Antikropparnas sammansättning och struktur

Identifieringen av antikroppar som proteiner i serums gamma-globulinfraktion skedde under de tre första decennierna av 1900-talet. De undersökningar som ledde till dessa slutsatser var resultatet av försök att tillhandahålla en bättre produkt för seroterapi för patienter med infektionssjukdomar.

På 1890-talet introducerades antikroppsbehandling av infektionssjukdomar, och under de första decennierna av 1900-talet blev serumterapi den vanligaste behandlingen för patienter som infekterats med mikroorganismer som C. diphtheriae, C. tetani, S. pneumoniae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae och streptokocker av grupp A (Casadevall, 1996). I kapitel 3 berättas om utvecklingen av seroterapi för difteri och stelkramp. De antikroppar som användes i dessa terapier härrörde ursprungligen från hästar som injicerats med målpatogenerna och/eller deras toxiner. I dag vet vi att injektion av främmande (häst)serum i en människa kan resultera i produktion av antikroppar riktade mot dessa främmande serumproteiner. Dessa nybildade antikroppar kan framkalla sin egen unika patologi som kännetecknas av feber, hudutslag, ledvärk, hjärtfel och njurfel. Denna konstellation av symtom kallas serumsjuka och beror på bildandet av komplex av antigen (hästserum)-antikroppar (mänskliga antikroppar) (kapitel 33). Dessa komplex fastnar följaktligen i små blodkärl där de aktiverar en inflammatorisk reaktion.

Försök att öka styrkan hos hästantikroppar mot S. pneumoniae och samtidigt minska förekomsten eller svårighetsgraden av serumsjuka och andra biverkningar ledde till ny information om antikropparnas sammansättning. Oswald Avery (1877-1955) visade särskilt att antikroppsaktiviteten mot S. pneumoniae finns i globulinfraktionen i serum.

Avery, som föddes i Halifax, Nova Scotia, flyttade med sin familj till New York när han var 10 år gammal. Han fick sin medicine doktorsexamen från Columbia University och fortsatte sin forskarkarriär främst vid Rockefeller Institute of Medical Research (senare Rockefeller University). Även om han inledde sin karriär som immunokemist skapade Avery och hans kollegor Colin MacLeod och Maclyn McCarty molekylärbiologin när de 1944 visade att genetisk information består av DNA.

Avery fraktionerade hästserum genom att behandla det med olika koncentrationer av ammoniumsulfat, en vanligt förekommande metod för att fälla ut proteiner från serum. Han utvärderade dessa utfällningar funktionellt genom att injicera dem i möss som hade inokulerats med en dödlig dos av S. pneumoniae. De fraktioner som fälldes med 38-42 % ammoniumsulfat gav det bästa skyddet. Denna fraktion var känd för att innehålla globuliner och utesluta albumin och euglobuliner. Globulinfraktionen var också den mest aktiva i agglutinations- och fällningsanalyser in vitro (Avery, 1915).

Resultat som liknar Averys erhölls av andra forskare under de följande 20 åren (Chickering, 1915; Fenton, 1931b). Dessa studier bekräftade att antikroppar är serumglobuliner med en molekylvikt som liknar andra globuliner. Som ett resultat av detta drog Michael Heidelberger 1937 slutsatsen att ”det är allmänt accepterat att antikroppar är modifierade serumproteiner” (Heidelberger och Pedersen, 1937).

Heidelberger (1888-1991), en organisk kemist, utbildades vid Columbia University och Federal Polytechnic Institute i Zürich. Han inriktade sin forskning på isolering och karakterisering av polysackarider från S. pneumoniae och utveckling av tekniker för mätning av antigen-antikroppsinteraktioner. Heidelberger utförde omfattande studier för att fastställa optimala metoder för utfällning av antigen med antikroppar; dessa studier utgjorde grunden för det kvantitativa precipitintestet. Baserat på hans studier av antikroppsbindning räknas Heidelberger ofta som fadern till området kvantitativ immunokemi.

I mitten av 1930-talet var identifiering och karakterisering av blodproteiner ett spännande nytt studieområde. Arne Tiselius (1902-1971) utbildade sig i kemi vid Uppsala universitet i Sverige. Han arbetade ursprungligen med Theodor Svedberg (1884-1971), som använde ultracentrifugering för att separera kolloider, inklusive proteiner. Svedberg insåg att proteiner också kunde separeras genom vandringsmönster i ett elektriskt fält, och han föreslog att Tiselius skulle fokusera på att utveckla tekniken för detta nya område. År 1930 beskrev Tiselius elektroforetisk separation av proteiner och fick sin doktorsexamen baserad på detta arbete.

Tiselius (1937a,b) separerade serum genom elektrofores och påvisade fyra komponenter med olika elektriska laddningar. Dessa komponenter identifierades som albumin och tre globulinfraktioner: alfa, beta och gamma (figur 11.2). Baserat på denna karakterisering av serumproteiner fick Tiselius Nobelpriset i kemi 1948 ”för sin forskning om elektrofores och adsorptionsanalys, särskilt för sina upptäckter om serumproteinernas komplexa natur”

Figur 11.2. Elektroforetiska mönster av serum från en kanin som injicerats med äggalbumin innehållande ovalbuminspecifika antikroppar. Serum kunde separeras i fyra fraktioner baserat på elektroforetisk rörlighet: albumin, alfaglobuliner, betaglobuliner och gammaglobuliner.

Från Tiselius och Kabat (1939).

Elvin Kabat (1914-2000) anslöt sig till Tiselius laboratorium efter att ha doktorerat för arbete som utförts i Heidelbergers laboratorium. Kabat, fick sin grundutbildning vid City College of New York och disputerade vid Columbia University. Kabats doktorsavhandling fokuserade på antikroppssvaret mot pneumokockpolysackarider. Han visade att antikroppar som agglutinerade S. pneumoniae också kunde fälla ut polysackarid som isolerats från bakterien (Heidelberger och Kabat, 1936). När han kom till Uppsala i Sverige för att arbeta i Tiselius laboratorium tog Kabat med sig ett prov av hästserumet som innehöll antikroppar mot pneumokockpolysackarider. Tiselius och Kabat analyserade detta serum genom elektrofores och visade att den största delen av antikroppsaktiviteten migrerade med gammaglobulinfraktionen (Tiselius och Kabat, 1939).

Under de följande 15 åren karakteriserade flera andra immunkemister antikroppsmolekyler, och en allmän konsensus uppnåddes om att de är en huvudkomponent i gammaglobulinfraktionen av serum. Denna förståelse lade grunden för nästa stora framsteg på området, vilket ledde till en detaljerad analys av antikropparnas molekylära struktur och utvecklingen av modellen med fyra kedjor (figur 11.1). Dessa studier gav insikter om förhållandet mellan molekylens struktur och dess biologiska funktioner.