The Composition and Structure of Antibodies

Identyfikacja przeciwciał jako białek we frakcji gamma globulinowej surowicy nastąpiła w ciągu pierwszych trzech dekad XX wieku. Badania, które doprowadziły do tych wniosków wynikały z prób dostarczenia lepszego produktu do seroterapii dla pacjentów z chorobami zakaźnymi.

W latach 90-tych XIX wieku wprowadzono leczenie przeciwciałami chorób zakaźnych, a w pierwszych dekadach XX wieku terapia surowicą stała się leczeniem z wyboru dla pacjentów zakażonych mikroorganizmami takimi jak C. diphtheriae, C. tetani, S. pneumoniae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae i Streptococcus grupy A (Casadevall, 1996). W rozdziale 3 opisano rozwój seroterapii błonicy i tężca. Przeciwciała stosowane w tych terapiach były początkowo uzyskiwane od koni, którym wstrzykiwano docelowe patogeny i/lub ich toksyny. Dzisiaj wiemy, że wstrzyknięcie obcej (końskiej) surowicy człowiekowi może spowodować wytworzenie przeciwciał skierowanych przeciwko tym obcym białkom surowicy. Te nowo powstałe przeciwciała mogą wywoływać własną unikalną patologię charakteryzującą się gorączką, wysypką skórną, bólami stawów, zaburzeniami pracy serca i zaburzeniami czynności nerek. Ta konstelacja objawów nazywana jest chorobą surowicy i jest spowodowana tworzeniem się kompleksów antygen (surowica konia) – przeciwciało (ludzkie przeciwciała) (Rozdział 33). Kompleksy te są w konsekwencji uwięzione w małych naczyniach krwionośnych, gdzie aktywują odpowiedź zapalną.

Próby zwiększenia siły działania końskich przeciwciał przeciwko S. pneumoniae przy jednoczesnym zmniejszeniu częstości występowania lub nasilenia choroby posurowiczej i innych działań niepożądanych doprowadziły do uzyskania nowych informacji na temat składu przeciwciał. W szczególności, Oswald Avery (1877-1955) wykazał, że aktywność przeciwciał przeciwko S. pneumoniae jest zawarta we frakcji globulinowej surowicy.

Avery, urodzony w Halifax, Nowa Szkocja, przeniósł się z rodziną do Nowego Jorku w wieku 10 lat. Otrzymał tytuł doktora nauk medycznych na Uniwersytecie Columbia i kontynuował karierę naukową głównie w Instytucie Badań Medycznych Rockefellera (późniejszy Uniwersytet Rockefellera). Chociaż rozpoczął karierę jako immunochemik, Avery i jego koledzy, Colin MacLeod i Maclyn McCarty, stworzyli dziedzinę biologii molekularnej, kiedy w 1944 roku wykazali, że informacja genetyczna składa się z DNA.

Avery frakcjonował surowicę końską przez traktowanie różnymi stężeniami siarczanu amonu, powszechnie stosowanej metody wytrącania białek z surowicy. Oceniał te precypitaty funkcjonalnie poprzez wstrzykiwanie ich myszom, które zostały zaszczepione śmiertelną dawką S. pneumoniae. Frakcje, które wytrącały się z 38-42% siarczanem amonu zapewniały największą ochronę. Wiadomo, że frakcja ta zawierała globuliny, a wykluczała albuminy i euglobuliny. Frakcja globulinowa była również najbardziej aktywna w testach aglutynacji i wytrącania in vitro (Avery, 1915).

Wyniki podobne do wyników Avery’ego zostały uzyskane przez innych badaczy w ciągu następnych 20 lat (Chickering, 1915; Fenton, 1931b). Badania te potwierdziły, że przeciwciała są globulinami surowicy o masie cząsteczkowej podobnej do innych globulin. W rezultacie, Michael Heidelberger stwierdził w 1937 roku, że „ogólnie przyjmuje się, że przeciwciała są zmodyfikowanymi białkami surowicy” (Heidelberger i Pedersen, 1937).

Heidelberger (1888-1991), chemik organiczny, kształcił się na Uniwersytecie Columbia i w Federalnym Instytucie Politechnicznym w Zurychu. Swoje badania skupił na izolacji i charakterystyce polisacharydów z S. pneumoniae oraz na rozwoju technik pomiaru interakcji antygen-przeciwciało. Heidelberger przeprowadził szeroko zakrojone badania w celu określenia optymalnych metod wytrącania antygenu przez przeciwciało; badania te stały się podstawą ilościowego testu precypitynowego. W oparciu o jego badania wiązania przeciwciał, Heidelberger jest często uznawany za ojca dziedziny immunochemii ilościowej.

W połowie lat 30-tych XX wieku identyfikacja i charakterystyka białek krwi była ekscytującą nową dziedziną badań. Arne Tiselius (1902-1971) kształcił się w dziedzinie chemii na Uniwersytecie w Uppsali w Szwecji. Początkowo pracował z Theodorem Svedbergiem (1884-1971), który stosował ultrawirowanie do rozdzielania koloidów, w tym białek. Svedberg zdał sobie sprawę, że białka można również rozdzielić na podstawie wzorów migracji w polu elektrycznym i zasugerował, aby Tiselius skupił się na opracowaniu technologii dla tej nowej dziedziny. Do 1930 roku Tiselius opisał elektroforetyczny rozdział białek i otrzymał tytuł doktora nauk na podstawie tej pracy.

Tiselius (1937a,b) rozdzielił surowicę metodą elektroforezy i wykazał cztery składniki o różnych ładunkach elektrycznych. Składniki te zostały zidentyfikowane jako albumina i trzy frakcje globulin: alfa, beta i gamma (rysunek 11.2). Na podstawie tej charakterystyki białek surowicy, Tiselius otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1948 roku „za swoje badania nad elektroforezą i analizą adsorpcyjną, zwłaszcza za odkrycia dotyczące złożonej natury białek surowicy.”

Rysunek 11.2. Wzory elektroforetyczne surowicy od królika wstrzykniętego z albuminą jaja zawierającą przeciwciała specyficzne dla owalbuminy. Serum można było rozdzielić na cztery frakcje w oparciu o ruchliwość elektroforetyczną: albuminy, globuliny alfa, globuliny beta i globuliny gamma.

Z Tiseliusa i Kabata (1939).

Elvin Kabat (1914-2000) dołączył do laboratorium Tiseliusa po uzyskaniu doktoratu za pracę wykonaną w laboratorium Heidelbergera. Kabat, otrzymał swoje wykształcenie licencjackie w City College of New York i ukończył studia doktoranckie na Columbia University. Praca doktorska Kabata koncentrowała się na odpowiedzi przeciwciał na polisacharydy pneumokokowe. Wykazał, że przeciwciało, które aglutynuje S. pneumoniae może również wytrącać polisacharyd wyizolowany z tej bakterii (Heidelberger i Kabat, 1936). Po przybyciu do Uppsali, Szwecja, do pracy w laboratorium Tiseliusa, Kabat przywiózł próbkę surowicy końskiej, która zawierała przeciwciała przeciwko polisacharydom pneumokokowym. Tiselius i Kabat przeanalizowali tę surowicę metodą elektroforezy i wykazali, że większość aktywności przeciwciał migrowała z frakcją gamma globuliny (Tiselius i Kabat, 1939).

W ciągu następnych 15 lat kilku innych immunochemików scharakteryzowało cząsteczki przeciwciał i osiągnięto ogólny konsensus, że są one głównym składnikiem frakcji gamma globuliny surowicy. To zrozumienie wyznaczyło scenę dla kolejnego ważnego postępu w tej dziedzinie, prowadząc do szczegółowej analizy struktury molekularnej przeciwciał i opracowania modelu czterech łańcuchów (rysunek 11.1). Badania te zapewniły wgląd w związek między strukturą a funkcjami biologicznymi cząsteczki.

.