Нейтрализующее антитело ( NAb ) — это антитело , которое защищает клетку от патогена или инфекционной частицы, нейтрализуя любой биологический эффект, который он оказывает. Нейтрализация делает частицу неинфекционной или патогенной. [3] [4] Нейтрализующие антитела являются частью гуморального ответа адаптивной иммунной системы против вирусов , внутриклеточных бактерий и микробных токсинов . Специфически связываясь с поверхностными структурами ( антигенами ) инфекционной частицы, нейтрализующие антитела предотвращают взаимодействие частицы с клетками-хозяевами , которые она может заразить и уничтожить.
Чтобы проникнуть в клетки, патогены, такие как циркулирующие вирусные частицы или внеклеточные бактерии, используют молекулы на своей поверхности для взаимодействия с рецепторами клеточной поверхности клетки-мишени, что позволяет им проникнуть в клетку и начать цикл репликации . [5] Нейтрализующие антитела могут ингибировать инфекционность, связываясь с патогеном и блокируя молекулы, необходимые для проникновения в клетку. Это может быть связано с тем, что антитела статически взаимодействуют с патогенами, или с тем, что токсины прикрепляются к рецепторам клетки-хозяина. При вирусной инфекции NAb могут связываться с гликопротеинами вирусов с оболочкой или капсидными белками вирусов без оболочки. Кроме того, нейтрализующие антитела могут действовать, предотвращая структурные изменения частиц, часто необходимые для успешного проникновения в клетку. Например, нейтрализующие антитела могут предотвратить конформационные изменения вирусных белков, которые опосредуют слияние мембран, необходимое для проникновения в клетку-хозяина. [5] В некоторых случаях вирус не способен заразить даже после диссоциации антитела. Комплекс патоген-антитело в конечном итоге поглощается и разрушается макрофагами. [6]
Нейтрализующие антитела также играют важную роль в нейтрализации токсического действия бактериальных токсинов. Примером нейтрализующего антитела является дифтерийный антитоксин , который может нейтрализовать биологические эффекты дифтерийного токсина . [7] Нейтрализующие антитела не эффективны против внеклеточных бактерий, поскольку связывание антител не предотвращает размножение бактерий. Здесь иммунная система использует другие функции антител, такие как опсонизация и активация комплемента , чтобы убить бактерии. [8]
Не все антитела, связывающиеся с патогенной частицей, являются нейтрализующими. Ненейтрализующие антитела, или связывающие антитела, специфически связываются с возбудителем, но не препятствуют его инфекционности. Возможно, это связано с тем, что они не привязаны к нужному региону. Ненейтрализующие антитела могут быть важны для того, чтобы пометить частицу для иммунных клеток , сигнализируя о том, что она стала мишенью, после чего частица обрабатывается и, следовательно, уничтожается рекрутированными иммунными клетками. [9] С другой стороны, нейтрализующие антитела могут нейтрализовать биологические эффекты антигена без необходимости использования иммунных клеток. В некоторых случаях ненейтрализующие антитела или недостаточное количество нейтрализующих антител, связывающихся с вирусными частицами, могут использоваться некоторыми видами вирусов для облегчения проникновения в клетки-хозяева. Этот механизм известен как антителозависимое усиление . [10] Это наблюдалось в отношении вируса Денге и вируса Зика . [11]
Антитела производятся и секретируются В-клетками . Когда В-клетки производятся в костном мозге , гены, кодирующие антитела, подвергаются случайной генетической рекомбинации ( рекомбинация V(D)J ), в результате чего каждая зрелая В-клетка продуцирует антитела, которые отличаются по своей аминокислотной последовательности в антигенсвязывающей системе. область . Следовательно, каждая В-клетка вырабатывает антитела, специфически связывающиеся с различными антигенами . [12] Большое разнообразие репертуара антител позволяет иммунной системе распознавать множество патогенов, которые могут иметь самые разные формы и размеры. Во время инфекции вырабатываются только антитела, которые связываются с патогенным антигеном с высоким сродством. Это достигается путем клональной селекции одного клона В-клеток: В-клетки рекрутируются в место инфекции, воспринимая интерфероны , которые высвобождаются инфицированными клетками как часть врожденного иммунного ответа . В-клетки имеют на своей поверхности рецепторы В-клеток , которые представляют собой всего лишь антитела, прикрепленные к клеточной мембране. Когда В-клеточный рецептор связывается со своим родственным антигеном с высоким сродством, запускается внутриклеточный сигнальный каскад . Помимо связывания с антигеном, В-клетки должны стимулироваться цитокинами , продуцируемыми Т-хелперными клетками, как часть клеточного ответа иммунной системы против патогена. Как только В-клетка полностью активирована, она быстро пролиферирует и дифференцируется в плазматические клетки . Затем плазматические клетки секретируют антигенспецифические антитела в больших количествах. [13] После первого контакта с антигеном в результате вакцинации или естественного заражения иммунологическая память позволяет более быстро вырабатывать нейтрализующие антитела после следующего контакта с вирусом.
Вирусы используют различные механизмы, чтобы уклоняться от нейтрализующих антител. [14] Вирусные геномы мутируют с высокой скоростью. Мутации , которые позволяют вирусам уклоняться от нейтрализующих антител, будут отбираться и, следовательно, преобладать. И наоборот, антитела также одновременно развиваются за счет созревания аффинности в ходе иммунного ответа, тем самым улучшая распознавание вирусных частиц. Консервативные части вирусных белков, которые играют центральную роль в функционировании вируса, с меньшей вероятностью будут эволюционировать с течением времени и, следовательно, более уязвимы для связывания антител. Однако вирусы выработали определенные механизмы, препятствующие стерическому доступу антитела к этим областям, что затрудняет связывание. [14] Вирусы с низкой плотностью поверхностных структурных белков сложнее связываются антителами. [14] Некоторые вирусные гликопротеины сильно гликозилированы N- и O-связанными гликанами , создавая так называемый гликановый щит, который может снизить аффинность связывания антител и облегчить уклонение от нейтрализующих антител. [14] ВИЧ-1 , причина человеческого СПИДа , использует оба этих механизма. [15] [16]
Нейтрализующие антитела используются для пассивной иммунизации и могут применяться у пациентов, даже если у них нет здоровой иммунной системы. В начале 20 века инфицированным пациентам вводили антисыворотку , которая представляет собой сыворотку крови ранее инфицированного и выздоровевшего пациента, содержащую поликлональные антитела против инфекционного агента. Это показало, что антитела можно использовать в качестве эффективного лечения вирусных инфекций и токсинов. [17] Антисыворотка – это очень грубая терапия, поскольку антитела в плазме не очищаются и не стандартизируются, и донор может отторгнуть плазму крови. [18] Поскольку он основан на пожертвованиях выздоровевших пациентов, его нелегко масштабировать. Тем не менее, сывороточная терапия сегодня по-прежнему используется в качестве первой линии защиты во время вспышки, поскольку ее можно относительно быстро получить. [19] [20] Было показано, что сывороточная терапия снижает смертность пациентов во время пандемии свиного гриппа 2009 года [21] и эпидемии вируса Эбола в Западной Африке . [22] Его также тестируют в качестве возможного лечения COVID-19 . [23] [24] Иммуноглобулиновая терапия , в которой используется смесь антител, полученных от здоровых людей, назначается пациентам с иммунодефицитом или иммуносупрессией для борьбы с инфекциями.
Для более специфичного и надежного лечения можно использовать очищенные поликлональные или моноклональные антитела (мАт). Поликлональные антитела представляют собой совокупность антител, которые нацелены на один и тот же патоген, но связываются с разными эпитопами . Поликлональные антитела получают от доноров-человеков или животных, подвергшихся воздействию антигена. Антиген, инъецируемый животным-донорам, может быть сконструирован таким образом, чтобы предпочтительно продуцировать нейтрализующие антитела. [25] Поликлональные антитела использовались для лечения цитомегаловируса (ЦМВ), вируса гепатита В (ВГВ), вируса бешенства , вируса кори и респираторно-синцитиального вируса (РСВ). [18] Дифтерийный антитоксин содержит поликлональные антитела против дифтерийного токсина . [26] При лечении антителами, связывающими несколько эпитопов, лечение по-прежнему эффективно, даже если вирус мутирует и структура одного из эпитопов меняется. Однако из-за характера производства обработка поликлональными антителами отличается от партии к партии и имеет низкие титры антител . [25] С другой стороны, все моноклональные антитела связывают один и тот же эпитоп с высокой специфичностью. Их можно производить с помощью гибридомной технологии , которая позволяет производить моноклональные антитела в больших количествах. [17] МКА против инфекций перестают действовать, когда вирус мутирует эпитоп, на который нацелены МКА, или когда циркулирует несколько штаммов. Примеры препаратов, в которых используются моноклональные антитела, включают ZMapp против Эболы [27] и Паливизумаб против RSV. [28] Многие моноклональные антитела против других инфекций проходят клинические испытания. [17]
Нейтрализующие антитела также играют роль в активной иммунизации путем вакцинации . Понимая места связывания и структуру нейтрализующих антител в естественном иммунном ответе, можно рационально разработать вакцину, которая будет стимулировать иммунную систему вырабатывать нейтрализующие и не связывающие антитела. [29] [30] Введение ослабленной формы вируса посредством вакцинации позволяет производить нейтрализующие антитела В -клетками . После второго воздействия реакция нейтрализующих антител происходит быстрее из-за существования В-клеток памяти , которые производят антитела, специфичные к вирусу. [31] Эффективная вакцина индуцирует выработку антител, которые способны нейтрализовать большинство вариантов вируса, хотя мутация вируса, приводящая к уклонению от антител, может потребовать обновления вакцин в ответ. [31] Некоторые вирусы развиваются быстрее, чем другие, что может потребовать обновления вакцин. Хорошо известным примером является вакцина против вируса гриппа , которую необходимо ежегодно обновлять с учетом недавно циркулирующих штаммов вируса. [14]
Нейтрализующие антитела также могут помочь в лечении рассеянного склероза . [2] Хотя этот тип антител обладает способностью бороться с ретровирусными инфекциями, в некоторых случаях он атакует фармацевтические препараты , вводимые в организм, которые в противном случае лечили бы рассеянный склероз. Рекомбинантные белковые препараты, особенно полученные от животных, обычно подвергаются воздействию нейтрализующих антител. Несколько примеров: Ребиф, Бетасерон и Авонекс. [2]
Анализы нейтрализации можно проводить и измерять различными способами, включая использование таких методов, как уменьшение количества вирусных бляшек (которое сравнивает количество вирусных бляшек в контрольных лунках с количеством вирусных бляшек в инокулированных культурах), микронейтрализацию (которая проводится в микротитровальных планшетах , заполненных небольшими количества сыворотки ) и колориметрические анализы (которые зависят от биомаркеров, указывающих на метаболическое ингибирование вируса). [32]
Большинство нейтрализующих антител, вырабатываемых иммунной системой, очень специфичны для одного штамма вируса из-за созревания аффинности В-клетками. [13] Некоторые патогены с высокой генетической изменчивостью, такие как ВИЧ, постоянно меняют структуру своей поверхности, так что нейтрализующие антитела с высокой специфичностью к старому штамму больше не могут связываться с новым штаммом вируса. Эта стратегия иммунного уклонения не позволяет иммунной системе развивать иммунологическую память против патогена. [33] С другой стороны, широко нейтрализующие антитела (bNAbs) обладают особой способностью связывать и нейтрализовать несколько штаммов вируса. [34]
bNAbs первоначально были обнаружены у пациентов с ВИЧ. [35] Однако они довольно редки: скрининговое исследование in situ показало, что только у 1% всех пациентов развиваются bNAb против ВИЧ. [36] bNAB могут нейтрализовать широкий спектр штаммов вируса, связываясь с консервативными участками поверхностных белков вируса, которые не способны мутировать, поскольку они функционально необходимы для репликации вируса. Большинство сайтов связывания bNAb против ВИЧ находятся на открытом поверхностном антигене ВИЧ, белке оболочки (Env) (тример, состоящий из субъединиц gp120 и gp41 ). Эти сайты включают сайт связывания CD4 или интерфейс gp41-gp120. [37] Базы данных по ВИЧ Национальной лаборатории Лос-Аламоса — это комплексный ресурс, содержащий огромное количество информации о последовательностях ВИЧ, bNAb и многом другом. [38]
Кроме того, bNAb были обнаружены для других вирусов, включая грипп, [39] гепатит С , [40] денге [41] и вирус Западного Нила . [42]
Проводятся предварительные исследования с целью выявления и тестирования bNAb против ВИЧ-1. [43] bNAb используются в исследованиях для рациональной разработки вакцин для стимуляции производства bNAb и иммунитета против вирусов. Антиген, который запускает выработку bNAb у животных или людей, неизвестен. [34]