Нейтрализующее антитело ( NAb ) — это антитело , которое защищает клетку от патогена или инфекционной частицы, нейтрализуя любой биологический эффект, который она оказывает. Нейтрализация делает частицу более неинфекционной или патогенной. [3] [4] Нейтрализующие антитела являются частью гуморального ответа адаптивной иммунной системы против вирусов , бактерий и микробных токсинов . Связываясь специфически с поверхностными структурами ( антигеном ) на инфекционной частице, нейтрализующие антитела предотвращают взаимодействие частицы с ее клетками-хозяевами, которые она может инфицировать и уничтожить.
Для проникновения в клетки патогены, такие как циркулирующие вирусные частицы или внеклеточные бактерии, используют молекулы на своих поверхностях для взаимодействия с рецепторами клеточной поверхности своей целевой клетки, что позволяет им проникать в клетку и начинать цикл репликации . [5] Нейтрализующие антитела могут подавлять инфекционность, связываясь с патогеном и блокируя молекулы, необходимые для проникновения в клетку. Это может быть связано со статическим взаимодействием антител с патогенами или с токсинами, прикрепляющимися к рецепторам клетки-хозяина. В случае вирусной инфекции NAbs могут связываться с гликопротеинами оболочечных вирусов или капсидными белками безоболочечных вирусов. Кроме того, нейтрализующие антитела могут действовать, предотвращая структурные изменения частиц, часто необходимые для успешного проникновения в клетку. Например, нейтрализующие антитела могут предотвращать конформационные изменения вирусных белков, которые опосредуют слияние мембран, необходимое для проникновения в клетку-хозяина. [5] В некоторых случаях вирус не может инфицировать даже после диссоциации антитела. Комплекс патоген-антитело в конечном итоге захватывается и разрушается макрофагами. [6]
Нейтрализующие антитела также важны для нейтрализации токсических эффектов бактериальных токсинов. Примером нейтрализующего антитела является дифтерийный антитоксин , который может нейтрализовать биологические эффекты дифтерийного токсина . [7] Нейтрализующие антитела неэффективны против внеклеточных бактерий, поскольку связывание антител не препятствует размножению бактерий. Здесь иммунная система использует другие функции антител, такие как опсонизация и активация комплемента , чтобы убить бактерии. [8]
Не все антитела, которые связываются с патогенной частицей, являются нейтрализующими. Ненейтрализующие антитела, или связывающие антитела, специфически связываются с патогеном, но не мешают его инфекционности. Это может быть связано с тем, что они не связываются с нужной областью. Ненейтрализующие антитела могут быть важны для маркировки частицы для иммунных клеток , сигнализируя о том, что она была нацелена, после чего частица обрабатывается и, следовательно, уничтожается привлеченными иммунными клетками. [9] Нейтрализующие антитела, с другой стороны, могут нейтрализовать биологические эффекты антигена без необходимости в иммунных клетках. В некоторых случаях ненейтрализующие антитела или недостаточное количество нейтрализующих антител, связывающихся с вирусными частицами, могут использоваться некоторыми видами вирусов для облегчения поглощения их клетками-хозяевами. Этот механизм известен как антителозависимое усиление . [10] Он наблюдался для вируса Денге и вируса Зика . [11]
Антитела вырабатываются и секретируются В-клетками . Когда В-клетки вырабатываются в костном мозге , гены, кодирующие антитела, подвергаются случайной генетической рекомбинации ( рекомбинация V(D)J ), в результате чего каждая зрелая В-клетка вырабатывает антитела, которые отличаются по аминокислотной последовательности в антигенсвязывающей области . Таким образом, каждая В-клетка вырабатывает антитела, которые специфически связываются с различными антигенами . [12] Сильное разнообразие в репертуаре 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 клонального отбора одного клона В-клеток: В-клетки привлекаются к месту инфекции путем обнаружения интерферонов , которые выделяются инфицированными клетками как часть врожденного иммунного ответа . В-клетки отображают В-клеточные рецепторы на своей клеточной поверхности, которые представляют собой просто антитело, прикрепленное к клеточной мембране. Когда рецептор В-клеток связывается со своим родственным антигеном с высокой аффинностью, запускается внутриклеточный сигнальный каскад . В дополнение к связыванию с антигеном, В-клетки должны стимулироваться цитокинами, вырабатываемыми Т-хелперными клетками как часть клеточного ответа иммунной системы против патогена. После того, как В-клетка полностью активирована, она быстро пролиферирует и дифференцируется в плазматические клетки . Затем плазматические клетки секретируют антигенспецифические антитела в больших количествах. [13] После первой встречи с антигеном при вакцинации или естественном инфицировании иммунологическая память позволяет быстрее вырабатывать нейтрализующие антитела после следующего воздействия вируса.
Вирусы используют различные механизмы, чтобы уклониться от нейтрализующих антител. [14] Вирусные геномы мутируют с высокой скоростью. Мутации , которые позволяют вирусам уклоняться от нейтрализующего антитела, будут отобраны и, следовательно, преобладают. Наоборот, антитела также одновременно эволюционируют путем созревания сродства в ходе иммунного ответа, тем самым улучшая распознавание вирусных частиц. Консервативные части вирусных белков, которые играют центральную роль в вирусной функции, с меньшей вероятностью эволюционируют 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 связывать антителам. [14] Некоторые вирусные гликопротеины сильно гликозилированы N- и O-связанными гликанами , создавая так называемый гликановый щит, который может снизить сродство связывания антител и облегчить уклонение от нейтрализующих антител. [14] ВИЧ-1 , причина СПИДа у человека , использует оба этих механизма. [15] [16]
Нейтрализующие антитела используются для пассивной иммунизации и могут использоваться для 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 могут быть использованы в качестве эффективного лечения вирусных инфекций и токсинов. [17] Антисыворотка является очень грубой терапией, поскольку антитела в плазме не очищаются и не стандартизируются, а плазма крови может быть отторгнута донором. [18] Поскольку она основана на донорстве от выздоровевших пациентов, ее нельзя легко масштабировать. Однако сегодня сывороточная терапия 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] Она также тестируется как возможное лечение COVID-19 . [23] [24] Иммуноглобулиновая терапия , при которой используется смесь антител, полученных от здоровых людей, назначается пациентам с иммунодефицитом или иммуносупрессией для борьбы с инфекциями.
Для более специфического и надежного лечения можно использовать очищенные поликлональные или моноклональные антитела (mAb). Поликлональные антитела представляют собой набор антител, которые нацелены на один и тот же патоген, но связываются с разными эпитопами . Поликлональные антитела получают от доноров-людей или животных, которые подверглись воздействию антигена. Антиген, вводимый донорам-животным, может быть разработан таким образом, чтобы предпочтительно вырабатывать нейтрализующие антитела. [25] Поликлональные антитела использовались для лечения цитомегаловируса (ЦМВ), вируса гепатита В (HBV), вируса бешенства , вируса кори и респираторно-синцитиального вируса (RSV). [18] Дифтерийный антитоксин содержит поликлональные антитела против дифтерийного токсина . [26] При лечении антителами, связывающими несколько эпитопов, лечение остается эффективным, даже если вирус мутирует и один из эпитопов меняет структуру. Однако из-за характера производства лечение поликлональными антителами имеет вариации от партии к партии и низкие титры антител . [25] Моноклональные антитела, с другой стороны, все связывают один и тот же эпитоп с высокой специфичностью. Их можно производить с помощью технологии гибридом , которая позволяет производить mAbs в больших количествах. [17] mAbs против инфекций перестают работать, когда вирус мутирует в эпитопе, на который нацелены mAbs, или циркулируют множественные штаммы. Примерами препаратов, которые используют моноклональные антитела, являются ZMapp против Эболы [27] и Palivizumab против RSV. [28] Многие mAB 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, вакцина может быть рационально разработана таким образом, чтобы она стимулировала иммунную систему к выработке нейтрализующих антител, а не связывающих антител. [29] [30] Введение ослабленной формы вируса посредством вакцинации позволяет производить нейтрализующие антитела В-клетками . После повторного воздействия нейтрализующий ответ антител происходит быстрее из-за существования В-клеток памяти , которые вырабатывают антитела, специфичные для вируса. [31] Эффективная вакцина вызывает 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 других, что может потребовать обновления вакцин в ответ. Хорошо известным примером является вакцина от вируса гриппа , которая должна обновляться ежегодно, чтобы учитывать последние циркулирующие штаммы 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 являются мишенью для нейтрализующих антител. Несколько примеров — Ребиф, Бетасерон и Авонекс. [2]
Анализы нейтрализации можно проводить и измерять различными способами, включая использование таких методов, как уменьшение бляшек (сравнивающее количество вирусных бляшек в контрольных лунках с количеством в инокулированных культурах), микронейтрализация (проводимая в микротитрационных планшетах, заполненных небольшим количеством 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 сродства В-клетками. [13] Некоторые патогены с высокой генетической изменчивостью, такие как ВИЧ, постоянно меняют свою поверхностную структуру таким образом, 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 вырабатывать иммунологическую память против патогена. [33] С другой стороны, широко нейтрализующие антитела (bNAbs) обладают особой способностью связывать и нейтрализовать несколько штаммов одного вида вируса. [34]
bNAbs изначально были обнаружены у пациентов с ВИЧ. [35] Однако они довольно редки: исследование скрининга in situ показало, что только у 1% всех пациентов развиваются bNAbs против ВИЧ. [36] bNAB могут нейтрализовать широкий спектр штаммов вируса, связываясь с консервативными областями поверхностных белков вируса, которые не способны мутировать, поскольку они функционально необходимы для репликации вируса. Большинство участков связывания bNAbs против ВИЧ находятся на открытом поверхностном антигене ВИЧ, белке оболочки (Env) (тример, состоящий из субъединиц gp120 и gp41 ). Эти участки включают участок связывания CD4 или интерфейс gp41-gp120. [37] Базы данных ВИЧ Национальной лаборатории Лос-Аламоса являются всеобъемлющим ресурсом, который содержит огромное количество информации о последовательностях ВИЧ, bNAbs и многом другом. [38]
Кроме того, bNAb были обнаружены для других вирусов, включая грипп, [39] гепатит С , [40] лихорадку денге [41] и вирус Западного Нила . [42]
Предварительные исследования проводятся для идентификации и тестирования bNAbs против ВИЧ-1. [43] bNAbs используются в исследованиях для рационального проектирования вакцин для стимуляции выработки bNAbs и иммунитета против вирусов. Ни один антиген, который запускает выработку bNAb в животных моделях или у людей, не известен. [34]