3　免疫學快速檢測技術

3.1　抗原與抗體

3.1.1　抗原

3.1.1.1　抗原的定義和分類

（1）定義　抗原（antigen）是指進入動物體內能刺激其免疫系統發生免疫應答，從而引起動物產生抗體或致敏淋巴細胞，并能在體內或體外與抗體或致敏淋巴細胞發生特異性結合反應的物質。由此可見，抗原具有兩種性質：一種是刺激機體產生免疫反應，稱為免疫原性（immunogenicity），具有這種能力的物質稱為免疫原（immunogen）；另一種是與免疫反應產物發生特異性結合，稱為免疫反應性（immunoreactivity）。兼有免疫原性和免疫反應性的抗原是完全抗原（complete antigen）；而有些物質，例如某些激素、藥物等，單獨存在時只有免疫反應性而無免疫原性，被稱為半抗原（hapten）。半抗原必須經過改造后才會具有免疫原性。一般來說，具有免疫原性的物質，必然具有免疫反應性；但具有免疫反應性的物質不一定具有免疫原性。

（2）分類　抗原的種類非常多，可以根據來源、化學成分、理化性質以及親緣關系等來進行分類。

根據來源，通?？蓪⒖乖殖扇悾禾烊豢乖?、人工抗原和合成抗原。天然抗原是指天然的生物、細胞及天然產物，例如細菌、病毒，以及各種蛋白質、多糖、脂類、核酸等都可以是天然抗原。人工抗原是指經過化學改性的天然抗原，例如碘化蛋白、半抗原結合蛋白等就是人工抗原。合成抗原是指化學合成的具有抗原性質的分子，主要是氨基酸的聚合物，只由一種氨基酸形成的聚合體稱為同聚多肽，如由左旋賴氨酸形成的同聚多肽（PLL）。由二種或二種以上氨基酸形成的聚合多肽稱為共聚多肽，如由酪氨酸、谷氨酸與多聚丙氨酸和賴氨酸組成的聚合成多肽（T、G）-AL。應用這種人工合成多肽可研究氨基酸種類、序列與蛋白質抗原性及免疫原性的關系，也可研究機體遺傳性與免疫性的關系。

根據抗原的化學成分，可分為蛋白質、脂蛋白、多糖體、糖蛋白、多肽以及核蛋白等（見表3-1）。

根據抗原的水溶性，可分為不溶于水的顆粒抗原和可溶性膠體抗原。例如細菌的鞭毛、纖毛和完整的微生物菌體等都是顆?？乖?；而蛋白質、多糖、DNA和真菌毒素等都是可溶性膠體抗原。一般顆粒抗原的免疫原性大于可溶性膠體抗原的免疫原性。在可溶性膠體抗原中以蛋白質的免疫原性最強，其次是多糖和DNA，真菌毒素等小分子物質屬于半抗原，沒有免疫原性，必須和大分子物質（如蛋白質）結合后才具有全抗原的性質。

根據抗原與機體的親緣關系還可將抗原分為自身抗原（autoantigen）、同種型抗原（isoantigen）和異種抗原。自身抗原是指抗原來自免疫動物自身。在正常情況下，免疫系統是不會對自身抗原產生免疫應答的，但在病理情況下，由于自身抗原暴露或自身抗原結構發生了改變，或者機體免疫系統本身發生異常，免疫系統將自身物質當作抗原性異物來識別，誘發自身免疫應答，引起自身免疫疾病。同種型抗原是指抗原來自同種動物的不同個體。這些個體在遺傳上有所不同，個體間的抗原性存在差異，來自一個個體的抗原能夠刺激同種的其他個體產生免疫應答。典型者如ASO血型抗原和組織相容性抗原，后者是引起移植物排斥的主要原因。異種抗原是指來自和免疫動物不同物種的抗原。通常情況下，異種抗原的免疫原性比較強，容易引起較強的免疫應答。前面所述的微生物菌體及其所產生的蛋白質、多糖等都屬于異種抗原。

此外，根據抗原物質在激發免疫系統時有不同的淋巴細胞參與，又可分為胸腺依賴性抗原和非胸腺依賴性抗原。

3.1.1.2　抗原的性質

（1）免疫原性　免疫原性是完全抗原的一個非常重要的性質之一。一種抗原的免疫原性一般取決于三個方面的因素：抗原自身的結構與性質、宿主的反應性和免疫的方式與條件。

在抗原的結構和性質方面，包括抗原的異質性、分子量大小、空間結構、分子表面電荷以及光學構型等?？乖漠愘|性是指在免疫功能正常條件下，只有異種或同種異體的免疫原性物質才能誘導宿主產生正常的免疫應答。一般地，抗原物質的來源和宿主的親緣關系越遠，組織結構差異越大，免疫原性越強。例如，鴨血清蛋白質對雞是弱抗原，而對家兔則是強抗原。另外應注意的是，在進行半抗原制備完全抗原時，載體（與半抗原結合后形成完全抗原的大分子物質，一般為蛋白質）的選擇要有較大的種屬差異。例如植物激素分子與兔血清蛋白結合后，再用于免疫兔就很難有免疫原性，因此，一般用牛血清白蛋白（BSA）或人血清白蛋白（HAS）作為載體用于免疫兔或鼠，由于種屬差異大，免疫原性就強。

分子質量大小也是影響抗原免疫原性的一個重要因素。具有免疫原性的抗原物質，其分子質量通常在10kDa以上。如乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）、甲胎蛋白（AFP）等。分子質量越大，其表面積相應增大，接觸免疫系統細胞的機會增多，且排除緩慢，故其免疫原性就增強。而分子質量小于10kDa者呈弱免疫原性，低于4kDa者一般不具有免疫原性。分子質量在4～10kDa之間的免疫原性依分子結構的復雜程度而定，這是一般規律。但也有例外，如分子質量高達100kDa的明膠比分子質量僅為5.734kDa的胰島素的免疫原性還要差?，F已知分子質量最小的抗原是人工合成的，其分子質量為400Da。一般來說，分子質量越大，其免疫原性就越強。

抗原的結構，特別是空間結構對免疫原性的影響很大。即使是相同的物質構成或是具有相同的分子質量，但由于其空間結構不一樣，其免疫原性都會有很大的差異。直鏈結構的物質一般缺乏免疫原性，多支鏈或環狀結構的物質容易成為免疫原，球形分子比線性分子的免疫原性強。例如，上述明膠正因為缺乏環狀集團和分支的線性分子，所以盡管分子質量大，但是免疫原性微弱。還有實驗證明，蛋白質抗原分子中，α-螺旋有利于增強免疫原性，而且，只有當寡聚肽達到足以形成α-螺旋構型時，才有免疫原性。

分子表面電荷對其免疫原性也有一定的影響。實驗表明，帶正電荷的堿性抗原，是極好的免疫原，而帶負電荷的酸性物質則較差。這可能是因為淋巴細胞表面帶有負電荷，因此，帶正電荷的抗原有利于非特異性地吸附到這些細胞的細胞膜上，從而更好地刺激免疫系統產生抗體。另外，抗原的凈電荷與由它引起的抗體的凈電荷有相反的關系。因此，若抗原是酸性的，則抗體是堿性的，反之亦然，這樣的現象有利于抗原、抗體的緊密結合。

抗原的光學結構對其免疫原性也有很大影響。應用合成多肽抗原來研究光學構型對免疫原性的影響，結果發現D-氨基酸聚合體的免疫原性低于相應的L-異構體。將L-氨基酸連接到由D-氨基酸組成的合成大分子的外部時，它變成了一個很好的免疫原。相反地，以L-氨基酸為主的大分子，在它的側鏈末端接有D-氨基酸時，則是一個很弱的免疫原。D-氨基酸聚合體的弱免疫原性，可能與它們的不完全代謝和在動物體內長時間的滯留有關。

宿主的反應性和免疫方式也影響著抗原的免疫原性。宿主的個體發育、生理狀態和遺傳特性等都對免疫原性有很大影響。所以不同種動物，甚至同種動物的不同個體對同一抗原的免疫均有差異。例如應用人工合成抗原二硝基苯-多聚左旋賴氨酸（DNP-poly-L-L）對荷蘭豬品系2（GP strain 2）可以引起應答，而對品系13（GP strain 13）則不能引起應答。這充分證明個體遺傳性對免疫應答的控制作用。在20世紀70年代Mc Devitt等應用人工合成抗原在近交系小鼠體內發現了控制免疫應答的基因座（immuneresponslocus）定位于H-2復合體的Ⅰ區，稱此基因為免疫應答基因-1（immune response，Ⅰr-1）。另外，免疫方式，即免疫動物的機體與抗原的相互作用方式對抗原的免疫應答也有很大影響，主要包括抗原的進入途徑、劑量、次數、時間間隔以及有無佐劑等。

總之，抗原的免疫原性除了取決于自身的結構與組成之外，還與免疫動物的生理狀態和免疫方式等有著密切的關系。

（2）特異性　抗原的特異性表現在兩個方面：在免疫原性上，一種抗原只能誘發一種特異的免疫應答，結果形成特異性抗體或致敏淋巴細胞。在免疫反應性上，抗原只能與抗原誘導產生的特異性抗體或致敏淋巴細胞進行反應。抗原的這種特異性取決于其自身的抗原決定簇（antigenic determinant）。抗原決定簇，也稱表位（epitope），是指抗原性物質表面具有一定組成和結構的特殊化學基團。它能與相應的淋巴細胞結合而激活淋巴細胞引起免疫應答。同時，抗原也是通過抗原決定簇與相應的抗體進行特異性結合的。因此，抗原決定簇是免疫應答和免疫反應具有特異性的物質基礎。

一個抗原分子可以含有一個或多個不同的抗原決定簇。每一個決定簇可刺激機體產生一種對應的特異性抗體。例如，牛血清蛋白分子上含有18個抗原決定簇，其刺激產生的抗血清中應含有針對該抗原18種決定簇的特異性抗體。當抗原與一個抗體分子結合后，該抗原含有的其他決定簇還可以與另外相應的抗體結合。

抗原-抗體的結合實質上只發生在抗原的抗原決定簇與抗體的抗原結合位點之間。由于兩者在化學結構和空間構型上呈互補關系，所以抗原-抗體反應具有高度的特異性。但這種特異性也不是絕對的，當兩種抗原之間含有相同或相似的抗原決定簇時，可能會發生交叉反應（cross reaction），即抗原（或抗體）除與相應抗體（或抗原）發生特異性反應外，還與其他抗體（或抗原）發生反應。例如：絨毛膜促性腺激素（hCG）和黃體生成激素（LH）均由α和β兩個亞單位組成，其結構的不同處在β亞單位，而兩者的α亞單位是同類的。用hCG免疫動物所得的抗血清中含有抗α-hCG和抗β-hCG兩種抗體，抗α-hCG抗體將與LH中的α酶發生交叉反應。故交叉反應的強弱嚴重影響著免疫檢測的準確性，應予以重視。

3.1.2　抗體

3.1.2.1　抗體的定義與分類

（1）定義　抗體（antibody）是在抗原刺激下產生的，并能與之特異性結合的免疫球蛋白?？贵w在體內存在的形式有許多種?？贵w是由B細胞系的細胞所產生的，存在于組織液、淋巴液、血液和腦脊髓液等體液中，另外，抗體還存在于某些細胞，例如B淋巴細胞的膜上?？贵w的化學本質是免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）。

（2）分類　Ig包括很多種類，根據Ig的理化特性和與抗原結合方式的不同，可以將其分為類和亞類。例如，人類的Ig可以分為IgG、IgM、IgA、IgD、IgE五大類，其中IgG和IgA分別可進一步分為IgG₁、IgG₂、IgG₃、IgG₄和IgA₁、IgA₂亞類。IgG是Ig中主要的組成部分，約占血清總蛋白量的15％。應用于免疫學檢測中的抗體主要是IgG和IgM，以IgG最為常用。

3.1.2.2　結構

Ig的基本結構是由一對較長的多肽鏈和一對較短的多肽鏈組成的。前者稱為重鏈（heavy chain，H鏈）；后者稱為輕鏈（light chain，L鏈）。重鏈約含450個氨基酸，分子質量約為50kDa；輕鏈約含214個氨基酸，分子質量約為25kDa。Ig除了含氨基酸外，還含有糖類，所以Ig屬于糖蛋白。Ig的重鏈與輕鏈之間通過二硫鍵連接，呈Y字形。Ig的輕鏈是相同的，有κ和λ兩種類型。五類Ig的重鏈結構不同，這決定了它們的抗原性也不同。

在多肽鏈的氨基酸（N端），輕鏈的1/2和重鏈的1/4或1/5這兩段的氨基酸排列順序隨抗體特異性不同而有所變化，因此稱為可變區（variable region，V區）近羧基端（C端）輕鏈的其余1/2和重鏈的3/4或4/5的氨基酸排列順序和糖的含量比較穩定，因此稱為恒定區（constant region，C區）。在輕鏈和重鏈的V區中分別有三個區域的氨基酸種類和排列順序變化最大，這些區域被稱為超變區（hypervariable region）。超變區可形成與所結合抗原結構互補的三維平面，是免疫球蛋白與抗原決定簇特異性結合的關鍵位置。V區的其余部分相對保守，稱為支架區（framework region），其結構較穩定。

另外，不同種類Ig的存在形式不同，如IgG、IgE、IgD以上述抗體單體的形式存在，而IgM和IgA則通常由多個抗體單體組成。IgM是由5個抗體單體通過J鏈（joining chain）連接在一起的五聚體，而IgA則是二聚體、三聚體甚至四聚體。每個抗體單體有兩個抗原結合位點，如果將一個結合位點稱為一價，那么IgG、IgE、IgD都是二價抗體，而IgM是十價抗體。