed om, at de er en hovedbestanddel af gamma-globulinfraktionen i serum. Denne forståelse lagde grunden til det næste store fremskridt på området, som førte til en detaljeret analyse af antistoffers molekylære struktur og til udviklingen af firekædemodellen (figur 11.1). Disse undersøgelser gav indsigt i forholdet mellem molekylets struktur og dets biologiske funktioner.