ハプテン

ハプテン（ギリシャ語のハプテインに由来し、「固定する」を意味する）^[1]は、タンパク質などの大きなキャリアに結合した場合にのみ免疫応答を誘発する小さな分子です。キャリアは、それ自体では免疫応答を誘発しないものである場合もあります。免疫応答が欠如するメカニズムは多様で、複雑な免疫学的相互作用が関与しますが、抗原提示細胞からの共刺激シグナルの欠如または不十分さが含まれる場合があります。

ハプテンはアレルギー性接触皮膚炎（ACD）や炎症性腸疾患（IBD）のメカニズムを研究し、自己免疫様反応を誘発するために使用されてきました。 ^[2]

ハプテンの概念はオーストリアの免疫学者カール・ランドシュタイナーの研究から生まれました^{[3] [4]} 。ランドシュタイナーは免疫化学現象の研究に合成ハプテンを使用する先駆者でもありました^{[5] 。}

皮膚に塗布されたハプテンは、キャリアと結合すると、T細胞と樹状細胞によって媒介されるIV型遅延型過敏症反応である接触過敏症を誘発する可能性があります。これは、感作と誘発の2つの段階で構成されています。ハプテンが初めて皮膚に塗布される感作段階は、樹状細胞のリンパ節への移動、抗原特異的ナイーブT細胞のプライミング、抗原特異的エフェクターまたはメモリーT細胞とB細胞、および抗体分泌形質細胞の生成を含む自然免疫応答の活性化によって特徴付けられます。ハプテンが別の皮膚領域に塗布される2番目の誘発段階は、エフェクターT細胞の活性化から始まり、T細胞媒介組織損傷と抗体媒介免疫応答が続きます。ハプテンは最初に、炎症性サイトカイン、損傷関連分子パターン（DAMP）、またはインフラマソームを含む複雑なメカニズムによって自然免疫応答を活性化します。^[6]

体がハプテンキャリア付加物に対する抗体を生成すると、小分子ハプテンも抗体に結合できるようになりますが、通常は免疫反応を開始しません。通常、ハプテンキャリア付加物のみがこれを実行できます。場合によっては、小分子ハプテンがハプテンキャリア付加物が抗体に結合するのを防ぐことで、ハプテンキャリア付加物に対する免疫反応をブロックすることさえあります。 このプロセスはハプテン阻害と呼ばれます。

ハプテンのよく知られた例としてはウルシオールが挙げられます。ウルシオールはツタウルシに含まれる毒素です。ウルシオールは皮膚から吸収されると、皮膚細胞内で酸化され、反応性の高いキノン型分子であるハプテンが生成され、これが皮膚タンパク質と反応してハプテン付加物を形成します。2度目の曝露後、増殖したT細胞が活性化され、免疫反応が起こり、ウルシオール誘発性接触皮膚炎の典型的な水疱が発生します。^[7]

ハプテン媒介性接触皮膚炎の他の例としては、ニッケル金属イオンが皮膚に浸透し、皮膚タンパク質に結合することで引き起こされる ニッケルアレルギーがあります。

多くのハプテンは、さまざまな種類の薬物、農薬、ホルモン、食品毒素などに含まれています。最も重要な要素は分子量であり、<1000 Daです。^[8]

最初に研究されたハプテンはアニリンとそのカルボキシル誘導体（o-、m-、p-アミノ安息香酸）であった。^[9]

いくつかのハプテンは自己免疫疾患を引き起こす可能性があります。一例として、血圧降下薬のヒドララジンが挙げられますが、これは特定の個人に薬剤誘発性エリテマトーデスを引き起こすことがあります。これはまた、麻酔ガスのハロタンが生命を脅かす肝炎を引き起こすメカニズムであると考えられており、ペニシリン系薬剤が自己免疫性溶血性貧血を引き起こすメカニズムでもあります。^[10]

分子生物学の用途で一般的に使用される他のハプテンには、フルオレセイン、ビオチン、ジゴキシゲニン、ジニトロフェノールなどがあります。

グルタルアルデヒドを使用してこれらの分子を免疫認識に適したキャリアタンパク質に架橋することにより、神経伝達物質（例：セロトニン（5HT）、グルタミン酸、ドーパミン、GABA、トリプタミン、グリシン、ノルアドレナリン）、アミノ酸（例：トリプトファン、5-ヒドロキシトリプトファン、5-メトキシトリプトファン）などの内因性で非反応性の小分子に対する抗体の生成に成功しています。特に、組織内のこのような小分子の検出には、組織をグルタルアルデヒドで固定する必要があります。これは、目的の分子上のグルタルアルデヒド共有結合が、抗体が認識するエピトープの一部を形成することが多いためです。^{[11] [12]}

ハプテンキャリア付加物は、その性質と特性から、免疫学において不可欠である。特定のエピトープや抗体の特性を評価するために使用されてきた。モノクローナル抗体の精製と製造において重要である。また、感度の高い定量的および定性的な免疫測定法の開発にも不可欠である。^[13]しかし、最良かつ最も望ましい結果を得るには、ハプテン結合体の設計に多くの要素を考慮する必要がある。これには、ハプテン結合の方法、使用するキャリアの種類、ハプテンの密度などが含まれる。これらの要素の変動は、新たに形成された抗原決定基に対する免疫応答の強度の違いにつながる可能性がある。^[14]

一般的に、キャリアタンパク質は免疫原性があり、反応性側鎖にハプテンと結合するのに十分なアミノ酸残基を含んでいなければなりません。タンパク質のハプテン化が起こるためには、ハプテンはそれ自体で電子不足（求電子性）であるか、空気酸化や皮膚代謝などによってタンパク質反応性種に変換される必要があります。^[15]ハプテンは共有結合によってキャリア分子に固定されます。使用されるハプテンに応じて、キャリアタンパク質を検討する際の他の要因には、生体内毒性、市販の入手可能性、コストが含まれます。^[13]

最も一般的なキャリアには、血清グロブリン、アルブミン、オボアルブミンなどが含まれます。ヒト血清アルブミン(HSA) は、タンパク質結合アッセイのモデルタンパク質としてよく使用されます。これは十分に特性が解明されたタンパク質であり、生体内の血液や組織におけるアルブミンの役割は、多くの場合、基質結合ポケットを介して異物に結合し、侵入した化学物質を循環または組織から除去し、解毒メカニズムとして機能することです。

ハプテン結合には主にタンパク質が用いられるが、ポリ-L-グルタミン酸、多糖類、リポソームなどの合成ポリペプチドも使用することができる。^[13]

共有結合を形成し、感作に関与すると予測される最も一般的な反応機構は、飽和中心への求核置換、不飽和中心への求核置換、および求核付加である。求電子置換（ジアゾニウム塩）、ラジカル反応、イオン反応などの他の反応も可能である。^[15]

ハプテン結合に適した方法を選択する際には、ハプテンとそのキャリアの官能基を特定する必要があります。存在する官能基に応じて、2 つの主な戦略のいずれかを採用できます。

1. 自発的な化学反応：ハプテンが無水物やイソシアネートなどの化学反応性分子である場合に使用されます。この結合方法は自発的であり、架橋剤は必要ありません。^[13]
2. 中間分子の架橋：この方法は主に非反応性ハプテンに適用されます。カルボジイミドやグルタルアルデヒドなどの少なくとも2つの化学反応基を持つ薬剤は、ハプテンとそのキャリアの結合を助けます。架橋の程度は、ハプテン/キャリアとカップリング剤の比率、ハプテン/キャリアの濃度、環境の温度、pHに依存します。^[13]
   • カルボジイミド: RN=C=NR′ の一般式を持つ化合物群。ここで、R と R′ は脂肪族 (すなわち、ジエチルカルボジイミド) または芳香族 (すなわち、ジフェニルカルボジイミド) のいずれかである。カルボジイミドを使用した結合には、α または ε-アミノ基とカルボキシル基の存在が必要である。アミノ基は通常、キャリアタンパク質のリシル残基から来ており、カルボキシル基はハプテンから来ている。この反応の正確なメカニズムはまだ不明である。しかし、2 つの経路が提案されている。1 つ目は、アミンと反応できる中間体が形成されると仮定している。2 つ目は、高温での反応の主な副産物であるアシル尿素の転位が起こったと述べている。 ^[16]
   • グルタルアルデヒド：この方法は、グルタルアルデヒドとアミン基との反応によってシッフ塩基またはマイケル型二重結合付加生成物を形成する。複合体の収率は、反応のpHを変えることによって制御できる。pHが高いほど、より多くのシッフ塩基中間体が生じ、その結果、ハプテン複合体の数とサイズが増加する。全体的に、グルタルアルデヒドを含む架橋は非常に安定している。しかし、免疫化された動物は、グルタルアルデヒドの架橋ブリッジをエピトープとして認識する傾向がある。 ^[17]
3. 高性能キャピラリー電気泳動: 高性能キャピラリー電気泳動(HPCE) は、ハプテン-タンパク質結合を最適化するための代替方法です。HPCE は主に、非常に高い分離能力を持つ炭水化物の分離に使用されます。HPCE を特定の結合体を調べるための技術として使用すると、必要なサンプル サイズがごくわずか (nl) であるなど、多くの利点があります。さらに、使用するサンプルは純粋である必要はなく、放射性標識も必要ありません。このハプテン結合方法の大きな利点は、サンプルの自動分析があり、サンプルの相互作用のテストを自由溶液で決定できることです。このハプテン-タンパク質結合方法は、エピトープ密度の低い結合体で非常に効果的です。他の方法では、電気的またはイオン的移動度を決定するのが非常に困難です。^{[18] [19]}

ハプテン阻害または「半ハプテン」は、III型過敏症反応の阻害である。阻害では、遊離ハプテン分子は、免疫反応を引き起こすことなく、その分子に対する抗体と結合し、免疫原性ハプテンタンパク質付加物に結合する抗体が少なくなる。ハプテン阻害剤の例としては、デキストラン1がある。これは、デキストラン複合体全体の小さな部分（1キロダルトン）であり、抗デキストラン抗体に結合するには十分であるが、免疫複合体の形成と結果として生じる免疫反応を引き起こすには不十分である。^[20]

ハプテンは免疫学や関連分野で広く使用されています。感作化学物質は、さまざまな種類のアレルギー、アレルギー性接触皮膚炎、または呼吸器の感作を引き起こす可能性があります。興味深いことに、化学物質の種類によって異なる免疫反応が誘発されます。接触性アレルゲンは優先的なタイプI過敏症反応を引き起こしますが、呼吸器アレルゲンは選択的なタイプII反応を刺激します。これは、免疫反応がさまざまなタイプの抗原に対してどのように極性化されるかをモデル化するのに非常に適しています。^[21]

アレルギー学では、さまざまな医薬品や化粧品成分の皮膚感作性、危険性の特定、効力評価のためのin vitro / in silicoテストが、製品開発の初期段階で非常に好まれています。薬物がハプテンとして作用する能力は、潜在的な免疫原性の明確な指標です。^[22]

ハプテン特異的抗体は、さまざまな免疫測定法、免疫バイオセンサー技術、免疫親和性クロマトグラフィー精製カラムの幅広い分野で使用されており、これらの抗体は、小さな環境汚染物質、乱用薬物、ビタミン、ホルモン、代謝物、食品毒素、環境汚染物質の検出に使用できます。^[23]

• 毒素
• 抗原

• 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)のハプテン