Гаптендер: Иммундық жауапты туындататын молекулалар

Кіріспе

Тасымалдағышқа бекітілген кезде иммундық жауапты тудыратын молекула.

Гаптендер (грекше haptein сөзінен шыққан, "бекіту" деген мағынаны білдіреді) – бұл протеин сияқты үлкен тасымалдағышқа бекітілгенде ғана иммундық жауапты тудыратын шағын молекулалар; тасымалдағыш өзі иммундық жауапты тудырмауы да мүмкін. Иммундық жауаптың болмауының механизмдері әртүрлі болуы мүмкін және күрделі иммунологиялық өзара әрекеттесулерді қамтиды, бірақ антигенді ұсынатын жасушалардан костимуляциялық сигналдардың жоқтығы немесе жеткіліксіздігі болуы мүмкін. Гаптендер аллергиялық контактты дерматитті (АКД) және ішек қабыну ауруының (ІҚБ) аутоиммундық сияқты жауаптарды тудыратын механизмдерін зерттеу үшін қолданылған. Гаптендер туралы түсінік австриялық иммунолог Карл Ландштейнердің жұмысынан пайда болды, ол иммунохимиялық құбылыстарды зерттеу үшін синтетикалық гаптендерді қолдануды алғаш рет енгізді.

Гаптен тасымалдаушысының адуктінің иммундық реакциясы

Теріге жағылатын гаптендер, тасымалдаушымен қосылғанда, Т-жасушалары мен дендриттік жасушалар арқылы қамтамасыз етілетін IV типті кешіктірілген гиперсезімталдық реакциясын – контакттік гиперсезімталдықты тудыруы мүмкін. Ол екі кезеңнен тұрады: сезімталдану және элицитация. Гаптенді теріге алғаш рет жаққан сезімталдану кезеңі, дендриттік жасушалардың лимфа түйіндеріне қозғалуы, антигенге спецификалық жаңа Т-жасушаларын дайындау, сондай-ақ антигенге спецификалық эффекторлық немесе жад Т-жасушалары мен В-жасушалары және антидене шығаратын плазмалық жасушалардың пайда болуын қамтитын туа біткен иммундық жауаптардың белсендірілуімен сипатталады. Гаптенді терінің басқа бөлігіне жаққан екінші элицитация кезеңі эффекторлық Т-жасушаларының белсендірілуімен басталады, одан кейін Т-жасушалары арқылы тінді зақымдану және антиденеге байланысты иммундық жауаптар пайда болады. Гаптендер бастапқыда қабыну цитокиндері, зақымданумен байланысты молекулалық үлгілер (DAMP) немесе инфламмасоманы қамтитын күрделі механизмдер арқылы туа біткен иммундық жауаптарды белсендіреді. Дене гаптен-тасымалдаушы аддуктына қарсы антиденелерді жасағаннан кейін, кішкентай молекулалы гаптен антиденеге байланысуы мүмкін, бірақ ол әдетте иммундық жауапты қозғамайды; көбінесе тек гаптен-тасымалдаушы аддукты ғана осыны істей алады. Кейде кішкентай молекулалы гаптен, аддуктың антиденеге байланысуына кедеріс келтіре отырып, гаптен тежелуі деп аталатын процесте иммундық жауапты тоқтатуы мүмкін. Гаптеннің жақсы белгілі мысалы – урушиол, ол уытты лозада кездесетін токсин. Урушиол уытты лозадан тері арқылы сіңген кезде тері жасушаларында тотығуға ұшырап, нақты гаптенді – реактивті хинон түріндегі молекуланы жасайды, ол тері ақуыздарымен реакцияға түсіп, гаптен аддуктарын құрайды. Екінші рет әсер еткеннен кейін көбейген Т-жасушалары белсендіріліп, урушиолдан туындаған контактты дерматиттің әдеттегі көпіршіктерін тудыратын иммундық реакцияны қозғайды. Гаптенге байланысты контактты дерматиттің тағы бір мысалы – никельге аллергия, ол теріге еніп, тері ақуыздарына байланысатын никель металл иондарынан туындайды.

Haptens applied on skin, when conjugate with a carrier, could induce contact hypersensitivity, which is a type IV delayed hypersensitivity reaction mediated by T cells and dendritic cells. It consists of two phases: sensitization and elicitation. The sensitization phase where the hapten is applied to the skin for the first time is characterized by the activation of innate immune responses, including migration of dendritic cells to the lymph nodes, priming antigen specific naive T cells, and the generation of antigen specific effector or memory T cells and B cells and antibody secreting plasma cells. The second elicitation phase where the hapten is applied to a different skin area starts with activation of effector T cells followed by T cell mediated tissue damage and antibody mediated immune responses. Haptens initially activate innate immune responses by complex mechanisms involving inflammatory cytokines, damage associated molecular patterns (DAMP), or the inflammasome. Once the body has generated antibodies to a hapten carrier adduct, the small molecule hapten may also be able to bind to the antibody, but it will usually not initiate an immune response; usually only the hapten carrier adduct can do this. Sometimes the small molecule hapten can even block immune response to the hapten carrier adduct by preventing the adduct from binding to the antibody, a process called hapten inhibition. A well known example of a hapten is urushiol, which is the toxin found in poison ivy. When absorbed through the skin from a poison ivy plant, urushiol undergoes oxidation in the skin cells to generate the actual hapten, a reactive quinone type molecule, which then reacts with skin proteins to form hapten adducts. After a second exposure, the proliferated T cells become activated, generating an immune reaction that produces typical blisters of a urushiol induced contact dermatitis. Other example of a hapten mediated contact dermatitis is nickel allergy, which is caused by nickel metal ions penetrating the skin and binding to skin proteins.

Гаптендердің мысалдары

Көптеген гаптендер әртүрлі дәрі-дәрмектерде, пестицидтерде, гормондарда, тағамдық токсиндерде және т.б. кездеседі. Ең маңызды фактор – молекулалық массасы, ол <1000 Да. Алғаш зерттелген гаптендер анилин және оның карбоксил туындылары (о-, м- және р-аминбензой қышқылы) болды. Кейбір гаптендер аутоиммундық ауруларды тудыруы мүмкін. Мысалы, гидралазин – қан қысымын төмендететін дәрі, кейде белгілі бір адамдарда дәрілік эрифематозды тудыруы мүмкін. Бұл сондай-ақ анестезиялық газ галотанның өмірге қауіпті гепатитке әкелу механизмі болып көрінеді, сондай-ақ пенициллин класындағы дәрілердің аутоиммундық гемолитикалық анемияны тудыру механизмі де осыған ұқсас. Молекулалық биологияда жиі қолданылатын басқа гаптендерге флуоресцеин, биотин, дигоксигенин және динитрофенол жатады. Глутаральдегидті пайдалану арқылы иммундық тануға жарамды тасымалдаушы ақуыздармен байланыстыру арқылы серотонин (5HT), глутамат, дофамин, ГАМК, триптамин, глицин, норадреналин сияқты кейбір нейротрансмиттерлерге, сондай-ақ триптофан, 5-гидрокситриптофан, 5-метокситриптофан сияқты аминқышқылдарына қарсы антителолар сәтті өндірілді. Мұндай кішкентай молекулаларды тіндерде анықтау үшін тінді глютаральдегидпен бекіту қажет, себебі қызығушылық тудыратын молекуладағы глютаральдегидтің коваленттік байланысы көбінесе антитело танитын эпитоптың бір бөлігін құрайды.

Хаптен тіркестері

Олардың табиғаты мен қасиеттеріне байланысты, гаптен-тасымалдаушы конъюгаттары иммунологиядағы маңызды құралдар болып табылады. Олар нақты эпитоптар мен антиденелердің қасиеттерін бағалауға қолданылады. Моноклоналдық антиденелерді тазарту және өндіруде олардың маңызы зор. Сондай-ақ, олар жоғары сезімтал сандық және сапалық иммуноәдістерді жасау үшін қажетті.

Тасымалдаушылар

Жалпы, тасымалдаушы ақуыздар иммуногенді болуы керек және гаптендермен конъюгацияға қабілетті, реактивті бүйір тізбектерінде жеткілікті аминқышқыл қалдықтарын қамтуы керек. Протеин гаптендеуі үшін гаптеннің өзі электрондар тапшы болуы (электрофилді) қажет, немесе ауада тотығу, немесе терідегі метаболизм сияқты факторлар арқылы протеинмен реакцияласатын түрге айналуы мүмкін. Гаптендер ковалентті байланыс арқылы тасымалдаушы молекулаға бекітіледі. Қолданылатын гаптендерге байланысты, тасымалдаушы ақуыздарды таңдауда олардың in vivo уыттылығы, коммерциялық қолжетімділігі және құны да ескерілуі керек. Аралық молекулалардың кросс-байланысуы: Бұл әдіс көбінесе реакцияға түспейтін гаптендер үшін қолданылады. Карбодимид немесе глютаральдегид сияқты кемінде екі химиялық реактивті тобы бар заттар гаптендердің тасымалдаушыларымен конъюгациялануына көмектеседі. Кросс-байланыстың деңгейі гаптен/тасымалдаушы және дәнекерлеуші агент арақатынасына, гаптен/тасымалдаушы концентрациясына, ортаның температурасы мен pH-ына байланысты. Глютаральдегид: Бұл әдіс глютаральдегидтің амин тобымен реакцияласып, Шифф негіздерін немесе Майкл типіндегі қосылыс өнімдерін құру арқылы жұмыс істейді. Конъюгаттардың мөлшерін реакцияның pH-ын өзгерту арқылы реттеуге болады. Жоғары pH Шифф негіздерінің аралық өнімдерін көбірек түзетіп, гаптен конъюгаттарының саны мен мөлшерін арттырады. Жалпы, глютаральдегидтің қатысуымен жүзеге асырылатын кросс-байланыс өте тұрақты. Дегенмен, иммундалған жануарлар глютаральдегидтің кросс-байланыс көпірлерін эпитоптар ретінде тануы мүмкін. Жоғары өнімді капиллярлық электрофорез: Жоғары өнімді капиллярлық электрофорез (HPCE) гаптен-ақуыз конъюгациясын оңтайландырудың балама әдісі болып табылады. HPCE көбінесе өте жоғары ажыратымдылыққа ие болатын көмірсуларды ажырату үшін қолданылады. HPCE-ні белгілі бір конъюгаттарды зерттеу үшін қолданудың көптеген артықшылықтары бар, мысалы, үлгінің өте аз мөлшерін (нл) қана қажет етуі. Сонымен қатар, қолданылған үлгіні тазартпау және радиоактивті белгілеу қажет емес. Гаптен конъюгациясының осы әдісінің маңызды артықшылығы – үлгіні автоматты түрде талдау және еркін ерітіндіде үлгілердің өзара әрекеттесуін тексеру мүмкіндігі. Бұл әдіс гаптен-ақуыз конъюгациясы эпитоптық тығыздығы төмен конъюгаттар үшін ерекше тиімді, себебі олардың электрлік немесе иондық жылдамдығын анықтау үшін басқа әдістерді қолдану қиынға түседі.

In general, carrier proteins should be immunogenic and contain enough amino acid residues in the reactive side chains to conjugate with the haptens. For protein haptenation to occur, hapten must be electron deficient (electrophilic), either by itself, or it can be converted to a protein reactive species for example by air oxidation or cutaneous metabolism. Haptens become fastened to a carrier molecule by a covalent bond. Depending on the haptens being used, other factors in considering the carrier proteins could include their in vivo toxicity, commercial availability and cost. Intermediary molecules cross linkage: This method mainly applies to nonreactive haptens. Agents with at least two chemically reactive groups such as carbodiimide or glutaraldehyde are to aid the conjugation of haptens to their carriers. The extent of cross linkage is dependent upon the hapten/carrier to coupling agent ratio, hapten/carrier concentration and the temperature, pH of the environment. Glutaraldehyde: This method works by the reaction between glutaraldehyde with amine groups to form Schiff bases or Michael type double bond addition products. The yield of conjugates can be controlled by varying the pH of the reaction. Higher pH would give rise to more Schiff base intermediates and subsequently lead to the increase in hapten conjugates' number and size. Overall, cross linkage involving glutaraldehyde is very stable. However, immunized animals tend to recognize glutaraldehyde's cross linking bridges as epitopes. High performance capillary electrophoresis: High performance capillary electrophoresis (HPCE) is an alternative method in optimizing hapten protein conjugation. HPCE is predominantly used in separating carbohydrates with a very high separation capacity. There are numerous advantages to using HPCE as a technique to investigate certain conjugates such as only requiring minute sample sizes (nl). In addition, the sample used does not need to be pure and no type of radiolabeling is needed. A great benefit to this method of hapten conjugation is that there is automated analysis of sample and the testing of sample interactions can be determined in free solution. This method of hapten protein conjugation is exceptionally effective with conjugates of low epitope densities, where it is otherwise very challenging by the use of other methods to determine their electrical or ionic mobility.

Хаптенді ингибициялау

Хаптенді тежеу немесе "жартылай хаптен" – III типті жоғары сезімталдық реакциясын тежеу. Тежеу кезінде бос хаптен молекулалары иммундық жауапты тудырмай, сол молекулаға қарсы антиденелермен байланысады, нәтижесінде иммуногенді хаптен-ақуыз қосындысына байланысуға аз антиденелер қалады. Хаптен тежеушінің мысалы – декстран 1, ол толық декстран кешенінің кішкентай бөлігі (1 килодальтон), антидекстран антиденелерін байланыстыруға жеткілікті, бірақ иммундық кешендер мен одан туындайтын иммундық жауаптардың қалыптасуына жеткіліксіз.

Зерттеу

Хаптендер иммунологияда және оған қатысты салаларда кеңінен қолданылады. Сенсибилизациялайтын химиялық заттар түрлі аллергия, аллергиялық контактілі дерматит немесе тыныс жолдарының сезімталдануын тудыруы мүмкін. Қызығы, химиялық заттардың нақты түрлері әртүрлі иммундық жауаптарды қоздырады: контактілі аллергендер I типті гиперсезімталдық жауабын тудырады, ал тыныс алу аллергендері II типті таңдамалы жауаптарды ынталандырады, бұл иммундық жауаптың әртүрлі антигендерге қалай бағытталатынын модельдеуге өте ыңғайлы болуы мүмкін. Аллергологияда, тері сезімталдығын, қауіпті анықтау және түрлі дәрілік заттар мен косметикалық құрауыштардың тиімділігін бағалау үшін in vitro/in silico сынақтары өнімді әзірлеудің бастапқы кезеңінде артықшылыққа ие. Дәрінің хаптен ретінде әрекет ету қабілеті – оның иммуногендік қасиеттерінің айқын көрсеткіші. Хаптенге тән антиденелер иммуноанализдердің, иммунобиосенсорлық технологиялардың және иммуноаффинитілік хроматографиялық тазарту бағаналарының кең ауқымында қолданылады; бұл антиденелер қоршаған ортаның кішкентай ластағыштарын, есірткілерді, дәрумендерді, гормондарды, метаболиттерді, тағамдық токсиндерді және қоршаған ортаның ластағыштарын анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін.