De samenstelling en structuur van antilichamen

De identificatie van antilichamen als eiwitten in de gamma-globulinefractie van serum vond plaats tijdens de eerste drie decennia van de twintigste eeuw. De onderzoeken die tot deze conclusies leidden, vloeiden voort uit pogingen om een beter produkt te verschaffen voor serotherapie voor patiënten met besmettelijke ziekten.

In de jaren 1890 werd de behandeling van infectieziekten met antilichamen geïntroduceerd, en in de eerste decennia van de twintigste eeuw werd serumtherapie de behandeling bij uitstek voor patiënten die besmet waren met micro-organismen zoals C. diphtheriae, C. tetani, S. pneumoniae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae, en groep A Streptococcus (Casadevall, 1996). Hoofdstuk 3 verhaalt over de ontwikkeling van serotherapie voor difterie en tetanus. De antilichamen die bij deze therapieën werden gebruikt, waren oorspronkelijk afkomstig van paarden die geïnjecteerd waren met de doelpathogenen en/of hun toxinen. Vandaag weten we dat de injectie van vreemd (paarden)serum in een mens kan leiden tot de produktie van antilichamen gericht tegen die vreemde serumproteïnen. Deze nieuw gevormde antilichamen kunnen hun eigen unieke pathologie veroorzaken, die gekenmerkt wordt door koorts, huiduitslag, gewrichtspijn, hartafwijkingen en nierstoornissen. Dit samenstel van symptomen wordt serumziekte genoemd en is het gevolg van de vorming van antigeen (paardenserum)-antilichaam (menselijke antilichamen) complexen (hoofdstuk 33). Deze complexen komen vervolgens vast te zitten in kleine bloedvaten waar zij een ontstekingsreactie in gang zetten.

Pogingen om de werkzaamheid van paardenantilichamen tegen S. pneumoniae te vergroten en tegelijkertijd de incidentie of ernst van serumziekte en andere bijwerkingen te verminderen, leidden tot nieuwe informatie over de samenstelling van antilichamen. Meer bepaald toonde Oswald Avery (1877-1955) aan dat de antilichaamactiviteit tegen S. pneumoniae vervat zit in de globulinefractie van serum.

Avery, geboren in Halifax, Nova Scotia, verhuisde met zijn familie naar New York toen hij 10 jaar oud was. Hij behaalde zijn MD aan de Columbia University en vervolgde zijn onderzoekscarrière voornamelijk aan het Rockefeller Institute of Medical Research (later de Rockefeller University). Hoewel hij zijn carrière begon als immunochemicus, creëerden Avery en zijn collega’s, Colin MacLeod en Maclyn McCarty, het gebied van de moleculaire biologie toen zij in 1944 aantoonden dat genetische informatie uit DNA bestaat.

Avery fractioneerde paardenserum door behandeling met verschillende concentraties ammoniumsulfaat, een veelgebruikte methode om eiwitten uit serum te doen neerslaan. Hij evalueerde deze precipitaten functioneel door ze in te spuiten bij muizen die waren geïnoculeerd met een dodelijke dosis S. pneumoniae. De fracties die neersloegen met 38-42% ammoniumsulfaat boden de grootste bescherming. Van deze fractie was bekend dat ze globulinen bevatte en albumine en euglobulinen uitsloot. De globulinefractie was ook het meest actief in agglutinatie- en precipitatietests in vitro (Avery, 1915).

Resultaten vergelijkbaar met die van Avery werden verkregen door andere onderzoekers gedurende de volgende 20 jaar (Chickering, 1915; Fenton, 1931b). Deze studies bevestigden dat antilichamen serumglobulinen zijn met een moleculair gewicht dat vergelijkbaar is met dat van andere globulinen. Als gevolg hiervan concludeerde Michael Heidelberger in 1937 dat “het algemeen aanvaard is dat antilichamen gemodificeerde serumeiwitten zijn” (Heidelberger en Pedersen, 1937).

Heidelberger (1888-1991), een organisch scheikundige, werd opgeleid aan de Columbia University en het Federale Polytechnische Instituut in Zürich. Hij richtte zijn onderzoek op de isolatie en karakterisering van de polysacchariden van S. pneumoniae en de ontwikkeling van technieken voor het meten van antigeen-antilichaam interacties. Heidelberger voerde uitgebreide studies uit om optimale methoden te bepalen voor het neerslaan van antigeen door antilichaam; deze studies vormden de basis voor de kwantitatieve precipitine-test. Gebaseerd op zijn studies van de binding van antilichamen, wordt Heidelberger vaak gecrediteerd als de vader van het gebied van de kwantitatieve immunochemie.

In het midden van de jaren 1930, was de identificatie en karakterisering van bloedproteïnen een opwindend nieuw gebied van studie. Arne Tiselius (1902-1971) volgde een opleiding chemie aan de Universiteit van Uppsala, Zweden. Hij werkte aanvankelijk samen met Theodor Svedberg (1884-1971), die ultracentrifugatie gebruikte om colloïden, waaronder eiwitten, te scheiden. Svedberg realiseerde zich dat eiwitten ook konden worden gescheiden door migratiepatronen in een elektrisch veld, en hij stelde voor dat Tiselius zich zou richten op de ontwikkeling van de technologie voor dit nieuwe gebied. In 1930 beschreef Tiselius de elektroforetische scheiding van proteïnen en ontving zijn Doctor of Science graad op basis van dit werk.

Tiselius (1937a,b) scheidde serum door elektroforese en toonde vier componenten aan met verschillende elektrische ladingen. Deze componenten werden geïdentificeerd als albumine en drie globulinefracties: alpha, beta, en gamma (figuur 11.2). Op basis van deze karakterisering van serumeiwitten ontving Tiselius in 1948 de Nobelprijs voor Scheikunde “voor zijn onderzoek op het gebied van elektroforese en adsorptieanalyse, in het bijzonder voor zijn ontdekkingen betreffende de complexe aard van serumeiwitten.”

Figuur 11.2. Elektroforetische patronen van serum van een konijn geïnjecteerd met ei-albumine dat ovalbumine-specifieke antilichamen bevat. Serum kon worden gescheiden in vier fracties gebaseerd op elektroforetische mobiliteit: albumine, alpha globulines, beta globulines, en gamma globulines.

Van Tiselius en Kabat (1939).

Elvin Kabat (1914-2000) kwam bij Tiselius’ laboratorium nadat hij gepromoveerd was op werk dat hij in Heidelbergers lab had gedaan. Kabat, ontving zijn bacheloropleiding aan het City College of New York en voltooide zijn doctoraal aan de Columbia University. Kabat’s proefschrift richtte zich op de antilichaamrespons op pneumokokkenpolysacchariden. Hij toonde aan dat antilichamen die S. pneumoniae agglutineerden ook polysacchariden konden neerslaan die van de bacterie waren geïsoleerd (Heidelberger en Kabat, 1936). Toen hij in Uppsala, Zweden, aankwam om in Tiselius’ laboratorium te werken, bracht Kabat een monster van het paardenserum mee dat antilichamen tegen pneumokokkenpolysacchariden bevatte. Tiselius en Kabat analyseerden dit serum door middel van elektroforese en toonden aan dat de meeste antilichaamactiviteit migreerde met de gamma globuline fractie (Tiselius en Kabat, 1939).

In de daaropvolgende 15 jaar karakteriseerden verschillende andere immunochemici antilichaammoleculen, en er werd een algemene consensus bereikt dat zij een belangrijk bestanddeel zijn van de gamma globuline fractie van serum. Dit inzicht maakte de weg vrij voor de volgende grote vooruitgang op dit gebied, die leidde tot een gedetailleerde analyse van de moleculaire structuur van antilichamen en de ontwikkeling van het vierketenmodel (figuur 11.1). Deze studies verschaften inzicht in het verband tussen de structuur en de biologische functies van het molecuul.