สารที่มีคุณสมบัติเป็นแอนติเจน

antibody คือโปรตีนที่พบได้ในเลือด น้ำเหลือง และสารคัดหลั่งต่างๆ ในร่างกายของสัตว์มีกระดูกสันหลัง  มีหน้าที่สำคัญในระบบภูมิคุ้มกันของร่างกาย  ถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. ๑๘๙๐ โดย Emil von Behring และ Shibasaburo Kitasato (รูปที่ ๗.๑) (Haas, 2001)  ซึ่งได้ทำการศึกษาทดลองและค้นพบว่าใน serum ของสัตว์ที่มีภูมิคุ้มกันต่อเชื้อโรคคอตีบ (diphtheria) และ บาดทะยัก (tetanus) นั้น มีสารที่เรียกว่า “antitoxic activity” (ต่อมาได้เปลี่ยนไปใช้คำว่า antibody) ซึ่งมีความสามารถในการทำให้สัตว์ที่ไม่เคยมีภูมิคุ้มกันมาก่อนเกิดความต้านทานโรคในระยะสั้นได้  โดย antibody มีหน้าที่ในการไปจับกับสิ่งแปลกปลอมต่างๆที่เข้ามาในร่างกายเช่น แบคทีเรีย ไวรัส หรือสารพิษต่างๆ เมื่อสิ่งแปลกปลอมถูก antibody จับแล้ว จะถูกทำลายความเป็นพิษ (neutralize) หรือถูกนำไปทำลายต่อด้วยระบบภูมิคุ้มกันในร่างกายต่อไป ดังรูปที่ ๗.๒   antibody เป็นส่วนหนึ่งของระบบภูมิคุ้มกันในร่างกายที่เรียกว่าระบบ adaptive immune response คือเป็นระบบการตอบสนองของร่างกายโดยการสร้างภูมิคุ้มกัน อย่างเฉพาะเจาะจงต่อ เชื้อโรคต่างๆ ที่เข้ามาสู่ร่างกาย  ซึ่งโดยส่วนใหญ่แล้วการตอบสนองประเภทนี้ จะช่วยให้ร่างกายมีภูมิคุ้มกันที่สามารถยับยั้งการเกิดโรคในกรณีที่ร่างกายได้รับเชื้อซ้ำอีก (protective immunity)  อันที่จริงนอกจากเชื้อโรคต่างๆ แล้ว สิ่งแปลกปลอมอีกมากมายที่เข้าสู่ร่างกายก็มีความสามารถกระตุ้นการสร้าง antibody ได้  รวมเรียกสารที่สามารถกระตุ้นให้สิ่งมีชีวิตผลิต antibody ได้ว่า antigen ซึ่งเป็นคำย่อมาจาก antibody generation (Janeway, 2008)

ในสิ่งมีชีวิต เซลล์ที่มีหน้าที่สร้าง antibody คือ เซลล์เม็ดเลือดขาวประเภท B lymphocytes หรือ B cells เซลล์เม็ดเลือดขาวประเภทนี้ถูกสร้างขึ้นจากไขกระดูก ซึ่งเมื่อถูกกระตุ้นด้วยแอนติเจนจะได้รับการพัฒนาต่อในต่อมน้ำเหลืองเป็น plasma cells ซึ่งมีหน้าที่ผลิตและหลั่ง antibody ชนิดต่างๆ (ได้แก่ IgM, IgD, IgG, IgA, และ IgE) ออกมาเพื่อทำการต่อต้านเชื้อโรคและสิ่งแปลกปลอมที่รุกรานเข้ามาทำร้ายร่างกาย  รูปที่ ๗.๓ แสดงขั้นตอนการเจริญเติบโตและพัฒนาของ B cells รวมทั้งเซลล์อื่นๆที่มีความสำคัญในระบบภูมิคุ้มกันของร่างกาย  โดยนอกจาก antibody จะถูกหลั่ง (secrete) ออกมาจาก B lymphocyte แล้ว  ยังมี antibody อีก ๒ ชนิดที่ติดอยู่กับผนังเซลล์ของ B lymphocyte คือ IgM และ IgD  จึงทำให้ antibody เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวรับ หรือ B cell receptor ด้วย  โดย B lymphocyte จะใช้ กลไก alternative RNA splicing ในการกำหนดการแสดงออกของยีนเพื่อสร้าง เป็น antibody สำหรับ secrete ออกมานอกเซลล์ หรือติดอยู่บนผนังเซลล์เพื่อทำหน้าที่เป็น receptor แล้วแต่ชนิดของสาร cytokines ที่มากระตุ้นในสภาวะต่างๆ (Janeway, 2008)

โดยทั่วไปการกระตุ้นการสร้าง antibodyในสิ่งมีชีวิตนั้นต้องเกิดขึ้นผ่านเซลล์ที่สำคัญอีกประเภทหนึ่งคือ dendritic cells (รูปที่ ๗.๔) ซึ่งเป็นเซลล์ที่ทำงานในระบบภูมิคุ้มกันพื้นฐาน (innate immune response) คือเป็นระบบภูมิคุ้มกันที่มีหน้าที่ในการป้องกันการรุกรานจากสิ่งแปลกปลอมภายนอกแบบไม่มีความเฉพาะเจาะจง  โดยเซลล์ชนิดนี้มีความสามารถในการตรวจว่าสารใดเป็นสิ่งแปลกปลอมที่เข้ามาในร่างกาย (non-self) เนื่องจากมีตัวรับ (receptor) ที่สามารถจับกับโครงสร้างพื้นฐานเช่นโมเลกุลบนผนังเซลล์ของแบคทีเรียหรือเชื้อราได้  เมื่อ receptor บน dendritic cell เซลล์จับกับสิ่งแปลกปลอมที่เข้ามาจะถูกกระตุ้นแล้วส่งสัญญาณให้ dendritic cell กินสิ่งแปลกปลอมเข้าไป (phagocytosis) จากนั้นจะเคลื่อนที่ไปยังต่อมนำเหลืองเพื่อไปกระตุ้น T lymphocytes และเซลล์ต่างๆที่ทำหน้าที่ในระบบ adaptive immune response จนนำไปสู่การสร้าง antibody ต่อไป  คุณสมบัติของ dendritic cell ในการกินสิ่งแปลกปลอมแล้วไปกระตุ้น T lymphocyte เพื่อนำไปสู่ adaptive immune response นี้ ในทางภูมิคุ้มกันวิทยาอาจเรียกได้ว่า dendritic cell นั้นทำหน้าที่เป็น antigen presenting cell (APC) (Janeway, 2008) ทั้งนี้ Ralph M. Steinman ผู้ค้นพบ dendritic cell เพิ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีระวิทยาและการแพทย์ไปในปี พ.ศ. ๒๕๕๔ จากการค้นพบความสำคัญของเซลล์นี้ในการเชื่อมโยงระหว่าง innate (ปฐมภูมิ) และ adaptive (ทุติยภูมิ) immune response (Steinman, 2001; Steinman, 2012; Steinman and Hemmi, 2006)  โดยได้รับรางวัลร่วมกับ Bruce A. Beutler (Poltorak et al., 1998) and Jules A. Hoffmann (Lemaitre et al., 1996)  ซึ่งเป็นผู้ค้นพบกลไกการกระตุ้น innante immune response   และจากความเข้าใจในกลไกกระตุ้นการสร้าง antibody ดังกล่าวข้างต้นนี้เอง จึงเห็นได้ว่าในกระบวนการผลิต antibody ต่อ antigen ชนิดต่างๆที่มีความบริสุทธิ์นั้น จำเป็นจะต้องใส่ตัวช่วยกระตุ้นภูมิคุ้มกันที่เรียกว่า adjuvant (adjuvant เป็นภาษาละตินแปลว่า help) เช่นสารสกัดจากแบคทีเรียเพื่อช่วยในการกระตุ้นระบบ adaptive immune response ผ่าน dendritic cells ด้วย  ซึ่งการหา adjuvant ที่มีความเหมาะสมนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสำเร็จในการกระตุ้นให้ร่างกายสร้าง antibody โดยเฉพาะในการพัฒนาวัคซีนที่มีประสิทธิภาพ

ความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับกลไกการสร้างแอนติบอดีอย่างลึกซึ้งลงไปในระดับโมเลกุลจนทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีวิศวกรรมแอนติบอดีต่างๆ ในปัจจุบันนั้น เกิดขึ้น ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ ๒๐ เมื่อความก้าวหน้าทางอณูชีววิทยาในการค้นคว้าวิจัยทางวิทยาศาสตร์มีเพิ่มมากขึ้น  จึงทำให้มนุษย์สามารถเข้าใจได้ว่าในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดนั้นจะต้องมี B lymphocyte อยู่เป็นจำนวนมากมายมหาศาล เพราะในเซลล์ของ B lymphocyte แต่ละเซลล์นั้นจะมียีนที่สามารถ ผลิต antibody ที่มีความสามารถในการจับกับ antigen ต่างๆอย่างเฉพาะเจาะจงเพียงหนึ่งชนิด โดย B lymphocyte แต่ละชนิดนั้นจะมี antibody ติดอยู่บนผนังเซลล์ ทำหน้าที่เป็นตัวจับ ( B cell receptor) กับ antigen ต่างๆที่เข้ามา  ซึ่ง B cell เหล่านี้จะสามารถถูกกระตุ้นให้แบ่งตัวเป็นจำนวนมากเพื่อทำการผลิต antibody ให้เพียงพอต่อความต้องการของร่างกายได้ การกระตุ้นเฉพาะ B lymphocyte ที่มีความสามารถในการสร้าง antibody ที่มีความจำเพาะเจาะจงต่อ antigen ชนิดหนึ่งๆ นั้น ในทางภูมิคุ้มกันวิทยาเรียกว่า clonal selection  ซึ่งจะได้กล่าวถึงกลไกการสร้างยีนที่ทำหน้าที่ผลิต antibody ในแต่ละ clone ของ B cell อย่างละเอียดต่อไป  เพราะความรู้นี้จะเป็นพื้นฐานที่สำคัญในการที่ทำให้มนุษย์สามารถสร้างคลังของ antibody บนผิวฟาจได้  โดยในขั้นแรกจะได้อธิบายโครงสร้างของ antibody ก่อนเพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจต่อไป

โครงสร้างของแอนติบอดี

antibody มีชื่ออีกชื่อหนึ่งในทางชีวเคมีว่า immunoglobulin (หรือเรียกโดยย่อว่า Ig) เพราะประกอบด้วยโครงสร้างพื้นฐานคือ immunoglobulin domain ซึ่งประกอบด้วย β sheets ๒ แผ่น เชื่อมต่อกันอยู่ด้วย disulfide bridge มีโครงสร้างเรียกว่า β barrel เพราะมีลักษณะคล้ายถัง  antibody ในร่างกายมนุษย์มีหลายประเภท แต่มีโครงสร้างหลักที่คล้ายกันคือมีส่วนที่เป็นสายยาว heavy chain และสายสั้น light chain (ดูรูปที่ ๗.๕ ประกอบ) ในส่วนตรงปลายด้านบนเป็นส่วนที่มีความหลากหลายสูง มีหน้าที่ในการจับกับเป้าหมายต่างๆ (antigen)ได้อย่างหลากหลายและเฉพาะเจาะจง เรียกส่วนนี้ว่า variable region หรือ V region  ซึ่งความสามารถในการจับอย่างเฉพาะเจาะจงนี้เองทำให้ antibody สามารถถูกนำมาประยุกต์ใช้ทั้งในการศึกษาวิจัยด้าน การตรวจวิเคราะห์ และทางการแพทย์

จากการวิเคราะห์ลำดับของ amino acid ในส่วน variable region นั้นจะพบว่า บริเวณของ amino acid ที่มีหน้าจับกับ antigen นั้นจะเป็นตำแหน่งที่มีความหลากหลายสูงมาก (hypervariable region หรือ HV)  โดยทั้ง V region ของ heavy (VH) และ light chain (VL) จะมีส่วนที่มีความหลากหลายสูงมากนี้อย่างละ ๓ ที่ (รูปที่ ๗.๖)  โดยในตำแหน่งที่มีความหลากหลายสูงมากบน heavy chain คือตำแหน่ง amino acid ที่ 30-36, 49-65, และ 95-103  ส่วนตำแหน่งที่มีความหลากหลายสูงมากบน light chain คือตำแหน่ง amino acid ที่ 28-35, 49-59, และ 92-103  ซึ่งใน ๓ ตำแหน่งนี้พบว่าตำแหน่งที่ ๓ (HV3) เป็นส่วนที่มีความหลากหลายสูงที่สุด  ส่วนที่นอกเหนือจากส่วนที่เป็น hypervariable region เรียกว่าส่วน framework region (FR) มีทั้งหมด 4 ส่วน มีหน้าที่ในการยึดโครงสร้าง ๓ มิติไว้ให้เหมาะสมต่อการจับกับ antigen แต่ไม่ได้สัมผัสกับ antigen โดยตรง  ในโครงสร้าง ๓ มิติ ส่วนของ hypervariable region นั้นจะ อยู่ตรงส่วน loop ของ immunoglobulin domain และเข้ามาอยู่ใกล้กัน  ดังนั้นในส่วนปลายของ antibody ที่จับกับ antigen นั้นจะประกอบด้วย hypervariable region ทั้งหมด ๖ ส่วน คือ ๓ ส่วนจาก heavy chain และ ๓ ส่วนจาก light chain  รวมเรียกส่วนของ hypervariable ที่มาจากทั้งของ heavy และ light chain ที่มีหน้าที่จับกับ antigen ว่า complementarity-determining region หรือ CDR  การจับกันระหว่าง antibody กับ antigen นั้นเกิดจากความเข้ากันได้ของพื้นผิวที่แนบสนิทกันเหมือนแม่กุญแจกับลูกกุญแจ (lock and key) โดยผ่านพันธะเคมีชนิดต่างๆ ได้แก่ electrostatic forces, hydrogen bonds, Van der Waals forces, และ hydrophobic forces  โดย antibody จะจับกับส่วนเล็กๆ บน antigen  เรียกส่วนของ antigen ที่ antibody โมเลกุลหนึ่งๆ จับว่า epitope หรือ antigenic determinant ดังนั้นจึงเห็นได้ว่า ใน antigen หนึ่งๆ จะมีหลาย epitope อยู่รวมกัน  ดังนั้นจึงมี antibody หลายตัวที่สามารถจับได้กับ epitope ต่างๆ กันบน antigen หนึ่งๆ รวมเรียก antibody ทั้งหมดที่จับกับ epitope บนแต่ละ antigen ว่า polyclonal antibody

อีกส่วนหนึ่งของ antibody เป็นส่วนที่ไม่มีความหลากหลายสูงจึงเรียกว่าส่วน constant region หรือ Fc portion แต่มีหน้าที่สำคัญในกลไกการป้องกันร่างกายต่างๆขึ้นกับประเภท (isotype) ของ constant region ซึ่งมีอยู่ ๕ แบบคือ IgM, IgD, IgG, IgA และ IgE โดยหน้าที่ของ constant region ในระบบภูมิคุ้มกันของร่างกายสามารถแบ่งออกได้เป็น ๓ ประเภทหลักคือ

1. 1) การจับกับ Fc receptor  ที่อยู่บนผนังเซลล์เม็ดเลือดขาวชนิดต่างๆ ทำให้เกิดปฏิกิริยาภูมิคุ้มกันประเภทต่างๆ เช่น Fc portion ของ IgG1 และ IgG3 สามารถจับกับ Fc receptor บนผนังเซลล์ของเม็ดเลือดขาวที่มีความสามารถในการกินสิ่งแปลกปลอม (phagocytic cells เช่น macrophage, neutrophils จึงทำให้เชื้อโรคที่ถูก antibody จับถูกทำลายโดยสิ่งแปลกปลอมเหล่านี้ได้  หรือ Fc portion ของ IgE สามารถจับกับ Fc receptor บนผนังของ mast cell, basophils และ activated eosinophils และกระตุ้นให้เซลล์เหล่านี้หลั่งสารในปฏิกิริยาการอักเสบต่างๆได้ 
   

2. 2)Fc portion ของ antibody ที่จับอยู่กับ antigen (antigen-antibody complex) สามารถกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันที่สำคัญอีกประเภทหนึ่งคือระบบ complement ซึ่งจะช่วยชักนำและกระตุ้นให้ phagocytes มาทำลายสิ่งแปลกปลอม หรือช่วยทำลายเชื้อแบคทีเรียโดยตรงโดยการเข้าไปสลายผนังเซลล์ได้ด้วย
   

3. 3)ช่วยในกระบวนการนำส่งโมเลกุลของ antibody ไปยังส่วนต่างๆที่เข้าถึงได้ยากในร่างกายด้วยขบวนการ active transport เช่นการส่ง IgA ไปยัง mucous secretion, น้ำตา หรือน้ำนม หรือการส่งผ่าน IgG ผ่านรกไปยังทารกในครรภ์  ซึ่ง antibody แต่ละชนิดจะกระจายอยู่ในส่วนต่างๆของร่างกายเพื่อปกป้องร่างกายด้วยกลไกที่แตกต่างกันขึ้นกับประเภทของ antibody ดังรูปที่ ๗.๗
   

เอกสารอ้างอิง

Haas, L.F., 2001. Emil Adolph von Behring (1854-1917) and Shibasaburo Kitasato (1852-1931). J Neurol Neurosurg Psychiatry, 71, 62.

Janeway, A.C., Travers, P., Walport, M., Shlomshik, J. M.  , 2008. Immunobiology  Garland Publisher, New York.

Lemaitre, B., Nicolas, E., Michaut, L., Reichhart, J.M., Hoffmann, J.A., 1996. The dorsoventral regulatory gene cassette spatzle/Toll/cactus controls the potent antifungal response in Drosophila adults. Cell, 86, 973-83.

Poltorak, A., He, X., Smirnova, I., Liu, M.Y., Van Huffel, C., Du, X., Birdwell, D., Alejos, E., Silva, M., Galanos, C., Freudenberg, M., Ricciardi-Castagnoli, P., Layton, B., Beutler, B., 1998. Defective LPS signaling in C3H/HeJ and C57BL/10ScCr mice: mutations in Tlr4 gene. Science, 282, 2085-8.

Steinman, R.M., 2001. Dendritic cells and the control of immunity: enhancing the efficiency of antigen presentation. Mt Sinai J Med, 68, 160-6.

Steinman, R.M., 2012. Decisions about dendritic cells: past, present, and future. Annu Rev Immunol, 30, 1-22.

Steinman, R.M., Hemmi, H., 2006. Dendritic cells: translating innate to adaptive immunity. Curr Top Microbiol Immunol, 311, 17-58.

แอนติเจนมีสารอะไรบ้าง

แอนติเจนจะอยู่ในส่วนประกอบใดของเลือด

เซลล์นำเสนอแอนติเจนเรียกว่าอะไร

เหตุใดจึงสร้างแอนติบอดีมาเพื่อจับกับแอนติเจน