Die Zusammensetzung und Struktur von Antikörpern
Die Identifizierung von Antikörpern als Proteine in der Gammaglobulinfraktion des Serums erfolgte in den ersten drei Jahrzehnten des zwanzigsten Jahrhunderts. Die Untersuchungen, die zu diesen Schlussfolgerungen führten, resultierten aus Versuchen, ein besseres Produkt für die Serotherapie von Patienten mit Infektionskrankheiten bereitzustellen.
In den 1890er Jahren wurde die Behandlung von Infektionskrankheiten mit Antikörpern eingeführt, und in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts wurde die Serumtherapie zur bevorzugten Behandlung von Patienten, die mit Mikroorganismen wie C. diphtheriae, C. tetani, S. pneumoniae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae und Streptokokken der Gruppe A infiziert waren (Casadevall, 1996). In Kapitel 3 wird die Entwicklung der Serotherapie gegen Diphtherie und Tetanus beschrieben. Die bei diesen Therapien verwendeten Antikörper wurden ursprünglich von Pferden gewonnen, denen die Zielerreger und/oder deren Toxine injiziert wurden. Heute weiß man, dass die Injektion eines fremden (Pferde-)Serums in einen Menschen zur Bildung von Antikörpern führen kann, die gegen diese fremden Serumproteine gerichtet sind. Diese neu gebildeten Antikörper können eine eigene, einzigartige Pathologie hervorrufen, die durch Fieber, Hautausschlag, Gelenkschmerzen, Herzanomalien und Nierenfunktionsstörungen gekennzeichnet ist. Diese Konstellation von Symptomen wird als Serumkrankheit bezeichnet und ist auf die Bildung von Antigen (Pferdeserum)-Antikörper (menschliche Antikörper) -Komplexen zurückzuführen (Kapitel 33). Diese Komplexe werden folglich in kleinen Blutgefäßen eingeschlossen, wo sie eine Entzündungsreaktion auslösen.
Versuche, die Wirksamkeit von Pferdeantikörpern gegen S. pneumoniae zu erhöhen und gleichzeitig die Häufigkeit oder den Schweregrad der Serumkrankheit und anderer unerwünschter Reaktionen zu verringern, führten zu neuen Erkenntnissen über die Zusammensetzung der Antikörper. Insbesondere Oswald Avery (1877-1955) wies nach, dass die Antikörperaktivität gegen S. pneumoniae in der Globulinfraktion des Serums enthalten ist.
Avery, geboren in Halifax, Nova Scotia, zog im Alter von 10 Jahren mit seiner Familie nach New York. Er erwarb seinen Doktortitel an der Columbia University und verfolgte eine Forschungskarriere hauptsächlich am Rockefeller Institute of Medical Research (später Rockefeller University). Obwohl er seine Karriere als Immunchemiker begann, begründeten Avery und seine Kollegen Colin MacLeod und Maclyn McCarty das Gebiet der Molekularbiologie, als sie 1944 nachwiesen, dass die genetische Information aus DNA besteht.
Avery fraktionierte Pferdeserum durch Behandlung mit verschiedenen Konzentrationen von Ammoniumsulfat, einer häufig verwendeten Methode zur Ausfällung von Proteinen aus Serum. Er untersuchte diese Präzipitate funktionell, indem er sie Mäusen injizierte, die mit einer tödlichen Dosis von S. pneumoniae geimpft worden waren. Die Fraktionen, die mit 38-42 % Ammoniumsulfat ausgefällt wurden, boten den größten Schutz. Von dieser Fraktion war bekannt, dass sie Globuline enthält und Albumin und Euglobuline ausschließt. Die Globulinfraktion war auch bei Agglutinations- und Fällungstests in vitro am aktivsten (Avery, 1915).
Ähnliche Ergebnisse wie Avery erzielten in den folgenden 20 Jahren auch andere Forscher (Chickering, 1915; Fenton, 1931b). Diese Studien bestätigten, dass Antikörper Serumglobuline sind, die ein ähnliches Molekulargewicht wie andere Globuline haben. Infolgedessen kam Michael Heidelberger 1937 zu dem Schluss, dass „es allgemein anerkannt ist, dass Antikörper modifizierte Serumproteine sind“ (Heidelberger und Pedersen, 1937).
Heidelberger (1888-1991), ein organischer Chemiker, wurde an der Columbia University und der Eidgenössischen Polytechnischen Hochschule in Zürich ausgebildet. Er konzentrierte seine Forschung auf die Isolierung und Charakterisierung der Polysaccharide von S. pneumoniae und die Entwicklung von Techniken zur Messung von Antigen-Antikörper-Wechselwirkungen. Heidelberger führte umfangreiche Studien zur Ermittlung optimaler Methoden für die Ausfällung von Antigen durch Antikörper durch; diese Studien bildeten die Grundlage für den quantitativen Präzipitintest. Aufgrund seiner Studien zur Antikörperbindung wird Heidelberger oft als der Vater der quantitativen Immunchemie angesehen.
Mitte der 1930er Jahre war die Identifizierung und Charakterisierung von Blutproteinen ein aufregendes neues Forschungsgebiet. Arne Tiselius (1902-1971) studierte an der Universität von Uppsala, Schweden, Chemie. Er arbeitete ursprünglich mit Theodor Svedberg (1884-1971) zusammen, der die Ultrazentrifugation zur Trennung von Kolloiden, einschließlich Proteinen, einsetzte. Svedberg erkannte, dass Proteine auch durch Migrationsmuster in einem elektrischen Feld getrennt werden konnten, und schlug Tiselius vor, sich auf die Entwicklung der Technologie für dieses neue Gebiet zu konzentrieren. 1930 beschrieb Tiselius die elektrophoretische Trennung von Proteinen und erhielt aufgrund dieser Arbeit seinen Doktortitel.
Tiselius (1937a,b) trennte Serum durch Elektrophorese und wies vier Komponenten mit unterschiedlichen elektrischen Ladungen nach. Diese Komponenten wurden als Albumin und drei Globulinfraktionen identifiziert: alpha, beta und gamma (Abbildung 11.2). Auf der Grundlage dieser Charakterisierung von Serumproteinen erhielt Tiselius 1948 den Nobelpreis für Chemie „für seine Forschungen auf dem Gebiet der Elektrophorese und der Adsorptionsanalyse, insbesondere für seine Entdeckungen über die komplexe Natur der Serumproteine“
Abbildung 11.2. Elektrophoretische Muster des Serums eines Kaninchens, dem Eieralbumin mit ovalbumin-spezifischen Antikörpern injiziert wurde. Das Serum konnte anhand der elektrophoretischen Mobilität in vier Fraktionen aufgeteilt werden: Albumin, Alpha-Globuline, Beta-Globuline und Gamma-Globuline.
Von Tiselius und Kabat (1939).
Elvin Kabat (1914-2000) kam in das Labor von Tiselius, nachdem er in Heidelbergers Labor promoviert hatte. Kabat absolvierte sein Grundstudium am City College of New York und promovierte an der Columbia University. In seiner Doktorarbeit beschäftigte sich Kabat mit der Antikörperreaktion auf Pneumokokken-Polysaccharide. Er wies nach, dass Antikörper, die S. pneumoniae agglutinierten, auch das aus dem Bakterium isolierte Polysaccharid ausfällen konnten (Heidelberger und Kabat, 1936). Als er in Uppsala, Schweden, ankam, um in Tiselius‘ Labor zu arbeiten, brachte Kabat eine Probe des Pferdeserums mit, das Antikörper gegen Pneumokokkenpolysaccharide enthielt. Tiselius und Kabat analysierten dieses Serum mittels Elektrophorese und wiesen nach, dass der größte Teil der Antikörperaktivität mit der Gammaglobulinfraktion wanderte (Tiselius und Kabat, 1939).
In den folgenden 15 Jahren charakterisierten mehrere andere Immunchemiker Antikörpermoleküle, und es wurde ein allgemeiner Konsens darüber erzielt, dass sie ein Hauptbestandteil der Gammaglobulinfraktion des Serums sind. Diese Erkenntnis bildete die Grundlage für den nächsten großen Fortschritt auf diesem Gebiet, der zu einer detaillierten Analyse der molekularen Struktur von Antikörpern und zur Entwicklung des Vierkettenmodells führte (Abbildung 11.1). Diese Studien lieferten Erkenntnisse über die Beziehung zwischen der Struktur und den biologischen Funktionen des Moleküls.