Vasta-aineiden koostumus ja rakenne
Vasta-aineiden tunnistaminen seerumin gammaglobuliinifraktiossa oleviksi proteiineiksi tapahtui 1900-luvun kolmen ensimmäisen vuosikymmenen aikana. Näihin johtopäätöksiin johtaneet tutkimukset johtuivat yrityksistä saada aikaan parempi tuote tartuntatautipotilaiden seroterapiaa varten.
1890-luvulla otettiin käyttöön infektiosairauksien vasta-ainehoito, ja 1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä seerumihoidosta tuli ensisijainen hoitomuoto potilaille, jotka olivat saaneet infektion mikro-organismeista, kuten C. diphtheriae, C. tetani, S. pneumoniae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae ja A-ryhmän streptokokki (Casadevall, 1996). Luvussa 3 kerrotaan kurkkumädän ja jäykkäkouristuksen seroterapian kehityksestä. Näissä hoidoissa käytetyt vasta-aineet saatiin alun perin hevosista, joihin oli ruiskutettu kohdepatogeeneja ja/tai niiden toksiineja. Nykyään tiedämme, että vieraan (hevosen) seerumin ruiskuttaminen ihmiseen voi johtaa kyseisten vieraiden seerumiproteiinien vasta-aineiden tuotantoon. Nämä vasta muodostuneet vasta-aineet voivat aiheuttaa oman ainutlaatuisen patologiansa, jolle on ominaista kuume, ihottuma, nivelkipu, sydänhäiriöt ja munuaisten toimintahäiriöt. Tätä oireyhtymää kutsutaan seerumitaudiksi, ja se johtuu antigeenin (hevosen seerumi) ja vasta-aineen (ihmisen vasta-aineet) kompleksien muodostumisesta (33 luku). Nämä kompleksit jäävät näin ollen kiinni pieniin verisuoniin, joissa ne aktivoivat tulehdusreaktion.
Yritykset tehostaa hevosen vasta-aineiden tehoa S. pneumoniae -bakteeria vastaan ja samalla vähentää seerumihäiriön ja muiden haittavaikutusten esiintyvyyttä tai vakavuutta johtivat uusiin tietoihin vasta-aineiden koostumuksesta. Erityisesti Oswald Avery (1877-1955) osoitti, että S. pneumoniaen vasta-aineaktiivisuus sisältyy seerumin globuliinifraktioon.
Avery, joka oli syntynyt Halifaxissa, Nova Scotiassa, muutti perheensä kanssa New Yorkiin 10-vuotiaana. Hän valmistui lääketieteen tohtoriksi Columbian yliopistosta ja teki tutkijanuraa pääasiassa Rockefeller Institute of Medical Researchissa (myöhemmin Rockefeller University). Vaikka hän aloitti uransa immunokemistinä, Avery ja hänen kollegansa Colin MacLeod ja Maclyn McCarty loivat molekyylibiologian alan, kun he osoittivat vuonna 1944, että geneettinen informaatio koostuu DNA:sta.
Avery fraktioi hevosen seerumia käsittelemällä sitä eri pitoisuuksilla ammoniumsulfaattia, joka on yleisesti käytetty menetelmä proteiinien saostamiseksi seerumista. Hän arvioi näitä saostumia toiminnallisesti ruiskuttamalla niitä hiiriin, joihin oli istutettu tappava annos S. pneumoniae -bakteeria. Fraktiot, jotka saostuivat 38-42-prosenttisella ammoniumsulfaatilla, antoivat parhaan suojan. Tämän fraktion tiedettiin sisältävän globuliineja ja sulkevan pois albumiinit ja euglobuliinit. Globuliinifraktio oli myös aktiivisin agglutinaatio- ja saostuskokeissa in vitro (Avery, 1915).
Muut tutkijat saivat samankaltaisia tuloksia kuin Avery seuraavien 20 vuoden aikana (Chickering, 1915; Fenton, 1931b). Nämä tutkimukset vahvistivat, että vasta-aineet ovat seerumin globuliineja, joiden molekyylipaino on samanlainen kuin muiden globuliinien. Tämän seurauksena Michael Heidelberger totesi vuonna 1937, että ”on yleisesti hyväksytty, että vasta-aineet ovat modifioituja seerumin proteiineja” (Heidelberger ja Pedersen, 1937).
Heidelberger (1888-1991), orgaaninen kemisti, opiskeli Columbian yliopistossa ja liittotasavallan ammattikorkeakoulussa Zürichissä. Hän keskittyi tutkimuksissaan S. pneumoniaen polysakkaridien eristämiseen ja karakterisointiin sekä antigeenin ja vasta-aineen vuorovaikutusten mittaustekniikoiden kehittämiseen. Heidelberger teki laajoja tutkimuksia määrittääkseen optimaaliset menetelmät antigeenin saostamiseksi vasta-aineella; nämä tutkimukset muodostivat perustan kvantitatiiviselle saostustestille. Vasta-aineiden sitoutumista koskevien tutkimustensa perusteella Heidelbergeriä pidetään usein kvantitatiivisen immunokemian alan isänä.
1930-luvun puolivälissä veriproteiinien tunnistaminen ja karakterisointi oli jännittävä uusi tutkimusala. Arne Tiselius (1902-1971) opiskeli Uppsalan yliopistossa Ruotsissa kemiaa. Hän työskenteli alun perin Theodor Svedbergin (1884-1971) kanssa, joka käytti ultracentrifugointia kolloidien, myös proteiinien, erottamiseen. Svedberg tajusi, että proteiineja voitaisiin erottaa myös siirtymismallien perusteella sähkökentässä, ja hän ehdotti, että Tiselius keskittyisi tämän uuden alan teknologian kehittämiseen. Vuoteen 1930 mennessä Tiselius kuvasi proteiinien elektroforeettisen erottelun ja sai tämän työn perusteella luonnontieteiden tohtorin tutkinnon.
Tiselius (1937a,b) erotti seerumin elektroforeesilla ja osoitti neljä komponenttia, joilla oli erilaiset sähkövaraukset. Nämä komponentit tunnistettiin albumiiniksi ja kolmeksi globuliinifraktioksi: alfa-, beeta- ja gammafraktioiksi (kuva 11.2). Tämän seerumin proteiinien karakterisoinnin perusteella Tiselius sai Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1948 ”elektroforeesia ja adsorptioanalyysia koskevista tutkimuksistaan, erityisesti seerumin proteiinien monimutkaista luonnetta koskevista löydöksistään.”
Kuva 11.2. Ovalbumiinispesifisiä vasta-aineita sisältävää muna-albumiinia ruiskutetun kanin seerumin elektroforeettiset kuviot. Seerumi voitiin erottaa neljään fraktioon elektroforeettisen liikkuvuuden perusteella: albumiini, alfaglobuliinit, beetaglobuliinit ja gammaglobuliinit.
Lähteestä Tiselius ja Kabat (1939).
Elvin Kabat (1914-2000) liittyi Tiseliuksen laboratorioon väiteltyään tohtoriksi Heidelbergerin laboratoriossa tehdystä työstä. Kabat, sai perustutkintonsa New Yorkin City Collegessa ja väitteli tohtoriksi Columbian yliopistossa. Kabatin väitöskirja keskittyi vasta-ainevasteeseen pneumokokin polysakkarideille. Hän osoitti, että vasta-aine, joka agglutinoi S. pneumoniae -bakteeria, voi myös saostaa bakteerista eristetyn polysakkaridin (Heidelberger ja Kabat, 1936). Saapuessaan Uppsalaan Ruotsiin työskentelemään Tiseliuksen laboratorioon Kabat toi mukanaan näytteen hevosseerumista, joka sisälsi vasta-aineita pneumokokin polysakkarideja vastaan. Tiselius ja Kabat analysoivat tämän seerumin elektroforeesilla ja osoittivat, että suurin osa vasta-aineaktiivisuudesta vaelsi gammaglobuliinifraktiossa (Tiselius ja Kabat, 1939).
Seuraavien 15 vuoden aikana useat muutkin immunokemistit luonnehtivat vasta-ainemolekyylejä, ja päästiin yleiseen yksimielisyyteen siitä, että vasta-aineet ovat seerumin gammaglobuliinifraktioiden pääkomponentti. Tämä ymmärrys loi pohjan alan seuraavalle merkittävälle edistysaskeleelle, joka johti vasta-aineiden molekyylirakenteen yksityiskohtaiseen analyysiin ja neliketjuisen mallin kehittämiseen (kuva 11.1). Nämä tutkimukset antoivat tietoa molekyylin rakenteen ja biologisten toimintojen välisestä suhteesta.