抗原抗体相互作用

抗原抗体相互作用、または抗原抗体反応は、免疫反応中に白血球のB 細胞によって生成された抗体と抗原との間の特定の化学相互作用です。抗原と抗体は凝集と呼ばれるプロセスによって結合します。これは、病原体やその化学毒素などの複雑な外来分子から体を保護するための体内の基本的な反応です。血液中では、抗原は抗体によって特異的かつ高い親和性で結合し、抗原抗体複合体を形成します。その後、免疫複合体は細胞系に輸送され、そこで破壊または不活性化されます。

抗原抗体反応の最初の正しい説明は、1952年にウィスコンシン大学のリチャード・J・ゴールドバーグによってなされました。 ^{[1] [2]}これは「ゴールドバーグの理論」（抗原抗体反応）として知られるようになりました。^[3]

抗体と抗原にはいくつかの種類があり、各抗体は特定の抗原にのみ結合することができます。結合の特異性は、各抗体の特定の化学構成によるものです。抗原決定基またはエピトープは、ポリペプチド鎖の可変領域に位置する抗体のパラトープによって認識されます。可変領域には、各抗体に固有のアミノ酸配列である超可変領域があります。抗原は、静電相互作用、水素結合、ファンデルワールス力、疎水性相互作用などの弱い非共有相互作用を通じて抗体に結合します。^[4]

抗原抗体相互作用の特異性と交差反応性の原理は、臨床検査室での診断に役立っています。基本的な応用例の 1 つは、ABO 血液型の判定です。また、HIV、微生物、蠕虫寄生虫などのさまざまな病原体による感染の分子技術としても使用されています。

個体が抗原にさらされることで発達する免疫は、獲得免疫または獲得免疫と呼ばれ、出生時に発達する免疫である自然免疫とは対照的です。獲得免疫は、抗原と血液中のB細胞によって生成される抗体と呼ばれるタンパク質群との相互作用に依存します。抗体は多数存在し、それぞれが特定のタイプの抗原に特異的です。したがって、獲得免疫における免疫反応は、抗原が抗体に正確に結合することによって生じます。抗原と抗体分子のごくわずかな領域のみが、抗原のエピトープおよび抗体のパラトープと呼ばれる相補的結合部位を介して実際に相互作用します。^[5]

抗体では、Fab（フラグメント、抗原結合）領域は、免疫グロブリンポリペプチドの軽鎖と重鎖の両方のアミノ末端から形成されます。可変（V）ドメインと呼ばれるこの領域は、各タイプの抗体と抗原への結合親和性を定義するアミノ酸配列で構成されています。可変軽鎖（V _L）と可変重鎖（V _H）の組み合わせ配列は、3つの超可変領域（HV1、HV2、およびHV3）を作成します。V _Lでは、これらはそれぞれ残基28〜35、49〜59、および92〜103です。HV3は最も可変性の高い部分です。したがって、これらの領域は、抗体の抗原を認識して結合する部分であるパラトープの一部である可能性があります。超可変領域間のV領域の残りの部分はフレームワーク領域と呼ばれます。各Vドメインには、FR1、FR2、FR3、およびFR4の4つのフレームワークドメインがあります。^{[4] [6]}

抗体は弱い化学相互作用を介して抗原に結合し、結合は本質的に非共有結合です。静電相互作用、水素結合、ファンデルワールス力、疎水性相互作用はすべて、相互作用部位に応じて関与することが知られています。^{[7] [8]}抗体と抗原間の非共有結合は、界面の水分子によって媒介されることもあります。このような間接的な結合は、交差反応性、つまり単一の抗体が異なるが関連する抗原を認識する現象に寄与する可能性があります。^[9]

抗原と抗体は、鍵と鍵穴のような高親和性結合を介して相互作用する。^[10]結合には動的平衡が存在する。例えば、反応は可逆的なものであり、次のように表される。^[11]

${\displaystyle {\ce {[Ab] + [Ag] <=> [AbAg]}}}$

ここで、[Ab]は抗体濃度、[Ag]は抗原濃度であり、遊離状態（[Ab]、[Ag]）または結合状態（[AbAg]）のいずれかです。

したがって、平衡結合定数K _{a は}次のように表すことができます。

${\displaystyle K_{a}={\frac {k_{{\ce {on}}}}{k_{{\ce {off}}}}}={\frac {{\ce {[AbAg]}} }{{\ce {[Ab] [Ag]}}}}}$

ここで、k _onとk _{off は}それぞれ結合速度定数と解離速度定数です。

逆に、平衡解離定数K _{d は}次のようになります。

${\displaystyle K_{d}={\frac {k_{{\ce {off}}}}{k_{{\ce {on}}}}}={\frac {{\ce {[Ab] [Ag]}}}{{\ce {[AbAg]}}}}}$

抗体-抗原結合速度論は、 2次可逆反応の速度式で記述できます。ただし、これらの式は、1つの抗体上の1つの抗原、つまり単一のエピトープ結合にのみ適用できます。抗体は必然的に2つのパラトープを持ち、多くの状況で複雑な結合が発生するため、多重結合平衡は次のようにまとめることができます。

${\displaystyle K_{a}={\frac {k_{{\ce {on}}}}{k_{{\ce {off}}}}}={\frac {{\ce {[AbAg]}}}{{\ce {[Ab] [Ag]}}}}={\frac {r}{c(n-r)}}}$

ここで、平衡状態では、cは遊離リガンドの濃度、rは結合リガンドの濃度と総抗体濃度の比、nは抗体分子あたりの結合部位の最大数（抗体価）である。^{[12] [13]}

抗体の抗原への結合の全体的な強さは、その抗原に対する親和性と呼ばれます。抗体は二価または多価であるため、これは個々の抗体抗原相互作用の強さの合計です。抗体上の単一の結合部位とその標的エピトープ間の個々の相互作用の強さは、その相互作用の親和性と呼ばれます。^[14]

親和性と親和性は、それらが表す相互作用の解離定数によって判断できます。解離定数が低いほど、親和性または親和性が高くなり、相互作用が強くなります。^{[15] [16]}

通常、抗体は体外からの分子と細胞活動の結果として体内で生成された分子を検出し、区別することができます。自己分子は免疫システムによって無視されます。しかし、特定の条件下では、抗体は自己分子を抗原として認識し、予期しない免疫反応を引き起こします。これにより、関与する抗原と抗体の種類に応じてさまざまな自己免疫疾患が発生します。このような状態は常に有害であり、時には致命的です。自己免疫疾患における抗体-抗原相互作用の正確な性質はまだ理解されていません。^{[17] [18]}

抗原抗体相互作用は、血液適合性や様々な病原性感染症の血清学的検査のための実験技術に使用されています。最も基本的なものはABO血液型の決定であり、輸血に有用です。^{[19]高度な応用としては、} ELISA、^[20] 酵素結合免疫スポット（Elispot）、免疫蛍光法、免疫電気泳動法などがあります。^{[21] [22] [23]}

可溶性抗原は、適切な温度と pH の電解質の存在下で可溶性抗体と結合し、不溶性の目に見える複合体を形成します。これは沈殿反応と呼ばれます。抗原と抗体の両方の定性的および定量的な測定に使用されます。これは、可溶性抗原と可溶性抗体の反応によって、格子と呼ばれる大きな連結複合体を形成することです。^[24]これは 2 つの異なる段階で発生します。まず、抗原と抗体が数秒以内に急速に抗原抗体複合体を形成し、その後、抗体抗原複合体が格子を形成して溶液から沈殿する、より遅い反応が続きます。^{[25] [26]}

特殊なリングテストは炭疽菌の診断や食品の不純物混入の判定に有用である。^{[27] [28]}

これは抗原抗体反応に作用し、抗体が粒子状抗原を架橋して粒子が目に見える形で凝集する。凝集には能動凝集と受動凝集の2種類がある。^[29]腸チフスの診断のための血液検査に用いられる。^{[30] [31]}

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