Các globulin miễn dịch

48 Chương 5 CÁC GLOBULIN MIỄN DỊCH I. Định nghĩa Globulin miễn dịch hay kháng thể là các protein có trong huyết thanh hoặc dịch sinh học của cơ thể (nước tiểu, sữa...) có khả năng liên kết đặc hiệu với kháng nguyên đã kích thích sinh ra nó. Kháng thể theo đinh nghĩa trên đây được gọi là kháng thể miễn dịch hay kháng thể đặc hiệu. Những kháng thể có sẵn từ trước khi có sự tiếp xúc với kháng nguyên được gọi là kháng thể tự nhiên hay kháng thể không đặc hiệu. Ở đây chúng ta chỉ xem xét kháng thể đặc hiệu. Bản chất của kháng thể là protein, nên các tác nhân hóa, lý như axít, kiềm nhiệt độ đều có thể phá huỷ kháng thể. Hoạt tính của kháng thể phụ thuộc vào pH của môi trường và nhiều yếu tố khác. Amone sulfat, natri sulfat, cồn ở 5°C có thể làm kết tủa kháng thể nhưng không làm mất tính chất của chúng, do đó người ta lợi dụng tính chất này để tinh khiết kháng thể. Hai đặc tính sinh học quan trọng của kháng thể là khả năng phản ứng đặc hiệu với kháng nguyên và khả năng biểu hiện như một kháng nguyên, tức là kích thích sinh kháng thể chống laị chính nó. Kháng thể chống lại kháng thể gọi là kháng kháng thể. Có thể tạo kháng thể chống từng loại Ig hoặc chống từng phần cấu trúc của phân tử Ig (mảnh Fab hoặc Fc). II. Cấu trúc của kháng thể miễn dịch Tất cả các kháng thể đều được cấu tạo từ một (monomer) hay nhiều đơn vị cấu trúc giống nhau. Mỗi đơn vị là một phân tử protein chứa 4 chuỗi polypeptit, 2 chuỗi nhẹ (ngắn) ký hiệu là L và 2 chuỗi nặng (dài) ký hiệu là H được gắn với nhau bởi cầu nối disulfua (S-S). Trình tự axit amin ở kháng thể giống hệt nhau theo từng đôi chuỗi nặng và từng đôi chuỗi nhẹ. Cả phân tử kháng thể có cấu tạo đối xứng. Chuỗi nhẹ: có trọng lượng phân tử là 25.000, chứa khoảng 211- 221 axit amin. Có 2 loại chuỗi nhẹ, chuỗi kappa (κ) hoặc lambda (λ). Mỗi phân tử Ig chỉ chứa hoặc 2 chuỗi kappa hoặc 2 chuỗi lambda mà không bao giờ chứa cả 2 loại. Mỗi chuỗi nhẹ chứa 2 vùng axit amin. Một vùng có trật tự axit amin có thể thay đổi gọi là vùng biến đổi, ký hiệu VL (variable). Vùng này nằm ở phía đầu amin (-NH2) của phân tử. Vùng còn lại có trật tự axit amin không bao giờ thay đổi gọi là vùng cố định CL(constant). Vùng này nằm ở phía đầu cacboxyl (-COOH). Trật tự axit 49 amin vùng cố định của chuỗi nhẹ luôn giống nhau ở tất cả các lớp kháng thể, hoặc theo trật tự kappa hoặc theo trật tự lambda. Ngược lại trật tự axit amin của vùng biến đổi luôn khác nhau kể cả ở các kháng thể do cùng một tế bào sinh ra. Chuỗi nặng: Có trọng lượng phân tử khoảng 50.000-70.000, chứa khoảng 450 axit amin. Có 5 loại chuỗi nặng là γ, μ, α, δ, ε ứng với 5 lớp kháng thể là IgG, IgM, IgA, IgD và IgE. Mỗi chuỗi nặng chứa 4 vùng axit amin: 1 vùng biến đổi và 3 vùng cố định. Cũng tương tự như ở chuỗi nhẹ, vùng biến đổi của chuỗi nặng nằm ở phần đầu amin. Vùng này ký hiệu là VH. Vùng cố định nằm ở đầu cacboxyl và có trật tự axit amin giống nhau ở tất cả globulin miễn dịch thuộc cùng một lớp. Ba vùng cố định của chuỗi nặng được ký hiệu là CH1, CH2, CH3. Hai vùng biến đổi của chuỗi nặng và chuỗi nhẹ nằm kề nhau tạo thành vị trí kết hợp kháng nguyên (paratop) do vậy bảo đảm tính đa dạng của phân tử kháng thể. Vùng nằm giữa CH1 và CH2 của chuỗi nặng gọi là vùng bản lề, có khả năng mở ra hoặc khép lại từ 0°C-180°C giúp cho việc gắn phù hợp với 2 quyết định kháng nguyên. Vùng gấp khúc (domain) và các mảnh phân tử Ig. Các cầu nối disulfua vừa nối các chuỗi polypeptit lại với nhau để tạo nên phân tử globulin miễn dịch, vừa nối các axit amin (Cystein) nằm trong cùng chuỗi để tạo nên những gấp khúc xoắn (domain) hoặc cuộn hình câù nằm trên các đoạn peptit vùng cố định hoặc vùng biến đổi. Mỗi chuỗi nhẹ có 2 gấp khúc và mỗi chuỗi nặng có 4 gấp khúc. Mỗi gấp khúc có khoảng 60 axit amin. Edelman (1970) cho rằng chức năng vùng gấp khúc VH và VL là hợp tác với nhau để tạo nên bề mặt của vị trí kết hợp với kháng nguyên. Các vùng gấp khác làm nhiệm vụ trung gian cho các chức năng của kháng thể (gắn với bổ thể, gắn với thụ thể của các tế bào thực bào). Điểm kết nối kháng nguyên Điểm kết nối kháng nguyên Điểm hoạt hóa bổ thể Điểm kết nối với bổ thể Chuổi nhẹ Vùng bản lề Chuổi nặng Vùng chức nặng sinh học Cầu nối disuffide Hình 10. Sơ đồ cấu trúc phân tử kháng thể (Theo Ian R. Tizard. 2004) Hình 11. Vị trí của các điểm chức năng trên phân tử IgG (Theo Ian R. Tizard. 2004) Điểm kết nối kháng nguyên 50 Dưới tác dụng của enzym phân giải protein (papain hoặc pepsin), phân tử Ig được phân giải ra thành các mảnh nhỏ. Với papain: Thu được 3 mảnh + 2 mảnh Fab (Antigen binding fragment), mỗi mảnh gồm một chuỗi nhẹ và một phần chuỗi nặng có tận cùng-NH2, gồm các domain VH và CH1. Mảnh này có trọng lượng phân tử 50.000 và chỉ có một vị trí kết hợp được với kháng nguyên. + 1 mảnh Fc (Crystalizable fragment), mảnh này có trọng lượng phân tử 60.000, có tính kháng nguyên, có khả năng liên kết với một số tế bào khác và giữ vai trò nhất định trong việc hoạt hóa bổ thể. Với pepsin thu được 2 mảnh: Mảnh lớn có trọng lượng phân tử 100.000, có 2 hóa trị, gọi là mảnh F(ab)`2. Vì có 2 hóa trị cho nên mảnh này có hoạt tính như một kháng thể hoàn toàn, do đó tạo được phản ứng kết tủa (precipitation) và ngưng kết (agglutination) với kháng nguyên đặc hiệu. Mảnh F(ab)`2 đặc biệt có ý nghĩa trong trường hợp cần sử dụng tính kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên và loại bỏ phản ứng phụ không cần thiết do mảnh Fc gây ra. Mảnh nhỏ còn lại Fc có trọng lượng phân tử khoảng 56.000. III. Chức năng của kháng thể Sự kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên là một trong những chức năng chính của kháng thể, bên cạnh những chức năng khác như hoạt hóa bạch cầu, hoạt hóa bổ thể, hoạt hóa cơ chế vận chuyển qua màng tế bào..vv. Chức năng của kháng thể liên quan chặt chẽ với cấu trúc, do cấu trúc quy định. Hình 12. Sự phân bố của vùng siêu biến đổi và vùng khung trên chuổi nhẹ và chuổi nặng trong phân tử kháng thể (Theo Ian R. Tizard. 2004) CL CH1 Chuỗi nhẹ Chuỗi nặng Vùng khung Vùng siêu biến đổi NH2 NH2 51 Đoạn Fab: Có chức năng kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên, làm bất hoạt nó, mà các kết quả lý hóa đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều kỹ thuật miễn dịch. Đoạn Fc: Nối 2 đoạn Fab với nhau, có chức năng kết hợp với các thụ thể trên bề mặt tế bào (hoặc phân tử), khởi động các cơ chế hoạt hóa: Bạch cầu, bổ thể .. Như vậy kháng thể có chức năng hoạt hóa hệ miễn dịch không đặc hiệu.. Hình 15. Cấu trúc phân tử IgM (Theo Ian R. Tizard. 2004) Thành phần tiết Phân tử IgA tiết Hình 14. Cấu trúc của phân tử IgA và IgA tiết (Theo Ian R. Tizard. 2004) Xử lý bằng pepsin FabFab Fc F(ab)2 Hình 13. Kết quả xử lý bằng pepsin và papain của phân tử IgG (Theo Ian R. Tizard. 2004) Xử lý bằng papain 52 Fab và Fc không hoạt động riêng rẽ, mà có sự quan hệ phối hợp rất chặt chẽ. Ví dụ: Khi Fab tách khỏi Fc bằng enzyme thì nó vẫn kết hợp được với kháng nguyên, nhưng sẽ không gây được kết tủa, ngưng kết. Ví dụ khác: IgE thường gắn phần Fc vào thụ thể của bạch cầu Mast nhưng chỉ khi nào phần Fab của nó kết hợp với kháng nguyên thì tế bào Mát mới giải phóng các yếu tố gây viêm.. Tóm lại, các kháng thể có chức năng bất hoạt một cách đặc hiệu kháng nguyên, đồng thời hoạt hóa các cơ chế miễn dịch không đặc hiệu của cơ thể, kết hợp chặt chẽ miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu. 1. Chức năng nhận biết và kết hợp kháng nguyên Khi bị kháng thể kết hợp, kháng nguyên không bị biến đổi về mặt cấu trúc hóa học nhưng bị thay đổi về tính chất sinh học. Vi khuẩn hoặc vi rút mang kháng nguyên khi bị kháng thể đặc hiệu kết hợp sẽ mất khả năng nhân lên làm rối loạn chuyển hóa nội bào, thoái biến, dễ bị thực bào và bổ thể tiêu diệt. Các phân tử có hoạt tính khi bị kháng thể kết hợp sẽ mất hoạt tính..vv 1.1. Sự làm bất hoạt các phân tử có hoạt tính: Từ lâu người ta đã biết sản xuất kháng thể chống độc tố (uốn ván, bạch hầu) dùng trong phòng bệnh và điều trị. Trong bệnh lý kháng thể chống insulin, thyroglobulin gây suy giảm chức năng tuyến tụy, tuyến giáp. Kháng thể chống enzyme có tác dụng khử hoạt enzyme. Cơ chế khử hoạt có thể là: Vị trí hoạt động của phân tử kháng nguyên bị kháng thể che phủ bằng sự kết hợp khiến nó không tiếp xúc được đối tượng tác động nữa (ví dụ, thụ thể tế bào đích) Cấu hình của vị trí có hoạt tính bị biến dạng, không còn đặc hiệu với đích.với đích nữa. Phân tử có hoạt tính: Thay đổi về hình thể không gian. 1.2. Bất hoạt vi rút: Kháng thể làm cho vi rút mất khả năng kết hợp với thụ thể của tế bào đích, do vậy vi rút không thâm nhập được vào nội bnooijsexnhanh chóng chết ở ngoài ngoại bào. Trường hợp vi rút đã lọt vào nội bào, kháng thể vẫn có khả năng gây bất hoạt theo một cơ chế khác. Vi rút tồn tại và phát triển trong tế bào sẽ hình thành một số kháng nguyên (epitop) đưa lên bề mặt tếbaofeef, và 53 bị kháng thể kết hợp. Kháng thể không trực tiếp diệt vi rút nhưng có tác dụng hấp dẫn đại thực bào và NK (tế bào diệt tự nhiên) đến diệt cả tế bào nhiễm lẫn vi rút bên trong. Đó là cơ chế gây độc tế bào phụ thuộc kháng thể. 1.3. Bất hoạt vi khuẩn, ký sinh vật và ấu trùng của chúng. Xoắn khuẩn mất khả năng di động khi bị kháng thể kết hợp Tốc độ nhân lên của vi khuẩn giảm đi rõ rệt hoặc mất hẳn (không tạo được khuẩn lạc trong nuôi cấy ở gen thạch). Các quá trình trao đổi chất qua màng và chuyển hóa nội bào bị rối loạn, gián đoạn hoặc ngừng. Vi khuẩn chết. Tuy nhiên, vi khuẩn bị tiêu diệt nhanh hơn do thực bào, do hoạt hóa bổ thể hoặc do thuốc.. mà sự kết hợp kháng thể nói trên là tác nhân mở màn. Các ký sinh vật đơn bào và một số đa bào (sốt rét, trypanosoma, amip, giun chỉ..) bị kháng thể diệt trực tiếp, như cơ chế diệt vi khuẩn. Nhiều loại ấu trùng giun sán bị IgG và IgA ở ruột làm chậm hoặc ngừng phát triển, tỷ lệ nở và trường thành giảm rõ rệt, hoặc không thâm nhập được qua niêm mạc ruột để vào máu. IgE trong các mô có vai trò rất quan trọng trong bất hoạt và diệt ký sinh trùng. Sự kết hợp của kháng thể với ký sinh trùng tạo điều kiện cho bạch cầu ưa a xít và đại thực bào tiêu diệt chúng. 1.4. Chức năng tập trung kháng nguyên: Bằng cách gây tủa, gây ngưng kết, kháng thể có vai trò làm cho kháng nguyên từ dạng phân tán trở thành tập trung, do vậy hạn chế khả năng lan rộng của kháng nguyên, đồng thời tạo điều kiện quy tụ các biện pháp bảo vệ không đặc hiệu vào nơi kháng nguyên bị tập trung (viêm, thực bào, độc tế bào, bổ thể..) 2. Chức năng hoạt hóa hệ miễn dịch không đặc hiệu 2.1. Chức năng hoạt hóa bạch cầu. Nhiều loại bạch cầu có thụ thể với Fc của kháng thể. Bạch cầu đa nhân trung tính vẫn có khả năng bám và thực bào tự nhiên , nhưng Fc của kháng thể (và C3b của bổ thể) là những chất opsonin mạnh, tức là có khả năng kích hoạt sự bám dính, ăn, tiêu hủy các đối tượng thực bào Các tế bào gây độc: Nhiều loại tế bào có khả năng tiết ra các cytokine-toxin gây độc, gây chết cho các tế bào mang kháng nguyên. Đối tượng của chúng là những tế bào mang kháng nguyên đã bị đoạn Fab của 54 kháng thể kết hợp, còn đoạn Fc tự do có vai trò hấp dẫn các tế bào gây độc (vốn có thụ thể với Fc). Đây là cách gây độc phụ thuộc kháng thể. Ví dụ: Bạch cầu ưa eosin có thể trở thành tế bào gây độc nếu thụ thể của nó (với Fc) được Fc gắn vào. Bằng cách này, người ta thấy bạch cầu ưa eosin diệt các ký sinh trùng và ấu trùng của nó, sau khi các đối tượng này bị phủ bởi kháng thể đặc hiệu. Tế bào NK: Tương tự như vậy, tính gây độc của NK tăng lên và chúng trở thành có định hướng khi có mặt kháng thể làm cầu nối giữa chúng với tế bào đích. Bằng cách này, NK diệt tế bào mang vi rút, tế bào ung thư. Tế bào ái kiềm: Tế bào ái kiềm có thụ thể gắn được với Fc của phân tử IgE. Phần Fab của IgE khi bị kháng nguyên kết hợp sẽ thông qua thụ thể nói trên, khởi động một cơ chế giải phóng các hạt chứa các chất gây viêm(tăng thấm mạch) ra xung quanh, tham gia diệt ký sinh trùng. 2.2. Chức năng hoạt hóa đại thực bào: Đại thực bào có thể nuốt và tiêu hủy nhiều đối tượng thực bào khác nhau, nhưng khi kháng thể gắn Fab vào các đối tượng đó (kháng nguyên) còn gắn Fc vào thụ thể của đại thực bào thì đại thực bào được hoạt hóa rất mạnh, tăng cường khả năng bắt giữ, nuốt và tiêu hủy dối tượng thực bào. Những ký sinh trùng bị phủ bởi IgE cũng là đối tượng hấp dẫn và hoạt hóa đại thực bào. Có thể hình dung kháng thể là cầu nối phân tử giữa các tế bào thực bào với đối tượng thực bào. 3. Hoạt hóa cơ chế vận chuyển Ig qua màng tế bào Tế bào biểu mô ruột có thụ thể với Fc (mặt trong biểu mô) giúp cho các IgA ở thể lưỡng phân (dimere) có thể gắn vào. Chính sự gắn kết này đã hoạt hóa một cơ chế vận chuyển: Thoạt đàu cả IgA và thụ thể lặn vào trong tế bào dưới dạng một nang nhỏ (không bào). rồi di chuyển xuyên tế bào, sang phía đối diện, để cuối cùng được giải phóng ra lòng ruột thực hiện vai trò bảo vệ niêm mạc ruột. 4. Hoạt hóa bổ thể Phần Fc của kháng thể còn có chức năng hoạt hóa bổ thể sau khi Fab của kháng thể kết hợp với kháng nguyên. Loại kháng thể hoạt hóa được bổ thể là IgM và đa số IgG: Đó là những kháng thể chiếm tỷ lệ lớn nhất trong cơ thể, do vậy bổ thể được hoạt hóa trong đa số trường hợp kết hợp kháng nguyên-kháng thể. Nhiều kháng nguyên có thể hoạt hóa trực tiếp bổ thể, không cần sự tham gia của bổ thể. Nhưng trong quá trình tiến hóa miễn dịch, khi đã xuất hiện kháng thể thì số kháng nguyên gây hoạt hóa bổ thể tăng lên gấp bội, 55 mà vai trò hoạt hóa này là tạo ra các cơ chế bảo vệ cơ thể (Viêm, thực bào, ly giải tế bào mang kháng nguyên) 5. Chức năng của kháng thể trong phối hợp miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu Sự kết hợp của kháng thể với kháng nguyên chỉ là một trong nhiều chức năng của kháng thể. Tuy vậy, đây là chức năng được hình thành sau cùng của hệ miễn dịch đặc hiệu trong quá trình tiến hóa. Trong nhiều trường hợp, chức năng này được thực hiện là tiền đề để các chức năng khác của kháng thể được thực hiện, chẳng hạn chức năng hoạt hóa bổ thể (Các thành phần của bổ thể hoạt hóa khi có sự kết hợp với kháng nguyên- kháng thể). Đoạn Fc có thụ thể với hầu hết các tế bào và phân tử của hệ miễn dịch không đặc hiệu, gồm cả bổ thể và các tế bào của phản ứng viêm nên kháng thể làm nhiệm vụ như cái cầu nối phân tử cho sự phối hợp miễn dịch đặc hiệu và miễn dịch không đặc hiệu, đó là chức năng tổng quát của mọi kháng thể. Khi không có kháng thể thì các biện phánp miễn dịch đặc hiệu vẫn được huy động nhằm bảo vệ cơ thể, nhưng khi kháng thể kết hợp với kháng nguyên thì kháng nguyên bị tập trung lại (thể hiện bằng phản ứng tủa, ngưng kết..)đồng thời hấp dẫn và hoạt hóa các cơ chế miễn dịch không đặc hiệu hướng về nơi tập trung kháng nguyên, nhờ vậy kháng nguyên càng nhanh chóng bị loại trừ. Thiếu kháng thể bẩm sinh hay mắc phải đều dẫn đến đe dọa sự sống còn của cơ thể. Sự xuất hiện của kháng thể trong quá trình tiến hóa đem lại cho sinh vật khả năng trực tiếp loại trừ kháng nguyên và tăng cường sự định hướng của miễn dịch không đặc hiệu loại trừ kháng nguyên. Sự xuất hiện kháng thể còn làm cho phản ứng viêm thêm phong phú về cơ chế bệnh sinh: một mặt kháng thể kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên, mặt khác nó hoạt hóa không đặc hiệu các cơ chế dịch thể và tế bào, là một trong những tác nhân quan trọng gây ra viêm theo các cơ chế: - Sản phẩm C3a, C5a gây tăng thấm mạch và hấp dẫn bạch cầu đa nhân. - Các chất có hoạt tính từ tế bào mast giải phóng ra. - Các cytokine của bạch cầu trung tính và đại thực bào. - Các phức hợp miễn dịch hình thành tại chỗ, hay lắng đọng tự môi trường dịch thể. Sự hấp dẫn các tế bào viêm tới vị trí xảy ra sự kết hợp kháng nguyên- kháng thể (hoặc nơi chúng lắng đọng).