Khái niệm kháng nguyên và hapten

- Kháng nguyên (antigen) là những phân tử lạ hoặc vật lạ, thường là các protein, khi xâm nhập vào cơ thể chủ thì có khả năng kích thích cơ thể chủ sinh ra các đáp ứng miễn dịch đặc hiệu chống lại chúng.

- Mặc dù tất cả các phân tử có tính sinh miễn dịch thì đều có tính kháng nguyên. Nhưng ngược lại không phải bất kỳ một phân tử nào có tính kháng nguyên thì cũng đều có tính sinh miễn dịch. Một số phân tử được gọi là hapten có tính kháng nguyên nhưng bản thân chúng không có khả năng kích thích sinh ra một đáp ứng miễn dịch đặc hiệu. Nói một cách khác các hapten có tính kháng nguyên nhưng không có tính sinh miễn dịch. Khi hapten được gắn với một protein thích hợp nào đó thì phức hợp hapten-protein này lại trở nên có tính sinh miễn dịch, và đáp ứng miễn dịch do phức hợp này kích thích sinh ra chủ yếu là chống lại và mang tính đặc hiệu với phần hapten; phân tử protein gắn với hapten như vậy được gọi là protein tải (carrier protein). Như vậy phức hợp hapten-protein tải là chất sinh miễn dịch hoàn chỉnh với hai yêu cầu cần và đủ là tính kháng nguyên (do hapten cung cấp) và tính sinh miễn dịch (do protein tải cung cấp). Rất nhiều chất quan trọng về phương diện miễn dịch học bao gồm thuốc, các hormon peptide và các hormon steroid có thể hoạt động như các hapten.

- Các yếu tố ảnh hưởng đến tính sinh miễn dịch

Những tính chất của bản thân kháng nguyên ảnh hưởng đến tính sinh miễn dịch

- Có bốn đặc điểm của chất sinh miễn dịch góp phần quyết định tính sinh miễn dịch của nó đó là tính lạ, kích thước phân tử, thành phần và tính không thuần nhất về phương diện hoá học, và khả năng giáng hoá để có thể được xử lý và trình diện cùng với một phân tử MHC trên màng tế bào trình diện kháng nguyên hoặc tế bào của cơ thể bị biến đổi.

- Tính lạ: Để kích thích cơ thể sinh ra một đáp ứng miễn dịch thì phân tử kích thích này phải được nhận biết như là một phân tử không phải của bản thân cơ thể đó (thực sự không phải của cơ thể hoặc của cơ thể nhưng bị nhận nhầm). Sự nhận biết những gì là của chính bản thân mình xuất hiện rất sớm trong quá trình phát triển bào thai, ngay khi các tế bào lympho chưa chín được tiếp xúc với các thành phần của bản thân cơ thể. Bất kỳ một phân tử nào không được hệ thống miễn dịch nhận biết trong giai đoạn này thì sẽ được nhận biết như không phải là của bản thân cơ thể đó, hay nói cách khác là lạ. Khi một kháng nguyên xâm nhập vào một cơ thể thì mức độ sinh miễn dịch của chúng phụ thuộc vào mức độ lạ. Nhìn chung khoảng cách tiến hoá càng xa giữa hai loài thì sự khác biệt về di truyền và sự khác biệt về kháng nguyên giữa hai cơ thể sẽ càng lớn, hay nói cách khác là càng lạ. Ví dụ albumin huyết thanh bò sẽ kích thích sinh đáp ứng miễn dịch ở gà mạnh hơn là ở một loài gần với loài bò như dê. Tuy vậy cũng có một số ngoại lệ của qui luật này: một số đại phân tử như collagen và cytochrome C có cấu trúc thay đổi theo tiến hoá nhưng lại có tính sinh miễn dịch yếu giữa các loài với nhau. Trái lại, một số yếu tố của bản thân (như giác mạc, tinh dịch) do chúng nằm ở những vị trí đặc ưu cách biệt với hệ thống miễn dịch do đó chúng bị hệ thống miễn dịch coi là lạ đến nỗi khi đưa các mô này vào chính cơ thể của nó thì nó cũng có tính sinh miễn dịch mạnh (nhận nhầm là lạ do chưa tiếp xúc bao giờ).

- Kích thước phân tử: Có một mối quan hệ giữa kích thước của các đại phân tử và tính sinh miễn dịch của chúng. Các kháng nguyên có tính sinh miễn dịch tốt thường phải có trọng lượng phân tử lớn hơn 100.000 dalton (Da). Nhìn chung những phân tử có trọng lượng phân tử thấp hơn cỡ 500 đến 10.000 Da có tính sinh miễn dịch yếu. Tuy nhiên trong một số trường hợp một số phân tử có trọng lượng phân tử thấp hơn 1.000 Da (ví dụ như glucagon) cũng có tính sinh miễn dịch.

- Thành phần hoá học và tính không thuần nhất: Chỉ kích thước và tính lạ chưa đủ để xác định tính sinh miễn dịch, mà cần phải có các tính chất khác. Ví dụ các homopolymer tổng hợp (tức là những polymer gồm có chỉ một loại acid amine hoặc oza) không có tính sinh miễn dịch dù cho kích thước của chúng có lớn như thế nào. Việc tổng hợp các copolymer tạo thành từ các acid amine khác nhau đã làm sáng tỏ vai trò của cấu trúc hoá học đối với tính sinh miễn dịch. Các copolymer có hai hay nhiều loại acid amine và có kích thước đủ lớn thì có tính sinh miễn dịch cao. Nếu bổ sung thêm các loại acid amine thơm như tyrosine hoặc phenylalanine thì tính sinh miễn dịch của các polymer tổng hợp này tăng lên rõ rệt. Ví dụ một copolymer tổng hợp gồm acid glutamic và lysine muốn có tính sinh miễn dịch thì cần phải có trọng lượng phân tử là 30.000 đến 40.000 Da. Nếu bổ sung tyrosine vào copolymer này thì trọng lượng phân tử chỉ cần từ 10.000 đến 20.000 Da cũng đủ để có tính sinh miễn dịch. Nếu bổ sung cả tyrosine và phenylalanine thì chỉ cần trọng lượng phân tử 4.000 Da là đã có tính sinh miễn dịch. Cả 4 mức độ cấu trúc protein bậc 1, bậc 2, bậc 3 và bậc 4 đều có ảnh hưởng đến tính phức tạp trong cấu trúc của một protein và vì vậy cũng ảnh hưởng đến tính sinh miễn dịch.

- Khả năng giáng hoá: Sự hình thành đáp ứng miễn dịch dịch thể và đáp ứng miễn dịch qua trung gian tế bào đều đòi hỏi sự tương tác của tế bào T với các quyết định kháng nguyên được xử lý và trình diện cùng phân tử MHC trên bề mặt tế bào. Với tế bào TH thì kháng nguyên phải được trình diện cùng với các phân tử MHC lớp II trên bề mặt các tế bào trình diện kháng nguyên, còn với tế bào TC thì kháng nguyên phải được trình diện cùng với các phân tử MHC lớp I trên bề mặt các tế bào của bản thân đã bị thay đổi. Vì vậy, các đại phân tử nếu không được chế biến, xử lý để rồi có thể được trình diện cùng các phân tử MHC thì có tính sinh miễn dịch thấp. Điều này có thể chứng minh với các polymer tổng hợp của các acid amine D. Các acid amine D là các chất đồng phân lập thể của các acid amine L. Các enzyme của đại thực bào chỉ có thể phân cắt các protein chứa các acid amine L mà không có tác dụng trên các đồng phân lập thể của chúng là các acid amine D. Vì vậy, các polymer của các acid amine D sẽ không được xử lý bởi đại thực bào do đó các acid amine D có tính sinh miễn dịch rất thấp.

- Nhìn chung các phân tử không hoà tan có tính sinh miễn dịch lớn hơn các phân tử nhỏ và hoà tan bởi vì chúng dễ bị các đại thực bào nuốt và xử lý. Tạo liên kết hoá học chéo giữa các phân tử, gây ngưng tập bằng nhiệt và gắn vào các khuôn không hoà tan là những cách thường được dùng để làm tăng tính không hoà tan của các đại phân tử và do vậy tạo thuận lợi cho đại thực bào nuốt chúng và làm tăng tính sinh miễn dịch của chúng.

Những tính chất của hệ thống sinh học ảnh hưởng đến tính sinh miễn dịch

- Kiểu hình của túc chủ: Cấu trúc di truyền của túc chủ có ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh đáp ứng miễn dịch của túc chủ cũng như cường độ của đáp ứng ấy. Hugh McDevitt đã chứng minh rằng hai dòng chuột nhắt thuần chủng khác nhau hình thành đáp ứng miễn dịch rất khác nhau với cùng một kháng nguyên polypeptide tổng hợp. Sau khi tiếp xúc với kháng nguyên một dòng sinh ra kháng thể với nồng độ cao, trong khi dòng kia sinh ra kháng thể với nồng độ thấp. Nếu cho lai chéo hai dòng với nhau thì các con lai ở thế hệ F1 có đáp ứng với kháng nguyên này ở mức độ trung bình. Bằng phương pháp phân tích lai chéo ngược người ta đã định vị được gene kiểm soát tính đáp ứng miễn dịch ở một vùng nằm trong phức hợp gene hoà hợp mô chủ yếu (phức hợp MHC). Nhiều thực nghiệm cũng đã chứng minh sự liên quan giữa việc kiểm soát di truyền của tính sinh miễn dịch với các gene nằm trong phức hợp MHC. Người ta đã chỉ ra rằng các protein là sản phẩm của các gene này (tức các phân tử MHC) tham gia vào quá trình trình diện kháng nguyên cho tế bào T và đóng vai trò trung tâm trong việc quyết định mức độ của đáp ứng miễn dịch với một kháng nguyên. Đáp ứng của một túc chủ với một kháng nguyên còn phụ thuộc bởi các gene mã hoá các thụ thể của tế bào B và tế bào T dành cho kháng nguyên và vào các gene mã hoá các protein khác nhau tham gia vào các cơ chế đáp ứng miễn dịch. Sự thay đổi di truyền của tất cả các gene này sẽ làm ảnh hưởng đến tính sinh miễn dịch của túc chủ đối với một phân tử kháng nguyên biết trước.

- - Liều lượng kháng nguyên và đường vào của kháng nguyên: Đối với bất kỳ một kháng nguyên thực nghiệm nào cũng cần phải có sự kết hợp giữa liều lượng tối ưu, lối vào của kháng nguyên và qui trình gây mẫn cảm thì mới tạo nên được một đáp ứng miễn dịch có cường độ cao nhất. Liều kháng nguyên thấp thì không thể tạo nên được đáp ứng miễn dịch do chúng không đủ để hoạt hoá các tế bào lympho hoặc do chúng gây ra một tình trạng không đáp ứng (dung nạp liều thấp). Ngược lại một liều quá lớn kháng nguyên cũng không kích thích được đáp ứng miễn dịch vì chúng làm cho các tế bào lympho rơi vào trạng thái không đáp ứng (dung nạp liều cao). Thực nghiệm sau đây trên chuột nhắt với kháng nguyên polysaccharide vỏ phế cầu tinh chế đã cho thấy tầm quan trọng của liều lượng: với liều 0,5 mg kháng nguyên không kích thích sinh đáp ứng miễn dịch được, trong khi đó với liều 1.000 lần thấp hơn (510-4 mg) lại sinh ra được đáp ứng tạo kháng thể với cường độ cao. Hiện tượng không đáp ứng miễn dịch khi được tiếp xúc với liều kháng nguyên quá thấp hoặc quá cao còn được gọi là dung nạp miễn dịch. Nếu đưa kháng nguyên vào cơ thể chỉ một lần thì thường chỉ kích thích sinh ra được đáp ứng miễn dịch với cường độ thấp. Trái lại, nếu đưa cùng một kháng nguyên vào một cơ thể nhưng lặp lại nhiều lần trong vòng thời gian vài tuần thì lại gây được đáp ứng miễn dịch với cường độ cao. Khi đưa nhắc lại kháng nguyên vào cơ thể như vậy sẽ có tác dụng kích thích làm cho các tế bào lympho T và B đặc hiệu với kháng nguyên tăng sinh mạnh hơn thành các clone tế bào. Có thể đưa các kháng nguyên thực nghiệm vào cơ thể túc chủ bằng các đường tiêu hoá, đường tĩnh mạch, tiêm trong da, tiêm dưới da, tiêm bắp hoặc tiêm phúc mạc. Lối vào của kháng nguyên sẽ quyết định cơ quan miễn dịch nào và quần thể tế bào nào sẽ tiếp xúc với chúng để tham gia vào sự hình thành đáp ứng miễn dịch. Kháng nguyên vào theo đường tĩnh mạch trước tiên sẽ được chuyển đến lách, kháng nguyên tiêm dưới da sẽ về hạch lympho. Sự khác biệt của các quần thể lympho cư trú trong các cơ quan này sẽ tạo nên sự khác nhau về chất lượng của đáp ứng miễn dịch.

- Tá chất: Tá chất (adjuvant, bắt nguồn từ từ adjuvare trong Tiếng La Tinh có nghĩa là hỗ trợ hoặc giúp đỡ) là những chất khi được trộn với kháng nguyên và tiêm cùng với chúng sẽ làm tăng tính sinh miễn dịch của kháng nguyên. Người ta thường sử dụng tá chất để làm tăng đáp ứng miễn dịch khi kháng nguyên có tính sinh miễn dịch thấp hoặc khi chỉ có được một lượng nhỏ kháng nguyên. Ví dụ đáp ứng tạo kháng thể ở chuột chống lại albumin huyết thanh bò sẽ tăng lên 5 lần hoặc hơn nữa nếu trộn albumin huyết thanh bò với tá chất. Cho đến nay chúng ta chưa biết rõ bằng cơ chế nào mà tá chất làm tăng đáp ứng miễn dịch. Có một số cơ chế được giả thiết (bảng 1). Một số tá chất có tác dụng kéo dài sự tồn tại của kháng nguyên trong cơ thể túc chủ gây miễn dịch. Ví dụ khi trộn kháng nguyên với sulphat kali nhôm (còn gọi là alum) thì muối này sẽ gây tủa protein kháng nguyên. Khi tiêm tủa này thì các kháng nguyên sẽ được giải phóng chậm hơn từ nơi tiêm vào cơ thể túc chủ, vì vậy thời gian tiếp xúc với kháng nguyên chỉ là vài ngày nếu không có tá chất sẽ tăng lên vài tuần nếu được trộn với tá chất. Sự tăng kích thước của tủa cũng làm tăng hiệu quả của tá chất bởi vì các đại phân tử dễ được đại thực bào nuốt hơn. Các tá chất nước trong dầu của Freund gồm có kháng nguyên trong dung dịch nước, dầu khoáng và một chất nhũ hoá như monooleate manid, tá chất này đã phân tán dầu thành các giọt nhỏ bao quanh kháng nguyên vì vậy kháng nguyên được giải phóng rất chậm từ nơi tiêm vào cơ thể. Tá chất Freund hoàn chỉnh (Freund's complete adjuvant) có thêm Mycobarterium đã bị giết bằng nhiệt hoà trong nhũ tương nước trong dầu có hiệu lực cao hơn loại tá chất Freund không hoàn chỉnh (Freund's incomplete adjuvant) bởi vì các thành phần muramyl dipeptide của vách tế bào Mycobarterium sẽ hoạt hoá đại thực bào làm tăng hoạt động thực bào, tăng biểu lộ các phân tử MHC lớp II và các phân tử B7 trên màng tế bào, đồng thời tăng tiết các cytokine như IL-1. Phân tử B7 và các cytokine do đại thực bào tiết ra là đồng kích thích tố kích thích hoạt hoá các tế bào TH. Cả hoạt động trình diện kháng nguyên và các tín hiệu đồng kích thích tế bào TH đều tăng lên khi có tá chất. Các tá chất khác như các polyribonucleotide tổng hợp và các lipopolysaccharide vi khuẩn kích thích đáp ứng tăng sinh không đặc hiệu của tế bào lympho vì vậy làm tăng cường khả năng chọn lựa clone tế bào lympho do kháng nguyên kích thích. Một số tá chất kích thích phản ứng viêm tại chỗ và mạn tính do vậy thu hút các tế bào làm nhiệm vụ thực bào và lympho đến nơi có kháng nguyên. Sự thâm nhiễm các tế bào này tại nơi tiêm tá chất thường dẫn đến hình thành các u hạt. Cả alum lẫn các tá chất Freund đều có thể gây nên các u hạt. Sự tăng số lượng đại thực bào tại u hạt và các đại thực bào ở đây đều là đại thực bào hoạt hoá nên cũng làm tăng quá trình hoạt hoá các tế bào TH.