Antikörper
Ein Antikörper (Ab), auch bekannt als Immunglobulin (Ig), ist ein großes, Y-förmiges Protein, das vom Immunsystem verwendet wird, um Fremdkörper wie pathogene Bakterien und Viren zu identifizieren und zu neutralisieren. Der Antikörper erkennt ein einzigartiges Molekül des Krankheitserregers, ein so genanntes Antigen. Jede Spitze des "Y" eines Antikörpers enthält ein Paratop (analog zu einem Schloss), das für ein bestimmtes Epitop (analog zu einem Schlüssel) auf einem Antigen spezifisch ist, so dass diese beiden Strukturen präzise aneinander binden können. Mit Hilfe dieses Bindungsmechanismus kann ein Antikörper eine Mikrobe oder eine infizierte Zelle markieren, damit sie von anderen Teilen des Immunsystems angegriffen werden kann, oder er kann sie direkt neutralisieren (z. B. indem er einen Teil eines Virus blockiert, der für seine Invasion wesentlich ist). ⓘ
Damit das Immunsystem Millionen verschiedener Antigene erkennen kann, sind die Antigenbindungsstellen an den beiden Spitzen des Antikörpers ebenso vielfältig. Im Gegensatz dazu ist der Rest des Antikörpers relativ konstant. Er kommt nur in einigen wenigen Varianten vor, die die Klasse oder den Isotyp des Antikörpers definieren: IgA, IgD, IgE, IgG und IgM. Die konstante Region am Rumpf des Antikörpers umfasst Stellen, die an der Interaktion mit anderen Komponenten des Immunsystems beteiligt sind. Die Klasse bestimmt also neben einigen strukturellen Merkmalen auch die Funktion, die ein Antikörper nach der Bindung an ein Antigen auslöst. Antikörper verschiedener Klassen unterscheiden sich auch darin, wo sie im Körper freigesetzt werden und in welchem Stadium einer Immunreaktion. ⓘ
Zusammen mit den B- und T-Zellen bilden die Antikörper den wichtigsten Teil des adaptiven Immunsystems. Sie kommen in zwei Formen vor: eine, die an eine B-Zelle gebunden ist, und die andere, eine lösliche Form, die nicht gebunden ist und sich in extrazellulären Flüssigkeiten wie dem Blutplasma befindet. Ursprünglich haben alle Antikörper die erste Form, die an die Oberfläche einer B-Zelle gebunden ist - diese werden dann als B-Zell-Rezeptoren (BCR) bezeichnet. Nach der Bindung eines Antigens an einen BCR wird die B-Zelle aktiviert, vermehrt sich und differenziert sich entweder in Plasmazellen, die lösliche Antikörper mit demselben Paratop absondern, oder in Gedächtnis-B-Zellen, die im Körper überleben und eine dauerhafte Immunität gegen das Antigen ermöglichen. Lösliche Antikörper werden in das Blut und die Gewebeflüssigkeiten sowie in zahlreiche Sekrete abgegeben. Da diese Flüssigkeiten traditionell als Körpersäfte bezeichnet wurden, wird die Antikörper-vermittelte Immunität manchmal auch als humorale Immunität bezeichnet oder als Teil davon betrachtet. Die löslichen Y-förmigen Einheiten können einzeln als Monomere oder in Komplexen von zwei bis fünf Einheiten auftreten. ⓘ
Antikörper sind Glykoproteine, die zur Superfamilie der Immunglobuline gehören. Die Begriffe Antikörper und Immunglobulin werden häufig synonym verwendet, obwohl der Begriff "Antikörper" manchmal für die sezernierte, lösliche Form reserviert wird, d. h. ohne B-Zell-Rezeptoren. ⓘ
Antikörper (Immunglobuline, im internationalen Sprachgebrauch auch Immunoglobulin, veraltet Gammaglobulin) sind Proteine (Eiweiße) aus der Klasse der Globuline, die in Wirbeltieren als Reaktionsprodukt von besonderen Körperzellen (Plasmazellen) auf bestimmte Stoffe (als Antigene bezeichnete Substanzen) gebildet (synthetisiert) werden. Antikörper stehen im Dienste des Immunsystems. Antikörper werden von einer Klasse weißer Blutzellen, den Plasmazellen, auf eine Reaktion der B-Lymphozyten hin, produziert. ⓘ
Aufbau
Antikörper sind schwere (~150 kDa) Proteine von etwa 10 nm Größe, die in drei kugelförmigen Regionen angeordnet sind, die ungefähr eine Y-Form bilden. ⓘ
Beim Menschen und den meisten Säugetieren besteht eine Antikörpereinheit aus vier Polypeptidketten; zwei identische schwere Ketten und zwei identische leichte Ketten, die durch Disulfidbindungen verbunden sind. Jede Kette besteht aus einer Reihe von Domänen, d. h. recht ähnlichen Sequenzen von jeweils etwa 110 Aminosäuren. Diese Domänen werden in vereinfachten Schemata gewöhnlich als Rechtecke dargestellt. Leichte Ketten bestehen aus einer variablen Domäne VL und einer konstanten Domäne CL, während schwere Ketten eine variable Domäne VH und drei bis vier konstante Domänen CH1, CH2, ... enthalten. ⓘ
Strukturell ist ein Antikörper auch in zwei antigenbindende Fragmente (Fab) aufgeteilt, die jeweils eine VL-, VH-, CL- und CH1-Domäne enthalten, sowie in das kristallisierbare Fragment (Fc), das den Rumpf der Y-Form bildet. Dazwischen befindet sich eine Scharnierregion der schweren Ketten, deren Flexibilität es den Antikörpern ermöglicht, an Epitoppaare in unterschiedlichen Abständen zu binden, Komplexe (Dimere, Trimere usw.) zu bilden und Effektormoleküle leichter zu binden. ⓘ
Bei einem Elektrophorese-Test von Blutproteinen wandern die Antikörper meist in die letzte, die Gammaglobulin-Fraktion. Umgekehrt sind die meisten Gammaglobuline Antikörper, weshalb die beiden Begriffe in der Vergangenheit als Synonyme verwendet wurden, ebenso wie die Symbole Ig und γ. Diese abweichende Terminologie wurde aufgrund der ungenauen Entsprechung und der Verwechslung mit den schweren γ-Ketten, die die IgG-Klasse der Antikörper kennzeichnen, nicht mehr verwendet. ⓘ
Antigen-Bindungsstelle
Die variablen Domänen können auch als FV-Region bezeichnet werden. Es handelt sich um die Unterregion von Fab, die an ein Antigen bindet. Genauer gesagt enthält jede variable Domäne drei hypervariable Regionen - die Aminosäuren, die dort zu finden sind, variieren am meisten von Antikörper zu Antikörper. Wenn sich das Protein faltet, entstehen aus diesen Regionen drei Schleifen aus β-Strängen, die nahe beieinander auf der Oberfläche des Antikörpers liegen. Diese Schleifen werden als komplementäritätsbestimmende Regionen (CDRs) bezeichnet, da ihre Form die eines Antigens ergänzt. Jeweils drei CDRs der schweren und der leichten Kette bilden zusammen eine Antikörper-Bindungsstelle, deren Form von einer Tasche, an die ein kleineres Antigen bindet, über eine größere Oberfläche bis hin zu einem Vorsprung, der in eine Rille des Antigens hineinragt, alles sein kann. In der Regel tragen jedoch nur einige wenige Reste zum größten Teil der Bindungsenergie bei. ⓘ
Das Vorhandensein von zwei identischen Antikörper-Bindungsstellen ermöglicht es Antikörpermolekülen, stark an multivalente Antigene zu binden (sich wiederholende Stellen wie Polysaccharide in bakteriellen Zellwänden oder andere Stellen, die in einiger Entfernung voneinander liegen) sowie Antikörperkomplexe und größere Antigen-Antikörper-Komplexe zu bilden. Die daraus resultierende Vernetzung spielt eine Rolle bei der Aktivierung anderer Teile des Immunsystems. ⓘ
Die Strukturen der CDRs wurden von Chothia et al. und in jüngerer Zeit von North et al. Die Beschreibung der Bindungsstelle eines Antikörpers anhand nur einer einzigen statischen Struktur schränkt jedoch das Verständnis und die Charakterisierung der Funktion und der Eigenschaften des Antikörpers ein. Um die Vorhersage der Antikörperstruktur zu verbessern und die stark korrelierten Bewegungen der CDR-Schleife und der Grenzfläche zu berücksichtigen, sollten die Antikörperparatope als sich in Lösung befindende Zustände mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden. ⓘ
Im Rahmen der Immun-Netzwerk-Theorie werden CDRs auch als Idiotypen bezeichnet. Nach der Immun-Netzwerk-Theorie wird das adaptive Immunsystem durch Interaktionen zwischen Idiotypen reguliert. ⓘ
Fc-Region
Die Fc-Region (der Rumpf der Y-Form) besteht aus konstanten Domänen der schweren Ketten. Ihre Rolle besteht darin, die Aktivität der Immunzellen zu modulieren: Hier binden die Effektormoleküle und lösen verschiedene Wirkungen aus, nachdem die Fab-Region des Antikörpers an ein Antigen gebunden hat. Effektorzellen (wie Makrophagen oder natürliche Killerzellen) binden über ihre Fc-Rezeptoren (FcR) an die Fc-Region eines Antikörpers, während das Komplementsystem durch Bindung des C1q-Proteinkomplexes aktiviert wird. IgG oder IgM können an C1q binden, IgA jedoch nicht, weshalb IgA den klassischen Komplementweg nicht aktiviert. ⓘ
Eine weitere Aufgabe der Fc-Region besteht darin, verschiedene Antikörperklassen selektiv im Körper zu verteilen. Insbesondere der neonatale Fc-Rezeptor (FcRn) bindet an die Fc-Region von IgG-Antikörpern, um sie über die Plazenta von der Mutter zum Fötus zu transportieren. ⓘ
Antikörper sind Glykoproteine, d. h. sie enthalten Kohlenhydrate (Glykane), die an konservierte Aminosäurereste gebunden sind. Diese konservierten Glykosylierungsstellen befinden sich in der Fc-Region und beeinflussen die Interaktionen mit den Effektormolekülen. ⓘ
Struktur der Proteine
Der N-Terminus jeder Kette befindet sich an der Spitze. Jede Immunglobulindomäne hat eine ähnliche Struktur, die für alle Mitglieder der Immunglobulin-Superfamilie charakteristisch ist: Sie besteht aus 7 (bei konstanten Domänen) bis 9 (bei variablen Domänen) β-Strängen, die zwei Beta-Folien in einem griechischen Schlüsselmotiv bilden. Die Blätter bilden eine "Sandwich"-Form, die Immunglobulinfalte, die durch eine Disulfidbindung zusammengehalten wird. ⓘ
Antikörper-Komplexe
Sekretierte Antikörper können als eine einzige Y-förmige Einheit, ein Monomer, auftreten. Einige Antikörperklassen bilden jedoch auch Dimere mit zwei Ig-Einheiten (wie IgA), Tetramere mit vier Ig-Einheiten (wie IgM von Teleostfischen) oder Pentamere mit fünf Ig-Einheiten (wie IgW von Haien oder IgM von Säugetieren, das gelegentlich auch Hexamere mit sechs Einheiten bildet). ⓘ
Antikörper bilden auch Komplexe, indem sie sich an ein Antigen binden: Dies wird als Antigen-Antikörper-Komplex oder Immunkomplex bezeichnet. Kleine Antigene können zwei Antikörper miteinander vernetzen, was ebenfalls zur Bildung von Antikörperdimeren, -trimeren, -tetrameren usw. führt. Multivalente Antigene (z. B. Zellen mit mehreren Epitopen) können größere Komplexe mit Antikörpern bilden. Ein extremes Beispiel ist die Verklumpung oder Agglutination von roten Blutkörperchen mit Antikörpern beim Coombs-Test zur Bestimmung der Blutgruppen: Die großen Klumpen werden unlöslich, was zu einem visuell sichtbaren Niederschlag führt. ⓘ
B-Zell-Rezeptoren
Die membrangebundene Form eines Antikörpers kann als Oberflächen-Immunglobulin (sIg) oder als Membran-Immunglobulin (mIg) bezeichnet werden. Es ist Teil des B-Zell-Rezeptors (BCR), der es einer B-Zelle ermöglicht, die Anwesenheit eines bestimmten Antigens im Körper zu erkennen und die Aktivierung der B-Zellen auszulösen. Der BCR besteht aus oberflächengebundenen IgD- oder IgM-Antikörpern und assoziierten Ig-α- und Ig-β-Heterodimeren, die zur Signaltransduktion fähig sind. Eine typische menschliche B-Zelle hat 50.000 bis 100.000 Antikörper an ihre Oberfläche gebunden. Nach der Antigenbindung lagern sie sich in großen Flecken, die einen Durchmesser von über 1 Mikrometer haben können, auf Lipid Rafts an, die die BCRs von den meisten anderen Zellsignalrezeptoren isolieren. Diese Flecken können die Effizienz der zellulären Immunantwort verbessern. Beim Menschen ist die Zelloberfläche um die B-Zell-Rezeptoren herum mehrere hundert Nanometer lang kahl, was die BCRs weiter von konkurrierenden Einflüssen isoliert. ⓘ
Klassen
Antikörper gibt es in verschiedenen Varianten, die als Isotypen oder Klassen bezeichnet werden. Bei Säugetieren der Plazenta gibt es fünf Antikörperklassen, die als IgA, IgD, IgE, IgG und IgM bekannt sind und sich weiter in Unterklassen wie IgA1 und IgA2 unterteilen. Die Vorsilbe "Ig" steht für Immunglobulin, während die Nachsilbe den Typ der schweren Kette angibt, die der Antikörper enthält: Die schweren Kettentypen α (alpha), γ (gamma), δ (delta), ε (epsilon), μ (mu) ergeben jeweils IgA, IgG, IgD, IgE, IgM. Die Unterscheidungsmerkmale der einzelnen Klassen werden durch den Teil der schweren Kette innerhalb der Scharnier- und Fc-Region bestimmt. ⓘ
Die Klassen unterscheiden sich in ihren biologischen Eigenschaften, ihrer funktionellen Lage und ihrer Fähigkeit, mit verschiedenen Antigenen umzugehen, wie in der Tabelle dargestellt. So sind beispielsweise IgE-Antikörper für eine allergische Reaktion verantwortlich, die in der Freisetzung von Histamin aus Mastzellen besteht und oft allein für Asthma verantwortlich ist (obwohl es auch andere Wege gibt, ebenso wie Symptome, die dem Asthma sehr ähnlich sind, aber eigentlich nicht dazu gehören). Die variable Region des Antikörpers bindet an ein allergisches Antigen, z. B. Hausstaubmilbenpartikel, während seine Fc-Region (in den schweren ε-Ketten) an den Fc-Rezeptor ε auf einer Mastzelle bindet und deren Degranulation auslöst: die Freisetzung von Molekülen, die in ihren Granula gespeichert sind. ⓘ
| Klasse | Unterklassen | Beschreibung ⓘ |
|---|---|---|
| IgA | 2 | Kommt in Schleimhautbereichen wie dem Darm, den Atemwegen und dem Urogenitaltrakt vor und verhindert die Besiedlung durch Krankheitserreger. Auch im Speichel, in Tränen und in der Muttermilch enthalten. |
| IgD | 1 | Funktioniert hauptsächlich als Antigenrezeptor auf B-Zellen, die noch nicht mit Antigenen in Kontakt gekommen sind. Es hat sich gezeigt, dass es Basophile und Mastzellen zur Produktion antimikrobieller Faktoren aktiviert. |
| IgE | 1 | Bindet an Allergene und löst die Freisetzung von Histamin aus Mastzellen und Basophilen aus und ist an der Entstehung von Allergien beteiligt. Menschen und andere Tiere entwickelten IgE zum Schutz vor parasitären Würmern, obwohl IgE in der Gegenwart hauptsächlich mit Allergien und Asthma in Verbindung gebracht wird. |
| IgG | 4 | In seinen vier Formen stellt es den größten Teil der antikörperbasierten Immunität gegen eindringende Krankheitserreger. Der einzige Antikörper, der in der Lage ist, die Plazenta zu passieren und dem Fötus passive Immunität zu verleihen. |
| IgM | 1 | Wird auf der Oberfläche von B-Zellen (Monomer) und in einer sezernierten Form (Pentamer) mit sehr hoher Avidität exprimiert. Eliminiert Krankheitserreger in den frühen Stadien der B-Zell-vermittelten (humoralen) Immunität, bevor genügend IgG vorhanden ist. |
Der Antikörper-Isotyp einer B-Zelle ändert sich während der Zellentwicklung und -aktivierung. Unreife B-Zellen, die noch nie mit einem Antigen in Berührung gekommen sind, exprimieren nur den IgM-Isotyp in einer an die Zelloberfläche gebundenen Form. Der B-Lymphozyt in dieser reaktionsbereiten Form wird als "naiver B-Lymphozyt" bezeichnet. Der naive B-Lymphozyt exprimiert an der Oberfläche sowohl IgM als auch IgD. Durch die gemeinsame Expression dieser beiden Immunglobulin-Isotypen ist die B-Zelle bereit, auf ein Antigen zu reagieren. Die Aktivierung der B-Zelle erfolgt nach der Bindung des zellgebundenen Antikörpermoleküls an ein Antigen, was die Zelle dazu veranlasst, sich zu teilen und in eine Antikörper produzierende Zelle, eine so genannte Plasmazelle, zu differenzieren. In dieser aktivierten Form beginnt die B-Zelle mit der Produktion von Antikörpern in einer sezernierten Form anstelle einer membrangebundenen Form. Einige Tochterzellen der aktivierten B-Zellen durchlaufen ein Isotyp-Switching, einen Mechanismus, der dazu führt, dass die Produktion von Antikörpern von IgM oder IgD zu den anderen Antikörper-Isotypen IgE, IgA oder IgG wechselt, die eine bestimmte Rolle im Immunsystem spielen. ⓘ
Leichte Kettenarten
Bei Säugetieren gibt es zwei Typen von Immunglobulin-Leichtketten, die Lambda (λ) und Kappa (κ) genannt werden. Es ist jedoch kein funktioneller Unterschied zwischen ihnen bekannt, und beide können mit jedem der fünf Haupttypen der schweren Ketten auftreten. Jeder Antikörper enthält zwei identische leichte Ketten: beide κ oder beide λ. Der Anteil der κ- und λ-Typen variiert je nach Spezies und kann zum Nachweis einer anormalen Proliferation von B-Zellklonen verwendet werden. Andere Typen von Leichtketten, wie die Iota (ι)-Kette, kommen bei anderen Wirbeltieren wie Haien (Chondrichthyes) und Knochenfischen (Teleostei) vor. ⓘ
Bei Nicht-Säugetieren
Bei den meisten plazentalen Säugetieren ist die Struktur der Antikörper im Allgemeinen gleich. Kieferfische scheinen die primitivsten Tiere zu sein, die in der Lage sind, Antikörper zu bilden, die denen von Säugetieren ähneln, obwohl viele Merkmale ihrer adaptiven Immunität etwas früher auftraten. ⓘ
Knorpelfische (wie z. B. Haie) produzieren ausschließlich Antikörper mit schweren Ketten (d. h. ohne leichte Ketten), die zudem längere Kettenpentamere (mit fünf konstanten Einheiten pro Molekül) aufweisen. Kameliden (z. B. Kamele, Lamas, Alpakas) produzieren ebenfalls ausschließlich schwerkettige Antikörper. ⓘ
| Klasse | Typen | Beschreibung |
|---|---|---|
| IgY | Kommt bei Vögeln und Reptilien vor; verwandt mit IgG von Säugetieren. | |
| IgW | Kommt bei Haien und Rochen vor; verwandt mit dem IgD der Säugetiere. | |
| IgT/Z | Vorkommen bei Teleost-Fischen |
Antikörper-Antigen-Wechselwirkungen
Das Paratop des Antikörpers interagiert mit dem Epitop des Antigens. Ein Antigen enthält in der Regel verschiedene Epitope auf seiner Oberfläche, die diskontinuierlich angeordnet sind. Die dominierenden Epitope auf einem bestimmten Antigen werden als Determinanten bezeichnet. ⓘ
Antikörper und Antigen interagieren durch räumliche Komplementarität (Schloss und Schlüssel). Die molekularen Kräfte, die an der Fab-Epitop-Wechselwirkung beteiligt sind, sind schwach und unspezifisch - zum Beispiel elektrostatische Kräfte, Wasserstoffbrücken, hydrophobe Wechselwirkungen und van-der-Waals-Kräfte. Dies bedeutet, dass die Bindung zwischen Antikörper und Antigen reversibel ist und die Affinität des Antikörpers zu einem Antigen eher relativ als absolut ist. Relativ schwache Bindung bedeutet auch, dass ein Antikörper mit verschiedenen Antigenen unterschiedlicher relativer Affinität kreuzreagieren kann. ⓘ
Funktion
Zu den wichtigsten Wirkungskategorien von Antikörpern gehören folgende:
- Antikörper (A) und Krankheitserreger (B) bewegen sich frei im Blut.
- Die Antikörper binden sich an die Erreger und können dies in verschiedenen Formen tun, wie z. B:
- Opsonisierung,
- Neutralisierung und
- Agglutination.
- Ein Phagozyt (C) nähert sich dem Krankheitserreger, und die Fc-Region (D) des Antikörpers bindet an einen der Fc-Rezeptoren (E) des Phagozyten.
- Die Phagozytose findet statt, während der Erreger aufgenommen wird. ⓘ
- Neutralisierung, bei der neutralisierende Antikörper Teile der Oberfläche einer Bakterienzelle oder eines Virions blockieren, um deren Angriff unwirksam zu machen
- Agglutination, bei der Antikörper fremde Zellen zu Klumpen "zusammenkleben", die attraktive Ziele für die Phagozytose sind
- Ausfällung, bei der Antikörper serumlösliche Antigene "zusammenkleben" und sie dazu zwingen, aus der Lösung in Klumpen auszufallen, die attraktive Ziele für die Phagozytose darstellen
- Komplementaktivierung (Fixierung), bei der Antikörper, die sich an eine fremde Zelle geheftet haben, das Komplement dazu veranlassen, diese mit einem Membranangriffskomplex anzugreifen, was zu folgenden Vorgängen führt
- Lysis der fremden Zelle
- Förderung von Entzündungen durch chemotaktische Anziehung von Entzündungszellen ⓘ
Indirekter kann ein Antikörper Immunzellen signalisieren, Antikörperfragmente an T-Zellen zu präsentieren oder andere Immunzellen herunterzuregulieren, um Autoimmunität zu vermeiden. ⓘ
Aktivierte B-Zellen differenzieren sich entweder in antikörperproduzierende Zellen, so genannte Plasmazellen, die lösliche Antikörper absondern, oder in Gedächtniszellen, die noch Jahre später im Körper überleben, damit sich das Immunsystem an ein Antigen erinnern und bei künftigen Expositionen schneller reagieren kann. ⓘ
In der pränatalen und neonatalen Phase des Lebens werden die Antikörper durch die passive Immunisierung der Mutter gebildet. Die frühe endogene Antikörperproduktion variiert für die verschiedenen Arten von Antikörpern und tritt in der Regel in den ersten Lebensjahren auf. Da Antikörper frei im Blutkreislauf vorhanden sind, werden sie als Teil des humoralen Immunsystems bezeichnet. Zirkulierende Antikörper werden von klonalen B-Zellen produziert, die spezifisch auf nur ein Antigen reagieren (z. B. auf ein Fragment eines Viruskapsidproteins). Antikörper tragen auf drei Arten zur Immunität bei: Sie verhindern, dass Krankheitserreger in Zellen eindringen oder diese schädigen, indem sie sich an sie binden; sie stimulieren die Beseitigung von Krankheitserregern durch Makrophagen und andere Zellen, indem sie den Erreger umhüllen; und sie lösen die Zerstörung von Krankheitserregern aus, indem sie andere Immunreaktionen wie den Komplementweg stimulieren. Antikörper lösen auch die Degranulation vasoaktiver Amine aus und tragen so zur Immunität gegen bestimmte Arten von Antigenen (Helminthen, Allergene) bei. ⓘ
Aktivierung des Komplementsystems
Antikörper, die an Oberflächenantigene (z. B. auf Bakterien) binden, ziehen mit ihrer Fc-Region die erste Komponente der Komplementkaskade an und lösen die Aktivierung des "klassischen" Komplementsystems aus. Dies führt zur Abtötung der Bakterien auf zweierlei Weise. Erstens markiert die Bindung des Antikörpers und der Komplementmoleküle die Mikrobe für die Aufnahme durch Phagozyten in einem Prozess, der als Opsonisierung bezeichnet wird; diese Phagozyten werden von bestimmten Komplementmolekülen angezogen, die in der Komplementkaskade erzeugt werden. Zweitens bilden einige Komponenten des Komplementsystems einen Membranangriffskomplex, der die Antikörper bei der direkten Abtötung des Bakteriums unterstützt (Bakteriolyse). ⓘ
Aktivierung von Effektorzellen
Zur Bekämpfung von Krankheitserregern, die sich außerhalb von Zellen vermehren, binden Antikörper an die Erreger, um sie miteinander zu verbinden und zu agglutinieren. Da ein Antikörper mindestens zwei Paratope besitzt, kann er mehr als ein Antigen binden, indem er identische Epitope bindet, die sich auf der Oberfläche dieser Antigene befinden. Durch die Beschichtung des Erregers stimulieren Antikörper in Zellen, die ihre Fc-Region erkennen, Effektorfunktionen gegen den Erreger. ⓘ
Die Zellen, die beschichtete Krankheitserreger erkennen, haben Fc-Rezeptoren, die, wie der Name schon sagt, mit der Fc-Region von IgA-, IgG- und IgE-Antikörpern interagieren. Die Bindung eines bestimmten Antikörpers an den Fc-Rezeptor einer bestimmten Zelle löst eine Effektor-Funktion dieser Zelle aus; Phagozyten phagozytieren, Mastzellen und Neutrophile degranulieren, natürliche Killerzellen setzen Zytokine und zytotoxische Moleküle frei, die letztlich zur Zerstörung der eingedrungenen Mikrobe führen. Die Aktivierung der natürlichen Killerzellen durch Antikörper setzt einen zytotoxischen Mechanismus in Gang, der als antikörperabhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC) bekannt ist - dieser Prozess kann die Wirksamkeit monoklonaler Antikörper erklären, die in biologischen Therapien gegen Krebs eingesetzt werden. Die Fc-Rezeptoren sind isotypenspezifisch, was dem Immunsystem eine größere Flexibilität verleiht, da es nur die für bestimmte Krankheitserreger geeigneten Immunmechanismen in Gang setzt. ⓘ
Natürliche Antikörper
Menschen und höhere Primaten produzieren auch "natürliche Antikörper", die vor einer Virusinfektion im Serum vorhanden sind. Natürliche Antikörper wurden als Antikörper definiert, die ohne vorherige Infektion, Impfung, Exposition gegenüber anderen Fremdantigenen oder passive Immunisierung gebildet werden. Diese Antikörper können den klassischen Komplementweg aktivieren, der zur Lyse von umhüllten Viruspartikeln führt, lange bevor die adaptive Immunreaktion aktiviert wird. Viele natürliche Antikörper richten sich gegen das Disaccharid Galaktose α(1,3)-Galaktose (α-Gal), das als terminaler Zucker auf glykosylierten Zelloberflächenproteinen vorkommt und als Reaktion auf die Produktion dieses Zuckers durch Bakterien im menschlichen Darm gebildet wird. Es wird angenommen, dass die Abstoßung xenotransplantierter Organe zum Teil auf natürliche Antikörper zurückzuführen ist, die im Serum des Empfängers zirkulieren und sich an α-Gal-Antigene auf dem Spendergewebe binden. ⓘ
Vielfalt der Immunglobuline
Praktisch alle Mikroben können eine Antikörperreaktion auslösen. Die erfolgreiche Erkennung und Ausrottung vieler verschiedener Arten von Mikroben erfordert eine Vielfalt von Antikörpern; ihre Aminosäurezusammensetzung variiert, so dass sie mit vielen verschiedenen Antigenen interagieren können. Man schätzt, dass der Mensch etwa 10 Milliarden verschiedene Antikörper bildet, von denen jeder in der Lage ist, ein bestimmtes Epitop eines Antigens zu binden. Obwohl ein einzelnes Individuum ein riesiges Repertoire an verschiedenen Antikörpern bildet, ist die Zahl der Gene, die zur Herstellung dieser Proteine zur Verfügung stehen, durch die Größe des menschlichen Genoms begrenzt. Es haben sich mehrere komplexe genetische Mechanismen entwickelt, die es den B-Zellen der Wirbeltiere ermöglichen, aus einer relativ kleinen Anzahl von Antikörpergenen einen vielfältigen Pool von Antikörpern zu bilden. ⓘ
Variabilität der Domänen
Die Chromosomenregion, die für einen Antikörper kodiert, ist groß und enthält mehrere unterschiedliche Genorte für jede Domäne des Antikörpers - die Chromosomenregion mit den Genen für die schwere Kette (IGH@) befindet sich auf Chromosom 14, und die Loci mit den Genen für die leichte Lambda- und Kappa-Kette (IGL@ und IGK@) befinden sich beim Menschen auf den Chromosomen 22 und 2. Eine dieser Domänen wird als variable Domäne bezeichnet, die in jeder schweren und leichten Kette eines jeden Antikörpers vorhanden ist, sich aber bei verschiedenen Antikörpern, die aus unterschiedlichen B-Zellen stammen, unterscheiden kann. Die Unterschiede zwischen den variablen Domänen befinden sich in drei Schleifen, die als hypervariable Regionen (HV-1, HV-2 und HV-3) oder komplementaritätsbestimmende Regionen (CDR1, CDR2 und CDR3) bezeichnet werden. Die CDRs werden innerhalb der variablen Domänen durch konservierte Rahmenregionen unterstützt. Der Schwere-Kette-Locus enthält etwa 65 verschiedene Gene mit variablen Domänen, die sich alle in ihren CDRs unterscheiden. Kombiniert man diese Gene mit einer Reihe von Genen für andere Domänen des Antikörpers, entsteht eine große Kavallerie von Antikörpern mit einem hohen Maß an Variabilität. Diese Kombination wird als V(D)J-Rekombination bezeichnet, auf die weiter unten eingegangen wird. ⓘ
V(D)J-Rekombination
Die somatische Rekombination von Immunglobulinen, die auch als V(D)J-Rekombination bezeichnet wird, beinhaltet die Erzeugung einer einzigartigen variablen Immunglobulinregion. Die variable Region jeder schweren oder leichten Immunglobulinkette wird in mehreren Teilen kodiert, die als Gensegmente (Subgene) bezeichnet werden. Diese Segmente werden als variable (V), Diversitäts- (D) und Verbindungssegmente (J) bezeichnet. V-, D- und J-Segmente finden sich in schweren Ig-Ketten, aber nur V- und J-Segmente in leichten Ig-Ketten. Es gibt mehrere Kopien der V-, D- und J-Gensegmente, die in den Genomen von Säugetieren tandemförmig angeordnet sind. Im Knochenmark baut jede sich entwickelnde B-Zelle eine variable Immunglobulinregion auf, indem sie zufällig ein V-, ein D- und ein J-Gensegment (oder ein V- und ein J-Segment in der leichten Kette) auswählt und kombiniert. Da es von jeder Art von Gensegment mehrere Kopien gibt und verschiedene Kombinationen von Gensegmenten verwendet werden können, um jede variable Immunglobulinregion zu erzeugen, entsteht bei diesem Prozess eine riesige Anzahl von Antikörpern mit jeweils unterschiedlichen Paratopen und damit unterschiedlichen Antigenspezifitäten. Die Umstrukturierung mehrerer Untergene (d. h. der V2-Familie) für das Lambda-Leichtketten-Immunglobulin ist mit der Aktivierung der microRNA miR-650 gekoppelt, die die Biologie der B-Zellen weiter beeinflusst. ⓘ
RAG-Proteine spielen bei der V(D)J-Rekombination eine wichtige Rolle, indem sie die DNA in einer bestimmten Region schneiden. Ohne das Vorhandensein dieser Proteine würde die V(D)J-Rekombination nicht stattfinden. ⓘ
Nachdem eine B-Zelle während der V(D)J-Rekombination ein funktionsfähiges Immunglobulingen produziert hat, kann sie keine andere variable Region exprimieren (ein Prozess, der als allelischer Ausschluss bekannt ist), so dass jede B-Zelle Antikörper produzieren kann, die nur eine Art von variabler Kette enthalten. ⓘ
Somatische Hypermutation und Affinitätsreifung
Nach der Aktivierung durch ein Antigen beginnen die B-Zellen, sich rasch zu vermehren. In diesen sich schnell teilenden Zellen durchlaufen die Gene, die für die variablen Domänen der schweren und leichten Ketten kodieren, eine hohe Rate an Punktmutationen, die als somatische Hypermutation (SHM) bezeichnet werden. SHM führt zu etwa einer Nukleotidveränderung pro variablem Gen und pro Zellteilung. Dies hat zur Folge, dass alle Tochter-B-Zellen leichte Aminosäureunterschiede in den variablen Domänen ihrer Antikörperketten aufweisen. ⓘ
Dies erhöht die Vielfalt des Antikörperpools und wirkt sich auf die Antigenbindungsaffinität des Antikörpers aus. Einige Punktmutationen führen zur Produktion von Antikörpern, die eine schwächere Wechselwirkung (niedrige Affinität) mit ihrem Antigen haben als der ursprüngliche Antikörper, und einige Mutationen erzeugen Antikörper mit einer stärkeren Wechselwirkung (hohe Affinität). B-Zellen, die Antikörper mit hoher Affinität auf ihrer Oberfläche exprimieren, erhalten bei Interaktionen mit anderen Zellen ein starkes Überlebenssignal, während diejenigen mit Antikörpern mit niedriger Affinität dies nicht tun und durch Apoptose absterben. Somit werden B-Zellen, die Antikörper mit einer höheren Affinität für das Antigen exprimieren, diejenigen mit einer schwächeren Affinität um Funktion und Überleben verdrängen, wodurch die durchschnittliche Affinität der Antikörper im Laufe der Zeit zunimmt. Der Prozess der Bildung von Antikörpern mit höherer Bindungsaffinität wird als Affinitätsreifung bezeichnet. Die Affinitätsreifung erfolgt in reifen B-Zellen nach der V(D)J-Rekombination und ist auf die Hilfe von T-Helferzellen angewiesen. ⓘ
Klassenwechsel
Der Isotyp- oder Klassenwechsel ist ein biologischer Prozess, der nach der Aktivierung der B-Zelle stattfindet und es der Zelle ermöglicht, verschiedene Antikörperklassen (IgA, IgE oder IgG) zu produzieren. Die verschiedenen Antikörperklassen und damit die Effektorfunktionen werden durch die konstanten (C) Regionen der schweren Kette des Immunglobulins definiert. Anfangs exprimieren naive B-Zellen nur IgM und IgD mit identischen Antigenbindungsregionen an der Zelloberfläche. Jeder Isotyp ist für eine bestimmte Funktion angepasst; daher kann nach der Aktivierung ein Antikörper mit einer IgG-, IgA- oder IgE-Effektor-Funktion erforderlich sein, um ein Antigen wirksam zu eliminieren. Der Klassenwechsel ermöglicht es verschiedenen Tochterzellen derselben aktivierten B-Zelle, Antikörper unterschiedlicher Isotypen zu produzieren. Nur die konstante Region der schweren Kette des Antikörpers ändert sich während des Klassenwechsels; die variablen Regionen und damit die Antigenspezifität bleiben unverändert. So können die Nachkommen einer einzigen B-Zelle Antikörper produzieren, die alle für dasselbe Antigen spezifisch sind, aber die Fähigkeit besitzen, für jede Antigenherausforderung die entsprechende Effektorfunktion zu produzieren. Der Klassenwechsel wird durch Zytokine ausgelöst; der erzeugte Isotyp hängt davon ab, welche Zytokine in der Umgebung der B-Zellen vorhanden sind. ⓘ
Der Klassenwechsel erfolgt im Genlocus der schweren Kette durch einen Mechanismus, der als Class Switch Recombination (CSR) bezeichnet wird. Dieser Mechanismus beruht auf konservierten Nukleotidmotiven, den so genannten Schalterregionen (S-Regionen), die sich in der DNA stromaufwärts jedes Gens der konstanten Region befinden (außer in der δ-Kette). Der DNA-Strang wird durch die Aktivität einer Reihe von Enzymen an zwei ausgewählten S-Regionen gebrochen. Das Exon der variablen Domäne wird durch einen Prozess, der als nicht-homologes Endjoining (NHEJ) bezeichnet wird, wieder mit der gewünschten konstanten Region (γ, α oder ε) verbunden. Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein Immunglobulingen, das für einen Antikörper eines anderen Isotyps kodiert. ⓘ
Bezeichnungen für die Spezifität
Ein Antikörper kann als monospezifisch bezeichnet werden, wenn er für ein und dasselbe Antigen oder Epitop spezifisch ist, oder als bispezifisch, wenn er eine Affinität für zwei verschiedene Antigene oder zwei verschiedene Epitope desselben Antigens aufweist. Eine Gruppe von Antikörpern kann als polyvalent (oder unspezifisch) bezeichnet werden, wenn sie eine Affinität für verschiedene Antigene oder Mikroorganismen aufweisen. Intravenöses Immunglobulin besteht, wenn nicht anders angegeben, aus einer Vielzahl verschiedener IgG (polyklonales IgG). Im Gegensatz dazu handelt es sich bei monoklonalen Antikörpern um identische Antikörper, die von einer einzigen B-Zelle produziert werden. ⓘ
Asymmetrische Antikörper
Heterodimere Antikörper, bei denen es sich ebenfalls um asymmetrische Antikörper handelt, ermöglichen eine größere Flexibilität und neue Formate für die Bindung einer Vielzahl von Arzneimitteln an die Antikörperarme. Eines der allgemeinen Formate für einen heterodimeren Antikörper ist das "Knobs-into-holes"-Format. Dieses Format ist spezifisch für den Teil der schweren Kette der konstanten Region von Antikörpern. Der "Noppen"-Teil wird durch Ersetzen einer kleinen Aminosäure durch eine größere hergestellt. Er passt in das "Loch", das durch Ersetzen einer großen Aminosäure durch eine kleinere entsteht. Was die "Knöpfe" mit den "Löchern" verbindet, sind die Disulfidbindungen zwischen den einzelnen Ketten. Die Form der "Knöpfe in den Löchern" erleichtert die antikörperabhängige zellvermittelte Zytotoxizität. Variable Einzelkettenfragmente (scFv) sind über ein kurzes Linkerpeptid mit der variablen Domäne der schweren und leichten Kette verbunden. Der Linker ist reich an Glycin, was ihm mehr Flexibilität verleiht, und Serin/Threonin, was ihm Spezifität verleiht. Zwei verschiedene scFv-Fragmente können über eine Scharnierregion mit der konstanten Domäne der schweren Kette oder der konstanten Domäne der leichten Kette verbunden werden. Dadurch wird der Antikörper bispezifisch, d. h. er kann zwei verschiedene Antigene binden. Das "Knobs-into-holes"-Format verstärkt die Bildung von Heterodimeren, unterdrückt aber nicht die Bildung von Homodimeren. ⓘ
Um die Funktion von heterodimeren Antikörpern weiter zu verbessern, suchen viele Wissenschaftler nach künstlichen Konstrukten. Bei künstlichen Antikörpern handelt es sich um weitgehend unterschiedliche Proteinmotive, die die funktionelle Strategie des Antikörpermoleküls nutzen, aber nicht durch die Schleifen- und Gerüststruktur des natürlichen Antikörpers eingeschränkt sind. Die Möglichkeit, das kombinatorische Design der Sequenz und des dreidimensionalen Raums zu kontrollieren, könnte über das natürliche Design hinausgehen und die Anbringung verschiedener Kombinationen von Medikamenten an den Armen ermöglichen. ⓘ
Heterodimere Antikörper haben eine größere Bandbreite an Formen, die sie annehmen können, und die Medikamente, die an den Armen befestigt sind, müssen nicht an jedem Arm gleich sein, so dass bei der Krebsbehandlung verschiedene Kombinationen von Medikamenten verwendet werden können. Die Pharmaindustrie ist in der Lage, hochfunktionelle bispezifische und sogar multispezifische Antikörper herzustellen. Das Ausmaß, in dem sie funktionieren können, ist beeindruckend, wenn man bedenkt, dass eine solche Veränderung der Form gegenüber der natürlichen Form zu einer verminderten Funktionalität führen müsste. ⓘ
Geschichte
Die erste Verwendung des Begriffs "Antikörper" erfolgte in einem Text von Paul Ehrlich. Der Begriff Antikörper taucht in der Schlussfolgerung seines im Oktober 1891 veröffentlichten Artikels "Experimentelle Untersuchungen über die Immunität" auf, in dem es heißt: "Wenn zwei Substanzen zwei verschiedene Antikörper hervorbringen, dann müssen sie selbst verschieden sein". Der Begriff wurde jedoch nicht sofort akzeptiert, und es wurden mehrere andere Bezeichnungen für Antikörper vorgeschlagen; dazu gehörten Immunkörper, Amboceptor, Zwischenkörper, Substanz sensibilisatrice, copula, Desmon, philocytase, fixateur und Immunisin. Das Wort Antikörper hat eine formale Analogie zu dem Wort Antitoxin und ein ähnliches Konzept wie Immunkörper (im Englischen). Die ursprüngliche Konstruktion des Wortes enthält also einen logischen Fehler: Das Antitoxin ist etwas, das sich gegen ein Gift richtet, während der Antikörper ein Körper ist, der sich gegen etwas richtet. ⓘ
Die Erforschung von Antikörpern begann 1890, als Emil von Behring und Kitasato Shibasaburō die Aktivität von Antikörpern gegen Diphtherie- und Tetanustoxine beschrieben. Von Behring und Kitasato stellten die Theorie der humoralen Immunität auf und schlugen vor, dass ein Mediator im Serum mit einem fremden Antigen reagieren könnte. Seine Idee veranlasste Paul Ehrlich 1897 dazu, die Seitenkettentheorie für die Interaktion von Antikörpern und Antigenen vorzuschlagen, als er die Hypothese aufstellte, dass Rezeptoren (beschrieben als "Seitenketten") auf der Oberfläche von Zellen spezifisch an Toxine binden können - in einer "Schlüssel-Schloss"-Interaktion - und dass diese Bindungsreaktion der Auslöser für die Produktion von Antikörpern ist. Andere Forscher glaubten, dass Antikörper frei im Blut existieren, und Almroth Wright schlug 1904 vor, dass lösliche Antikörper Bakterien beschichten, um sie für die Phagozytose und die Abtötung zu markieren; ein Prozess, den er Opsoninisierung nannte. ⓘ
In den 1920er Jahren beobachteten Michael Heidelberger und Oswald Avery, dass Antigene von Antikörpern ausgefällt werden können, und wiesen nach, dass Antikörper aus Proteinen bestehen. Die biochemischen Eigenschaften der Antigen-Antikörper-Bindung wurden in den späten 1930er Jahren von John Marrack genauer untersucht. Der nächste große Fortschritt erfolgte in den 1940er Jahren, als Linus Pauling die von Ehrlich vorgeschlagene Schlüssel-Schloss-Theorie bestätigte, indem er zeigte, dass die Wechselwirkungen zwischen Antikörpern und Antigenen mehr von ihrer Form als von ihrer chemischen Zusammensetzung abhängen. 1948 entdeckte Astrid Fagraeus, dass B-Zellen in Form von Plasmazellen für die Bildung von Antikörpern verantwortlich sind. ⓘ
Weitere Arbeiten konzentrierten sich auf die Charakterisierung der Strukturen der Antikörperproteine. Ein wichtiger Fortschritt bei diesen Strukturstudien war die Entdeckung der leichten Kette der Antikörper durch Gerald Edelman und Joseph Gally in den frühen 1960er Jahren und ihre Erkenntnis, dass dieses Protein mit dem 1845 von Henry Bence Jones beschriebenen Bence-Jones-Protein identisch ist. Edelman entdeckte daraufhin, dass Antikörper aus schweren und leichten Ketten bestehen, die durch Disulfidbindungen miteinander verbunden sind. Etwa zur gleichen Zeit wurden die Antikörperbindungs- (Fab) und Antikörperschwanzregionen (Fc) von IgG von Rodney Porter charakterisiert. Gemeinsam gelang es diesen Wissenschaftlern, die Struktur und die vollständige Aminosäuresequenz von IgG zu entschlüsseln, wofür sie 1972 gemeinsam den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielten. Das Fv-Fragment wurde von David Givol hergestellt und charakterisiert. Während sich die meisten dieser frühen Studien auf IgM und IgG konzentrierten, wurden in den 1960er Jahren weitere Immunglobulin-Isotypen identifiziert: Thomas Tomasi entdeckte die sekretorischen Antikörper (IgA); David S. Rowe und John L. Fahey entdeckten IgD; und Kimishige Ishizaka und Teruko Ishizaka entdeckten IgE und zeigten, dass es sich dabei um eine Klasse von Antikörpern handelt, die an allergischen Reaktionen beteiligt sind. In einer bahnbrechenden Reihe von Experimenten, die 1976 begann, zeigte Susumu Tonegawa, dass genetisches Material sich selbst neu anordnen kann, um die breite Palette der verfügbaren Antikörper zu bilden. ⓘ
Medizinische Anwendungen
Krankheitsdiagnose
Der Nachweis bestimmter Antikörper ist eine sehr verbreitete Form der medizinischen Diagnostik, und Anwendungen wie die Serologie hängen von diesen Methoden ab. Bei biochemischen Tests zur Krankheitsdiagnose wird beispielsweise der Titer von Antikörpern gegen das Epstein-Barr-Virus oder die Lyme-Borreliose im Blut bestimmt. Wenn diese Antikörper nicht vorhanden sind, ist die Person entweder nicht infiziert oder die Infektion liegt schon sehr lange zurück, und die B-Zellen, die diese spezifischen Antikörper bilden, sind auf natürliche Weise abgestorben. ⓘ
In der klinischen Immunologie werden die Konzentrationen der einzelnen Klassen von Immunglobulinen durch Nephelometrie (oder Turbidimetrie) gemessen, um das Antikörperprofil des Patienten zu charakterisieren. Erhöhungen in verschiedenen Klassen von Immunglobulinen sind manchmal nützlich, um die Ursache von Leberschäden bei Patienten zu bestimmen, bei denen die Diagnose unklar ist. Erhöhtes IgA deutet beispielsweise auf eine alkoholische Zirrhose hin, erhöhtes IgM auf eine virale Hepatitis und eine primär biliäre Zirrhose, während IgG bei viraler Hepatitis, Autoimmunhepatitis und Zirrhose erhöht ist. ⓘ
Autoimmunerkrankungen lassen sich häufig auf Antikörper zurückführen, die körpereigene Epitope binden; viele können durch Bluttests nachgewiesen werden. Antikörper, die gegen Oberflächenantigene der roten Blutkörperchen bei immunvermittelter hämolytischer Anämie gerichtet sind, werden mit dem Coombs-Test nachgewiesen. Der Coombs-Test wird auch zum Antikörperscreening bei der Vorbereitung von Bluttransfusionen und zum Antikörperscreening bei Schwangeren eingesetzt. ⓘ
In der Praxis werden zur Diagnose von Infektionskrankheiten mehrere immundiagnostische Verfahren eingesetzt, die auf dem Nachweis komplexer Antigen-Antikörper beruhen, z. B. ELISA, Immunfluoreszenz, Western Blot, Immunodiffusion, Immunelektrophorese und magnetischer Immunoassay. Gegen humanes Choriongonadotropin gebildete Antikörper werden in rezeptfreien Schwangerschaftstests verwendet. ⓘ
Die neue Dioxaborolan-Chemie ermöglicht die Markierung von Antikörpern mit radioaktivem Fluorid (18F), was die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) zur Darstellung von Krebs ermöglicht. ⓘ
Krankheitstherapie
Die gezielte Therapie mit monoklonalen Antikörpern wird zur Behandlung von Krankheiten wie rheumatoider Arthritis, multipler Sklerose, Schuppenflechte und vielen Krebsarten wie Non-Hodgkin-Lymphom, Darmkrebs, Kopf- und Halskrebs und Brustkrebs eingesetzt. ⓘ
Einige Immundefekte, wie die X-chromosomale Agammaglobulinämie und die Hypogammaglobulinämie, führen zu einem teilweisen oder vollständigen Fehlen von Antikörpern. Diese Krankheiten werden häufig durch eine kurzfristige Form der Immunität behandelt, die als passive Immunität bezeichnet wird. Passive Immunität wird durch die Übertragung von fertigen Antikörpern in Form von menschlichem oder tierischem Serum, gepoolten Immunglobulinen oder monoklonalen Antikörpern auf die betroffene Person erreicht. ⓘ
Pränatale Therapie
Der Rh-Faktor, auch Rh-D-Antigen genannt, ist ein Antigen, das sich auf den roten Blutkörperchen befindet; Personen mit Rh-positivem (Rh+) haben dieses Antigen auf ihren roten Blutkörperchen, Personen mit Rh-negativem (Rh-) nicht. Bei einer normalen Geburt, einem Geburtstrauma oder bei Komplikationen während der Schwangerschaft kann das Blut eines Fötus in den Körper der Mutter gelangen. Im Falle einer Rh-inkompatiblen Mutter und eines Rh-inkompatiblen Kindes kann die daraus resultierende Blutvermischung eine Rh--Mutter für das Rh-Antigen auf den Blutzellen des Rh+-Kindes sensibilisieren, so dass für den Rest der Schwangerschaft und alle nachfolgenden Schwangerschaften das Risiko einer hämolytischen Erkrankung des Neugeborenen besteht. ⓘ
Rho(D)-Immunglobulin-Antikörper sind spezifisch für das menschliche RhD-Antigen. Anti-RhD-Antikörper werden im Rahmen einer pränatalen Behandlung verabreicht, um eine Sensibilisierung zu verhindern, die auftreten kann, wenn eine Rh-negative Mutter einen Rh-positiven Fötus bekommt. Durch die Behandlung der Mutter mit Anti-RhD-Antikörpern vor und unmittelbar nach dem Trauma und der Entbindung wird das Rh-Antigen im Körper der Mutter vom Fötus zerstört. Es ist wichtig zu wissen, dass dies geschieht, bevor das Antigen die mütterlichen B-Zellen dazu anregen kann, sich an das Rh-Antigen zu "erinnern", indem sie Gedächtnis-B-Zellen bilden. Daher wird ihr humorales Immunsystem keine Anti-Rh-Antikörper bilden und die Rh-Antigene des aktuellen oder nachfolgenden Babys nicht angreifen. Die Behandlung mit Rho(D)-Immunglobulin verhindert eine Sensibilisierung, die zu einer Rh-Krankheit führen kann, verhindert oder behandelt aber nicht die zugrunde liegende Krankheit selbst. ⓘ
Anwendungen in der Forschung
Spezifische Antikörper werden durch Injektion eines Antigens in ein Säugetier wie Maus, Ratte, Kaninchen, Ziege, Schaf oder Pferd hergestellt, um große Mengen an Antikörpern zu erhalten. Das von diesen Tieren isolierte Blut enthält polyklonale Antikörper - mehrere Antikörper, die sich an dasselbe Antigen binden - im Serum, das nun als Antiserum bezeichnet werden kann. Antigene werden auch Hühnern injiziert, um polyklonale Antikörper im Eigelb zu erzeugen. Um Antikörper zu erhalten, die für ein einzelnes Epitop eines Antigens spezifisch sind, werden die Antikörper produzierenden Lymphozyten aus dem Tier isoliert und durch Fusion mit einer Krebszelllinie immortalisiert. Die fusionierten Zellen werden als Hybridome bezeichnet, die in der Kultur kontinuierlich wachsen und Antikörper absondern. Einzelne Hybridomzellen werden durch Verdünnungsklonen isoliert, um Zellklone zu erzeugen, die alle denselben Antikörper produzieren; diese Antikörper werden als monoklonale Antikörper bezeichnet. Polyklonale und monoklonale Antikörper werden häufig mit Protein A/G oder Antigen-Affinitätschromatographie gereinigt. ⓘ
In der Forschung werden gereinigte Antikörper in vielen Bereichen eingesetzt. Antikörper für Forschungszwecke können direkt bei den Anbietern von Antikörpern oder mit Hilfe einer spezialisierten Suchmaschine gefunden werden. Forschungsantikörper werden am häufigsten zur Identifizierung und Lokalisierung intra- und extrazellulärer Proteine verwendet. Antikörper werden in der Durchflusszytometrie eingesetzt, um Zelltypen anhand der von ihnen exprimierten Proteine zu unterscheiden; verschiedene Zelltypen exprimieren unterschiedliche Kombinationen von Differenzierungsmolekülen auf ihrer Oberfläche und produzieren unterschiedliche intrazelluläre und sekretierbare Proteine. Sie werden auch bei der Immunpräzipitation verwendet, um Proteine und alles, was an sie gebunden ist (Co-Immunpräzipitation), von anderen Molekülen in einem Zelllysat zu trennen, bei Western-Blot-Analysen, um durch Elektrophorese getrennte Proteine zu identifizieren, und bei der Immunhistochemie oder Immunfluoreszenz, um die Proteinexpression in Gewebeschnitten zu untersuchen oder um Proteine innerhalb von Zellen mit Hilfe eines Mikroskops zu lokalisieren. Proteine können auch mit Antikörpern nachgewiesen und quantifiziert werden, z. B. mit ELISA- und ELISpot-Techniken. ⓘ
Antikörper, die in der Forschung eingesetzt werden, gehören zu den leistungsstärksten, aber auch problematischsten Reagenzien, da sie eine enorme Anzahl von Faktoren aufweisen, die in jedem Experiment kontrolliert werden müssen, darunter die Kreuzreaktivität oder die Erkennung mehrerer Epitope durch den Antikörper und die Affinität, die je nach Versuchsbedingungen wie pH-Wert, Lösungsmittel, Gewebezustand usw. stark variieren kann. Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, sowohl die Art und Weise, wie Forscher Antikörper validieren, als auch die Art und Weise, wie sie über Antikörper berichten, zu verbessern. Forscher, die in ihrer Arbeit Antikörper verwenden, müssen diese korrekt aufzeichnen, damit ihre Forschung reproduzierbar ist (und somit von anderen Forschern getestet und qualifiziert werden kann). Weniger als die Hälfte der Forschungsantikörper, auf die in akademischen Arbeiten verwiesen wird, können leicht identifiziert werden. Die in den Jahren 2014 und 2015 in F1000 veröffentlichten Artikel bieten Forschern einen Leitfaden für die Angabe der Verwendung von Forschungsantikörpern. Das RRID-Papier wird in vier Zeitschriften mitveröffentlicht, die den RRIDs-Standard für die Zitierung von Forschungsressourcen eingeführt haben, der auf Daten von antibodyregistry.org als Quelle für Antikörperkennungen zurückgreift (siehe auch die Gruppe bei Force11). ⓘ
Die hohe Spezifität, mit der Antikörper ihr Antigen erkennen, macht man sich in der Biologie zu Nutze, um das Antigen, in den allermeisten Fällen ein Protein, sichtbar zu machen. Die Antikörper sind entweder direkt mit einem Enzym (setzt ein Substrat in Farbe oder Chemolumineszenz um), mit Fluoreszenzfarbstoffen oder mit radioaktiven Isotopen gekoppelt (gelabelt) oder werden mit einem Sekundärantikörper, der an den ersten (Primärantikörper) bindet und entsprechend gelabelt ist, nachgewiesen. ⓘ
Vorschriften
Herstellung und Prüfung
Traditionell werden die meisten Antikörper von Hybridomzelllinien durch Immortalisierung von Antikörper produzierenden Zellen durch chemisch induzierte Fusion mit Myelomzellen hergestellt. In einigen Fällen sind durch zusätzliche Fusionen mit anderen Linien "Triomas" und "Quadromas" entstanden. Der Herstellungsprozess sollte angemessen beschrieben und validiert werden. Die Validierungsstudien sollten mindestens Folgendes umfassen:
- den Nachweis, dass das Verfahren in der Lage ist, eine gute Qualität zu produzieren (das Verfahren sollte validiert werden)
- die Effizienz der Antikörperreinigung (alle Verunreinigungen und Viren müssen entfernt werden)
- die Charakterisierung des gereinigten Antikörpers (physikalisch-chemische Charakterisierung, immunologische Eigenschaften, biologische Aktivitäten, Verunreinigungen, ...)
- Bestimmung der Virus-Clearance-Studien ⓘ
Vor klinischen Versuchen
- Prüfung der Produktsicherheit: Sterilität (Bakterien und Pilze), In-vitro- und In-vivo-Tests auf Fremdviren, Tests auf murine Retroviren..., Produktsicherheitsdaten, die vor der Einleitung von Durchführbarkeitsstudien bei schweren oder unmittelbar lebensbedrohlichen Erkrankungen benötigt werden, dienen zur Bewertung des Gefahrenpotenzials des Produkts.
- Durchführbarkeitsstudien: Hierbei handelt es sich um Pilotstudien, zu deren Zielen u. a. eine frühzeitige Charakterisierung der Sicherheit und ein erster Konzeptnachweis an einer kleinen spezifischen Patientenpopulation gehören (In-vitro- oder In-vivo-Tests). ⓘ
Präklinische Studien
- Prüfung der Kreuzreaktivität von Antikörpern: um unerwünschte Wechselwirkungen (Toxizität) von Antikörpern mit zuvor charakterisierten Geweben aufzuzeigen. Diese Studie kann in vitro (die Reaktivität des Antikörpers oder des Immunkonjugats sollte mit tiefgefrorenem erwachsenem Gewebe bestimmt werden) oder in vivo (mit geeigneten Tiermodellen) durchgeführt werden.
- Präklinische Pharmakologie- und Toxizitätsprüfungen: Präklinische Sicherheitsprüfungen von Antikörpern dienen dazu, eine mögliche Toxizität beim Menschen zu ermitteln, die Wahrscheinlichkeit und den Schweregrad potenzieller unerwünschter Ereignisse beim Menschen abzuschätzen sowie eine sichere Anfangsdosis und eine Dosiseskalation zu ermitteln, sofern dies möglich ist.
- Toxizitätsstudien an Tieren: Prüfung der akuten Toxizität, Prüfung der Toxizität bei wiederholter Verabreichung, Prüfung der Langzeittoxizität
- Prüfung der Pharmakokinetik und Pharmakodynamik: Verwendung zur Bestimmung klinischer Dosierungen, Antikörperaktivitäten, Bewertung der potenziellen klinischen Wirkungen ⓘ
Immunglobuline sind normale Bestandteile des menschlichen Körpers. Die akute Toxizität beim Tier ist nicht festzulegen, da das zu verabreichende Volumen oberhalb der tolerierbaren Grenze läge. Tierstudien über chronische Toxizität und Embryotoxizität sind nicht möglich, da diese durch die Bildung von Antikörpern gegen Humanproteine gestört werden. Klinische Erfahrungen haben keine Hinweise auf kanzerogene oder mutagene Effekte geliefert. Deswegen wurden experimentelle Untersuchungen am Tier nicht für notwendig erachtet. ⓘ
Strukturvorhersage und computergestütztes Antikörperdesign
Die Bedeutung von Antikörpern im Gesundheitswesen und in der biotechnologischen Industrie erfordert die Kenntnis ihrer Strukturen mit hoher Auflösung. Diese Informationen werden für das Protein-Engineering, die Modifizierung der Antigenbindungsaffinität und die Identifizierung eines Epitops eines bestimmten Antikörpers verwendet. Die Röntgenkristallographie ist eine gängige Methode zur Bestimmung von Antikörperstrukturen. Die Kristallisierung eines Antikörpers ist jedoch oft mühsam und zeitaufwändig. Computergestützte Ansätze bieten eine billigere und schnellere Alternative zur Kristallographie, ihre Ergebnisse sind jedoch zweideutig, da sie keine empirischen Strukturen liefern. Online-Webserver wie Web Antibody Modeling (WAM) und Prediction of Immunoglobulin Structure (PIGS) ermöglichen die computergestützte Modellierung der variablen Regionen von Antikörpern. Rosetta Antibody ist ein neuartiger Server zur Vorhersage der Struktur von Antikörper-FV-Regionen, der ausgefeilte Techniken zur Minimierung von CDR-Schleifen und zur Optimierung der relativen Ausrichtung der leichten und schweren Ketten sowie Homologiemodelle zur Vorhersage des erfolgreichen Andockens von Antikörpern an ihr jeweiliges Antigen umfasst. Die Beschreibung der Bindungsstelle eines Antikörpers mit nur einer einzigen statischen Struktur schränkt jedoch das Verständnis und die Charakterisierung der Funktion und der Eigenschaften des Antikörpers ein. Um die Vorhersage der Antikörperstruktur zu verbessern und die stark korrelierten Bewegungen der CDR-Schleife und der Grenzfläche zu berücksichtigen, sollten die Antikörperparatope in Lösung als sich verändernde Zustände mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden. ⓘ
Die Fähigkeit, den Antikörper durch die Bindungsaffinität zum Antigen zu beschreiben, wird durch Informationen über die Antikörperstruktur und die Aminosäuresequenzen für die Zwecke der Patentansprüche ergänzt. Es wurden mehrere Methoden für das computergestützte Design von Antikörpern auf der Grundlage struktureller bioinformatischer Studien von Antikörper-CDRs vorgestellt. ⓘ
Für die Sequenzierung eines Antikörpers gibt es eine Vielzahl von Methoden, darunter Edman-Abbau, cDNA usw.; eine der gängigsten modernen Methoden zur Peptid-/Proteinidentifizierung ist jedoch die Flüssigchromatographie in Verbindung mit der Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS). Hochvolumige Antikörper-Sequenzierungsmethoden erfordern rechnerische Ansätze für die Datenanalyse, einschließlich der De-novo-Sequenzierung direkt aus Tandem-Massenspektren und Datenbank-Suchmethoden, die bestehende Protein-Sequenzdatenbanken nutzen. Viele Versionen der Shotgun-Proteinsequenzierung sind in der Lage, den Abdeckungsgrad durch den Einsatz von CID/HCD/ETD-Fragmentierungsmethoden und anderen Techniken zu erhöhen, und sie haben erhebliche Fortschritte bei dem Versuch erzielt, Proteine, insbesondere Antikörper, vollständig zu sequenzieren. Andere Methoden setzten die Existenz ähnlicher Proteine, eine bekannte Genomsequenz oder kombinierte Top-down- und Bottom-up-Ansätze voraus. Aktuelle Technologien sind in der Lage, Proteinsequenzen mit hoher Genauigkeit zusammenzustellen, indem sie de novo sequenzierte Peptide, die Intensität und die Positionskonfidenzwerte aus Datenbank- und Homologiesuchen integrieren. ⓘ
Antikörper-Mimetika
Antikörpermimetika sind organische Verbindungen, die wie Antikörper spezifisch Antigene binden können. Sie bestehen aus künstlichen Peptiden oder Proteinen oder Nukleinsäuremolekülen auf Aptamer-Basis mit einer molaren Masse von etwa 3 bis 20 kDa. Antikörperfragmente, wie Fab- und Nanokörper, gelten nicht als Antikörpermimetika. Gemeinsame Vorteile gegenüber Antikörpern sind die bessere Löslichkeit, die Gewebepenetration, die Stabilität gegenüber Hitze und Enzymen und die vergleichsweise niedrigen Produktionskosten. Antikörpermimetika werden als Forschungs-, Diagnose- und Therapiemittel entwickelt und vermarktet. ⓘ
Binde-Antikörper-Einheit
BAU (binding antibody unit, oft als BAU/mL) ist eine von der WHO definierte Maßeinheit für den Vergleich von Tests, die dieselbe Klasse von Immunglobulinen mit derselben Spezifität nachweisen. ⓘ
Verschiedene Klassen von Antikörpern
Bei den meisten Wirbeltieren gibt es fünf verschiedene Klassen (Isotypen) von Immunglobulinen, die anhand ihrer unterschiedlichen Gen-Abschnitte für die konstanten Teile der Schwerkette eingeteilt werden. Darüber hinaus gibt es einige Klassen, die nur in einzelnen Tiergruppen zu finden sind. Die verschiedenen Isotypen kommen in verschiedenen Kompartimenten des Körpers vor und haben unterschiedliche Aufgaben. ⓘ
Immunglobulin A
Immunglobulin A (IgA) wird auf allen Schleimhäuten der Atemwege, der Augen, des Magen-Darm-Trakts, des Urogenitaltrakts sowie über spezielle Drüsen rund um die Brustwarze von Müttern sezerniert und schützt dort vor Pathogenen (auch das Neugeborene). Sezerniertes IgA kommt in Form von Homodimeren vor; die beiden Anteile sind durch das Joining-Peptid verbunden. ⓘ
Immunglobulin G
Pharmakokinetik
Immunglobuline sind nach intravenöser Verabreichung in der Blutbahn des Empfängers unmittelbar und vollständig bioverfügbar. Sie verteilen sich relativ rasch zwischen Plasma und extravaskulärer Flüssigkeit; nach etwa drei bis fünf Tagen wird ein Gleichgewicht zwischen intra- und extravaskulärem Kompartiment erreicht. Die In-vivo-Halbwertszeit von IgG bei Patienten mit primärem Antikörpermangelsyndrom beträgt 35 Tage. Die Halbwertszeit von IgG kann jedoch von Patient zu Patient variieren, vor allem bei Patienten mit primären Immunmangelsyndromen. Immunglobuline und IgG-Komplexe werden in den Zellen des mononukleären phagozytischen Systems abgebaut. ⓘ
Pharmakologie
Immunglobulin G besitzt ein breites Antikörperspektrum gegen verschiedene infektiöse Erreger. Opsonisierung und Neutralisierung von Mikroben und Toxinen durch spezifische Antikörper wurden nachgewiesen. IgG-Antikörper werden aus Plasma von mindestens 1000 Spendern hergestellt; die Subklassenverteilung entspricht der des humanen Plasmas. Durch entsprechende Dosierungen können erniedrigte IgG-Serumspiegel auf Normalwerte angehoben werden. Der Wirkmechanismus bei anderen Anwendungsgebieten als der Substitutionstherapie ist noch nicht vollständig erforscht, schließt jedoch immunmodulatorische Wirkungen ein. Die Fertigprodukte sind auf einen schwach sauren pH-Wert eingestellt. Nach Verabreichung hoher Dosen von IgG wurde keine Veränderung des Blut-pH-Wertes gemessen. Die Osmolalität von Fertigarzneimitteln liegt nahe an den physiologischen Werten (285–295 mOsmol/kg). ⓘ
Immunglobulin W
Immunglobulin W (IgW) wurde erst 1996 in einer Haiart entdeckt. Aufgrund dessen wurde ursprünglich angenommen, dass es nur in Knorpelfischen vorkommt. 2003 wurde IgW jedoch auch in Lungenfischen, einer Klasse der Knochenfische, nachgewiesen. IgW besitzt wahrscheinlich einige Eigenschaften eines hypothetischen Ur-Immunglobulins und ist deshalb vor allem für die Forschung zur Evolution des Immunsystems von Interesse. ⓘ
Immunglobulin Y
Immunglobulin Y (IgY) auch Chicken IgG, Egg Yolk IgG oder 7S-IgG genannt, ist in Hühnern das funktionelle Äquivalent zu IgG und ähnelt diesem in seiner Struktur. Es ist in hohen Konzentrationen in Hühnereiern zu finden. Für die Verwendung für bioanalytische Zwecke in Immunassays bietet IgY verschiedene Vorteile gegenüber IgG. ⓘ
Gewinnung von Antikörpern
Monoklonale Antikörper
Ein monoklonaler Antikörper ist gegen genau ein spezifisches Epitop eines Antigens gerichtet. Zunächst müssen, wie bei der polyklonalen Antikörperherstellung beschrieben, Tiere immunisiert und dann deren Plasmazellen (aus Milz oder Lymphknoten) gewonnen werden. Da die Plasmazellen die Fähigkeit zur Zellteilung verloren haben, muss zuerst eine Verschmelzung mit Tumorzellen erfolgen. Die so entstandenen Zellhybriden (Hybridom-Technik) erhalten von den Plasmazellen die Eigenschaft, einen bestimmten Antikörper zu produzieren und zu sezernieren und von der Tumorzelle die Fähigkeit, in Kultur sich theoretisch unendlich oft teilen zu können und somit theoretisch unendlich lange zu leben. Durch mehrfaches Vereinzeln (Klonieren) wird ein Stamm von Zellen gewonnen, der auf eine einzelne Hybridoma-Zelle und somit auf eine einzelne Plasma-Zelle zurückgeht. ⓘ
Die so erhaltenen Zelllinien können nun in Kultur unendlich stark expandiert werden und damit auch theoretisch unendlich große Mengen Antikörper produzieren. Da alle Zellen auf eine einzige Zelle zurückzuführen sind, handelt es sich bei allen Zellen einer Kultur um identische Kopien ein und derselben Zelle. Aufgrund dessen produzieren auch alle Zellen einen bestimmten, identischen Antikörper, der sich hinsichtlich seiner Eigenschaften (z. B. Bindungsstelle am Antigen, Stärke der Bindung etc.) genau definieren lässt und in theoretisch unbegrenzter Menge herstellbar ist. ⓘ
Rekombinante Antikörper
Rekombinante Antikörper werden in vitro hergestellt, das heißt ohne Versuchstier. Rekombinante Antikörper werden typischerweise aus Genbibliotheken hergestellt, die für die Herstellung der Antikörper in Mikroorganismen geeignet sind. Die Auswahl des richtigen (=spezifisch bindenden Antikörpers) erfolgt dabei nicht durch das Immunsystem eines Tieres/Menschen, sondern durch einen Bindungsschritt im Reagenzglas. Rekombinante Antikörper können auf vielfältige Weise angewendet werden, da sie einfach verändert werden können, denn ihre Erbsubstanz ist bekannt. So kann ihre Bindungsstärke oder Stabilität verbessert werden, oder es können Eiweiße mit anderen Funktionen angehängt werden, z. B. zur Erzeugung von bispezifischen Antikörpern oder Immuntoxinen. ⓘ
Pathologie
Als Hypogammaglobulinämie wird der Mangel an Antikörpern und als Agammaglobulinämie ihr völliges Fehlen bezeichnet. Ein Zuviel an Antikörpern bezeichnet man als Hypergammaglobulinämie. Die Diagnose einer Störung der Antikörper wird in der Regel durch die Eiweißelektrophorese des Blutserums gestellt. Eventuell muss diese noch durch eine Immunelektrophorese ergänzt werden. ⓘ
Ursachen einer ausgeprägteren Hypogammaglobulinämie können u. a. sein:
- angeborener Mangel (am häufigsten sind der angeborene Immunglobulin-A-Mangel oder ein Mangel an einer der vier Subklassen von Immunglobulin G)
- Erkrankungen mit Störungen der Lymphozyten:
Ursachen einer ausgeprägteren Hypergammaglobulinämie können u. a. sein:
- chronische Entzündungen
- Erkrankungen mit Störungen der Lymphozyten:
- maligne Lymphome, z. B. Plasmozytom/Multiples Myelom oder Morbus Waldenström
- Leberzirrhose ⓘ
Modifizierte Antikörper
Durch Proteindesign wurden verschiedene Derivate von Antikörpern mit teilweise veränderten Eigenschaften erzeugt, z. B. F(ab)2-Fragmente, Fab-Fragmente, scFv-Fragmente, Einzeldomänenantikörper oder Mikroantikörper. ⓘ