§47. Моноклональные антитела, их выработка, получение и практическое применение
Цель изучения этой темы: объяснить использование моноклональных антител в диагностике и лечении заболеваний.
Как вы понимаете «молекулярное узнавание» и взаимодействие по принципу «подходит как ключ к замку»? Какие клетки в нашем организме могут вырабатывать антитела? Как возникают клетки иммунной памяти?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 18 – учебник для 8 класса; § 1 данного учебника.
Формирование и значение моноклональных антител в организме человека. Как вы помните, среди иммунных клеток – лейкоцитов – существует совершенно особая группа – В-лимфоциты, которые называют клетками иммунной памяти. Именно они отвечают за «запоминание» антигена, т. е. последующее «узнавание» возбудителя болезни и выработку антител, направленных на уничтожение именно этого антигена. На таком механизме основан естественный приобретенный иммунитет.
Моноклональные антитела, как и ферменты, обладают высокой специфичностью. Они «узнают» и «взаимодействуют» только (!) со строго определенными частями антигенов (молекулами белков или гликопротеидов, встроенными в мембраны). Причем одно моноклональное антитело не может связываться с иным, неспецифичным для него антигеном и, соответственно, не может действовать против иного антигена.
Все моноклональные антитела формируются В-лимфоцитами, и только после того, как эта клетка «встретит» антиген. Впоследствии именно «прямые потомки» клетки иммунной памяти сохраняют в себе способность очень быстро вырабатывать антитела при повторной встрече с антигеном. Теперь организм уже не тратит время на «распознавание» врага. Он сразу же вынимает оружие, которым «данный враг будет побежден».
Производство моноклональных антител как перспективное научное направление давно заинтересовало врачей-иммунологов. Успешные работы были проведены в 1970 г. на базе Кембриджского университета учеными Сезаром Мильштейном и Георгом Кёлером. До этих исследований и позже, а затем и в наши дни самым простым способом получения антител было выделять их из крови животных. Лабораторным крысам (иногда обезьянам или лошадям) вводили определенный возбудитель болезни, а потом из их крови извлекали антитела. Эта методика хорошо показала себя при изготовлении многих препаратов. Но у нее был один большой недостаток. Было сложно отделить друг от друга разные антитела. Вместе с «оружием» против данного возбудителя в сыворотку по- падали и другие иммунные белки, которых могло быть десятки и сотни. Они были не только не нужны, а иногда и вредны.
Мильштейну и Кёлеру удалось получить «чистые» моноклональные антитела, культивируя В-лимфоциты, «знакомые» только с одним возбудителем. Подобные попытки делались и ранее. Основным новаторством в разработанной методике стало то, что исследователи смогли получить гибридные клетки – гибридомы – из В-лимфоцитов и онкологических кле- ток, что сделало их самовоспроизведение in vitro (в пробирке) практически вечным (рис. 40). Сама технология состояла из таких последовательных действий:
Распознавание В-лимфоцитами определенного антигена
↓
Выработка В-лимфоцитом антител определенного типа
↓
«Скрещивание» В-лимфоцитов, вырабатывающих строго определенное антитело с онкологической клеткой, и получение поколения гибридом
↓
Пересадка на специфическую питательную среду, позволяющую выделить чистую культуру клеток, состоящую только из гибридом
↓
Бесконечное размножение полученных клеток и неограниченная выработка моноклональных антител
За проведенные исследования ученые были награждены Нобелевской премией в 1984 г.
Диагностика и лечение заболеваний с помощью моноклональных антител. Уникальность моноклональных антител как сложных белковых систем заключается в способности узнавать определенное вещество. Обычно этим веществом является белок (реализация ДНК возбудителя, т. е. результат работы антигенов) или гликопротеид (гликопротеин – сложное вещество, часть молекулы которых белковая – протеидная, или протеиновая, а часть углеводная – глико). Эти механизмы используются во многих диагностических процедурах, не связанных с иммунным ответом. Например, всем известный экспресс-тест на беременность основан на изменении окраски, появлении одной или двух голубых полосок. Дело в том, что маркеры представляют собой моноклональные антитела, связывающиеся только с одним из гормонов беременности (хорионическим гонадотропином – гормоном человека ХГЧ). При изготовлении экспресс-тестов на беременность антитела биохимически «цепляют» к молекулам (латекс), которые окрашиваются. Механизмы, лежащие в основе изменения окраски, точно копируют механизмы взаимодействия «антиген – антитело». Если гормон беременности присутствует в моче, он связывается с антителами, «привязанными» к проявляющему окраску латексу. Появляется первая голубая полоска, за которой обязательно должна появиться вторая. Если же гормона беременности человека (ХГЧ) нет в пробах, то окрасятся добавленные в следующее окошко антитела, полученные из организмов мышей. Так у беременных возникают две полоски – одна от связывания человеческих моноклональных антител с гормоном, а вторая – от «мышиных» моноклональных антител, которые дают цвет, не связываясь с человеческим гормоном, а связываясь только с молекулами красителя – латекса. Они дают полоску в любом случае, показывая, что тестирование состоялось и реактивы сработали. Поэтому у небеременных женщин видна одна полоска, а у беременных – две. Если же сам тест некачественный, то не проявляется ни одна полоска.
Рис. 40. Этапы получения моноклональных антител
1 – лабораторное животное – мышь, которая подверглась воздействию строго определенного антигена, в результате чего в ее клетках выработались моноклональные антитела, направленные именно против нее, – донор клеток селезенки;
2 – иммунный орган – селезенка лабораторного животного – место формиро- вания клеток иммунной памяти – В-лимфоцитов;
3 – культура клеток селезенки (фиолетового цвета), способных вырабатывать необходимые моноклональные антитела;
4 – онкологические клетки (синего цвета), обладающие способностью к бесконтрольному неограниченному размножению;
5 – образование гибридом (желтого цвета) – клеток, возникающих в результате слияния онкоклеток и клеток производителей моноклональных антител;
6 – формирование чистой культуры гибридом на питательной среде, которые синтезируют моноклональные антитела (7);
8 – схематично изображенное моноклональное антитело. Гипотетически цветом показана его двойственная природа: а – молекулярная основа, б – специфическая часть, «узнающая» антиген.
Подобные же приемы пытаются использовать в различных формах экспресс-диагностики онкологических заболеваний. Это особенно актуально, так как предполагается добиться успешной диагностики рака на самых ранних его стадиях до момента формирования ощутимой видимой опухоли. Делаются попытки разработки маркеров, реагирующих на онкоклетки как на «мишени». В этом случае маркер выступает в роли антитела, а онкологические клетки – в роли антигена. При их взаимодействии («узнавании» и «слипании») удалось бы обнаружить отдельные онкогенные клетки еще до того момента, как они сформировали опухоль.
Одним из перспективных направлений, пока не имеющих подтвержденных практических результатов, является попытка искусственного формирования «волшебных пуль». Это антитела, которые содержат «убойный механизм» – химический или радиоактивный элемент. Они способны «узнать» и «погубить» только клетку с отклонениями в развитии – онкологическую. Предполагается, что при этом антитело не будет реагировать, т. е. взаимодействовать с обычными клетками организма, и будет для них полностью безвредно. Но пока создание клеток или молекул, способных распознавать и уничтожать только поврежденные клетки, является перспективным направлением исследований, а не медицинской реальностью.
Клетки иммунной памяти, моноклональные антитела, гибри- домы, антигены, «волшебные пули».
Знание и понимание
1. Что такое моноклональные антитела?
2. Объясните, почему важно было получить гибридные клетки.
Применение
1. Для чего изобретают и применяют моноклональные антитела?
2. Назовите причины, по которым стоит развивать технологию применения моноклональных антител.
Анализ
1. Изобразите в виде схемы возможности применения моноклональных антител.
2. Проанализируйте этапы создания моноклональных антител, объясните значение каждого из них.
Синтез
1. Порассуждайте, как «волшебные пули» со временем могли бы решить проблему лечения различных заболеваний.
2. Смоделируйте ситуацию: «В ближайшем будущем удастся синтезировать моноклональные антитела, распознающие любые клетки нашего организма, имеющие отклонения в развитии».
Какие перспективы благодаря этому откроются перед человечеством?
Оценка
1. Напишите реферат о разработке и перспективах применения «волшебных пуль».
2. Оцените терапевтические и экономические последствия применения моноклональных антител.
Заключение по разделу «Биомедицина и биоинформатика»
Электромагнитные волны возникают как поле, сопутствующее источнику электромагнитного излучения и способное существовать в вакууме в виде волн даже в отсутствии источника. Разные ЭМВ, отличающиеся своим происхождением и физическими характеристиками, являются частью природных явлений или процессов, созданных людьми. Наиболее безопасны для организма человека радиоволны, тепло (инфракрасное излучение) и видимый свет. Наиболее опасны рентгеновское и гамма-излучение (радиоактивность). В целом можно сказать, что чем меньше длина волн и выше их частота, тем они опаснее.
Степень воздействия ЭМВ зависит от их силы, продолжительности, наличия препятствий между волной и объектом. Любой живой организм в природной среде подвергается различным воздействиям ЭМВ (в том числе и радиоактивных), но они зачастую безопасны (естественный радиоактивный фон). Опасные значения ЭМВ указаны в приложении учебника.
Одним из явлений волновой природы является звук – звуковая волна. Человек способен воспринимать звуковые волны только определенной частоты (20–20 000 Гц). Любые звуковые воздействия, находящиеся на границах восприимчивости (частоты, силы и высоты звука), не являются полезными. Они приводят к нарушениям в работе органа слуха, а также ухудшают состояние организма в целом, поэтому их стоит избегать. Влияние остальных звуков безопасно и может быть полезно.
Биоинформатику можно рассматривать как междисциплинарное направление или раздел биологии, направленный на широкое применение современных методов компьютерного моделирования. Методы биоинформатики в основном применяются в молекулярной генетике (геномике), бионике, экологии, фармакологии и медицине.
ЭКО (экстракорпоральное оплодотворение) – это методика оплодотворения вне организма женщины извлеченными отцовскими гаметами. Метод был разработан и успешно применен Р. Д. Эдвардсом в 1978 г. (Нобелевская премия 2010 г.). С тех пор метод ЭКО успешно применяется во многих странах мира.
Разработка ЭКО позволила многим бездетным семьям обрести детей, одиноким женщинам испытать радость материнства. Сейчас количество детей, родившихся в результате ЭКО, составляет более шести миллионов.
Каждый конкретный случай и, соответственно, методика ЭКО имеют свои особенности. В общем плане это: 1) получение гамет (яйцеклеток через 36–37 часов воздействия лютеинизирующего гормона) от обоих родителей; 2) их оплодотворение в лабораторной посуде (в течение 2–3 часов); 3) помещение эмбрионов (в течение 2–6 дней) в организм матери (генетической или суррогатной). Возможно сохранение (криоконсервация – замораживание в жидком азоте) как гамет, так и эмбрионов на ранней стадии (до имплантации).
Применение методов ЭКО оценивается обществом и отдельными людьми неоднозначно. Крайне негативно ЭКО оценивается католической религией. Неоднозначное отношение высказывают представители мусульманства, буддизма, иудаизма и православия. При исключении абортов, суррогатного материнства и условии, что родителями становятся мужчина и женщина, заключившие брак по канонам религии, процедура ЭКО представителями духовенства в целом не осуждается.
Моноклональные антитела – иммунные белки, способные реагировать только на один вид антигена – какое-либо вещество белковой природы. Антигеном может быть «узнаваемый» специфический белок на мембране возбудителя болезни, онкологическая клетка или определенный гормон (белок, гликопротеид и т. д.). При производстве моноклональных антител добиваются гибридизации иммунных клеток В-лимфоцитов, производящих определенные антитела, и онкологических клеток. Полученные в результате гибридомы дают возможность производить моноклональные антитела в промышленных масштабах.
Разработка лекарственных препаратов на основе моноклональных антител, воздействующих не на весь организм больного человека, а только на больные клетки (бактериальные или онкогенные) кажутся очень перспективными.