第二节 抗原
抗原（antigen, Ag）是指凡能刺激机体免疫系统使之产生抗体和致敏淋巴细胞，并能与相应的抗体和致敏淋巴细胞发生特异性反应的物质。抗原能刺激机体产生抗体和致敏淋巴细胞性质称为免疫原性（immunogenicity），抗原与其相应的产生抗体和致敏淋巴细胞发生特异性反应的性质称为反应原性（reactionogenicity）。大分子蛋白质、糖蛋白、脂蛋白、核蛋白等抗原既具有免疫原性又具有反应原性，这些抗原称为完全抗原（complete antigen），又称免疫原(immunogen)。分子量小，结构简单的药物、氨基酸、糖、脂肪、核酸和激素，不能引起机体免疫应答，但在体外与牛血清蛋白（BSA）、牛血清丙种球蛋白（BGG）、卵清蛋白（OA）、鸡丙种球蛋白（CGG）、钥孔嘁血蓝蛋白 (KLH）、人工合成多聚赖氨酸(PLL)等载体偶联后，或在体内与一些组织蛋白结合后可成为完全抗原，刺激机体发生免疫应答，产生抗体，并与抗体特异结合，这些物质则称为不完全抗原（incomplete antigen）或半抗原（hepten)。
一、构成完全抗原的条件
某物质是否成为完全抗原，取决于如下基本条件。
（一）异物性 对免疫动物而言，完全抗原应是非自身的物质，称为异物 (foreign material）。亲缘关系愈远的物质，免疫原性愈强。这是因为机体在胚胎发育时期形成各种淋巴细胞，凡与自身组织成分或外来抗原接触过的淋巴细胞，在机体出生后正常情况下都不起免疫应答作用，称为“天然免疫耐受”。机体出生后仅存在与非自身组织异物的抗原起反应的淋巴细胞，故在机体正常情况下，自身组织都不成抗原。但是，自身组织若受烧伤、电离辐射或感染，结构和成分发生改变后，便成了抗原，这种抗原称为自身抗原。一些产生较迟的组织蛋白，如眼球晶体蛋白、精子蛋白和甲状腺蛋白等，机体内具有与之反应的淋巴细胞，但因上述组织细胞在正常情况下易使周围的淋巴细胞凋亡，使这些蛋白免受免疫应答。一但因外伤或感染等原因，组织细胞受破坏，接触到淋巴细胞，便可引起免疫应答，这类抗原称为“隐蔽抗原”。
（二）分子大小 通常免疫原性好的抗原分子量都在10 000 dal以上，蛋白质是大分子胶体，所以通常都是良好的抗原。蛋白质被消化成胨或氨基 酸后，分子变小便失去免疫原性。
（三）化学组成、结构复杂 免疫原性好的抗原除了分子量大以外，还要有复杂的化学组成和分子结构。化学组成和结构越复杂的抗原，免疫原性越强。凡含有苯环氨基酸或杂环氨基酸并结合有糖的蛋白质，免疫原性好。例如，胰岛素分子量虽然只有5 734da1，但其组成成分和结构较复杂，乃是一种良好的抗原。明胶蛋白虽然分子量高达10万dal，因其化学组成主要是直链氨基酸，稳定性差，在体内容易被降解，所以免疫原性很弱。单纯的脂类、碳水化合物和核酸是化学组成和结构较简单的聚合物，所以无免疫原性。当它们与蛋白质结合成脂蛋白、糖蛋白、核蛋白才具有免疫原性。
二、抗原决定簇
（一）B细胞决定簇 实验证明，抗原与B细胞的SmIg识别，或与其相应抗体的特异性结合，是取决于暴露在抗原分子表面，具有特殊构形的简单化学基团。因此，将决定抗原特异性的抗原分子表面具有特殊构形的简单化学基团，称为B细胞抗原决定簇（antigenic determinants）（图7-19）或表位（epitopes）。半抗原实际起B细胞抗原决定簇作用。据分析，抗原表位的大小由5-7个氨基酸、6个左右的单糖或5个核苷酸组成。据估计，抗原每5 000分子量约有一个表位。细菌、病毒、血清蛋白等天然抗原表面都有多种B细胞决定簇，每种决定簇都能识别和结合相应B细胞的SmIg,诱导产生特异抗体，所以用天然抗原免疫动物制备的免疫血清中实际是含多种特异抗体的混合物。抗原与其免疫血清之间反应有高度的特异性，但若两种不同抗原之间存在部分相同的成分或抗原表位，在进行血清学反应时将发生交叉反应。
（二）T细胞决定簇 完全抗原的载体部分也有T细胞决定簇（图7-19）。它通常存在于抗原分子里面，必须经抗原递呈细胞摄取，降解为9-18个氨基酸的抗原肽，再与MHC-Ⅱ类分子结合后，才能被TH细胞抗原受体 (TCR)识别结合，引起免疫应答。
三、抗原的分类
从不同的角度，抗原可分为不同的类型。
（一）根据抗原的免疫原性 根据抗原有无免疫原性分为完全抗原与不完全抗原（半抗原）（详见本节开头概述）。
（二）根据抗原的来源 根据抗原的来源可分为外源性抗原和内源性抗原。外源性抗原是指通过各种途径进入机体的非自身抗原，例如，机体自然感染的各种病原微生物、寄生虫或他们产生的毒素、人工注射的各种抗原、包括疫苗等。内源性抗原则是由机体细胞自身产生的非己抗原，如感染病毒的细胞产生的病毒蛋白抗原、癌变细胞的肿瘤蛋白抗原。
（三）根据抗原与免疫机体的关系 抗原按与免疫机体的关系又可分为异种、同种、自身和异嗜性等4种抗原。
1.异种抗原（heteroantigen） 是指来自与被免疫动物不同种属的抗原。例如，各种细菌、病毒、疫苗、异种动物的细胞和血清蛋白等。
2.同种抗原（alloantigen, homoantigen) 是指来自被免疫动物同种属的抗原，如同种动物不同个体的血型抗原和细胞的组织相容性抗原（MCH-Ⅰ类分子）。
3.自身抗原（autoantigen） 机体在烧伤、电离辐射和感染等条件下，形成的“自身抗原”或释放出的“隐蔽抗原”（详见本节、一、1）。
4.异嗜性抗原（heterophile antigen） 这是指一些微生物、植物、动物及人体的某种细胞或组织抗原中有共同的抗原成分，这类抗原的相应免疫血清，互相都会发生交叉反应，故称为异嗜性抗原。这类抗原首先由Forssman发现，故又称Forssman抗原。异嗜性抗原的发现对分析自身免疫病的病因，血清学试验的交叉反应等具有意义。例如，溶血性链球菌与人的肾小球基底膜及心肌组织之间有异嗜性抗原，人体反复感染链球菌后产生的抗链球菌抗体，可对人自身的肾小球和心肌组织产生免疫效应，导致肾小球肾炎或心肌炎。异嗜性抗体可应用于某些传染病的免疫学诊断。例如，人感染梅毒螺旋体要检查病人血清中的梅毒螺旋体抗体，但梅毒螺旋体很难培养制备抗原，因其与牛心肌有共同抗原，所以可用牛心肌抗原代替进行血清学试验，检出患者血清中的抗体。
（四）根据抗原对T细胞的依赖性 根据对T细胞的依赖性，可将外源性抗原分为2类。
1.胸腺依赖性抗原（thymus dependent antigen，TDAg) 这类抗原刺激B细胞产生抗体时需要辅助性T细胞的协助，称为胸腺依赖性抗原或T细胞依赖性抗原。大部分蛋白抗原属此类。TD抗原在分子结构上，既具有T细胞决定簇，又具有B细胞决定簇，且在其分子表面有多种不同的B细胞决定簇（图7-19）。
2．非胸腺依赖性抗原（thymus independent antige TIAg） 少数抗原不需要T细胞的协助，就能直接刺激B细胞产生抗体，称为非胸腺依赖性抗原。例如，大肠杆菌脂多糖（LPS）、肺炎球菌荚膜多糖等。TI抗原是糖的多聚体，分子结构上B细胞决定簇重复排列，无须TH参与即能刺激B细胞发生免疫应答（图7-19）。
（五）根据微生物抗原免疫动物后产生免疫保护性 根据微生物抗原免疫动物后是否产生免疫保护性，分为保护性抗原、非保护性抗原。
1.保护性抗原 各种病原微生物的结构中，有的蛋白抗原免疫动物后产生的抗体有保护作用，能中和相应病毒，或在补体、吞噬细胞、NK细胞等协助下能杀灭相应病原，这些抗原称为保护性抗原。例如，鸡新城疫病毒的F和HN蛋白，口蹄疫病毒的VP1和VP4蛋白，大肠杆菌的K抗原。保护性抗原是疫苗中的有效抗原，保护性抗原刺激机体产生的抗体是免疫血清中的有效抗体。
2.非保护性抗原 各种病原微生物的结构中，有的抗原免疫动物后产生的抗体没有保护作用。例如，鸡白痢杆菌感染鸡后，产生的抗体没有保护作用。但检测动物血清中的非保护性抗体有助于诊断相应的传染病。
（六）根据对T细胞的激活情况 根据对T细胞的激活情况，分为普通抗原与超抗原。
1.普通抗原 普通抗原在动物体内只特异识别、激活相应克隆的TH细胞，绝大多数的天然抗原都属普通抗原。
普通抗原激活TH细胞的特性：①需抗原提呈细胞（APC）处理。②受MHC-Ⅱ类分子限制，如图7-5所示。APC必须通过MHC-Ⅱ分子传递抗原决定簇给相应克隆的介细胞的TCR特异识别结合，所以普通抗原激活的T细胞数量少。
2.超抗原 一些抗原可使机体内许多克隆的TH细胞激活，这些抗原称为超抗原（superantigen，SAg）。例如，金黄色葡萄球菌肠毒素A-E，A族链球菌表面M蛋白和致热外毒素A-C，关节炎支原体丝裂原，结肠类耶氏菌膜蛋白等。
超抗原激活T细胞的特性：①无需APC处理。②不受MHC-Ⅱ类分子限制（图7-5）。超抗原一端与APC的MHC- II类分子外侧结合，另一端与T细胞TcR的β肽可变区（Vβ)外侧结合，即可激活T细胞，多数克隆T细胞TCR-Vβ的外侧结构相同，所以极微量的超抗原就能使许多种克隆T细胞激活。因此，SAg又称多克隆T细胞激活剂。
超抗原有何生物学意义？实验证明正在胸腺内发育的T细胞，若与超抗原接触，可诱发凋亡，导致克隆排除，免疫耐受。研究还证明，葡萄球菌感染引起的毒素性休克，是因葡萄球菌产生的外毒素（sAg），大量激活T细胞，释放大量细胞因子，引起生物学效应的结果。启示，有些免疫抑制的产生，某些疾病的发病，可能与超抗原有关。
四、重要的天然抗原
（一）微生物抗原 细菌、外毒素、病毒等微生物的化学组成和结构复杂，进人动物机体后都是很好的天然抗原，但各种微生物的抗原组成和特性有差别。
1.细菌抗原 细菌的种类很多，抗原组成也各不相同。例如，肠道杆菌的重要抗原有菌体抗原（O抗原），鞭毛抗原（H抗原）和表面抗原等（图7-20）。
菌体抗原（O抗原）成分是细胞壁中的脂多糖侧链，性质稳定，经121℃加热2h不被破坏，也不易受乙醇等破坏。O抗原按其多糖成分不同，分为许多型。例如，大肠杆菌有O1、O2……共170多种；沙门氏菌有60多种，将具有相同O抗原的沙门氏菌归为一个群，分A、B、C......共计50多个群，畜禽沙门氏菌病的菌株几乎都属A- F群。
鞭毛抗原（H抗原）成分是鞭毛蛋白，不耐热，煮沸lh可被破坏。按鞭毛蛋白的氨基酸组成不同，大肠杆菌、沙门氏菌的H抗原各有60多种。沙门氏菌的H抗原尚有第1相（以a、b、c、d......编号）和第2相（以1、2、3……编号），第1相为特异抗原，第2相为变异抗原。
表面抗原包括细菌表面的荚膜抗原或菌毛抗原等，不同细菌名称各异。例如，大肠杆菌称为K抗原，也有100多种，又分A、B、L 3类，A类是荚膜成分，耐热，加热120℃2.5h才被破坏，B类和L类主要是菌毛成分，不耐热，煮沸lh被破坏。伤寒杆菌的表面抗原称为vi抗原，化学成分是糖脂，不稳定，细菌经人工培养，石炭酸处理或60℃加热，Vi抗原易消失。
每一种细菌都有自己的抗原结构，又称血清型，例如，沙门氏菌属的血清型达2200多种，其中鼠伤寒沙门氏菌（S. typhimurium）的抗原结构为（1、4、5、12∶i∶1.2），即含有0抗原1、4、5、12，第一相H抗原i，第二相H抗原1、2。根据细菌的抗原结构，用含相应抗体的血清（称因子血清）做凝集试验，可对细菌作血清学鉴定。若不同细菌具有部分相同的抗原结构，称为共同抗原或类属抗原，以它们作血清学试验时可发生交叉凝集反应。
外毒素抗原有些细菌，如破伤风杆菌，能产生毒力很强的外毒素（exotoxin)，外毒素是蛋白质，具有很强的免疫原性。外毒素经0.3%-0.4%甲醛处理后，可失去毒性，保持免疫原性，制成类毒素（toxoid )。将类毒素注射动物机体可刺激机体产生抗外毒素的抗体，称为抗毒素(antitoxin)。
2.病毒抗原 每种病毒都有各自的化学组成和结构，因而都有各自的抗原结构和特异性。无囊膜的病毒，其抗原特异性主要由衣壳的壳粒蛋白决定。有囊膜的病毒主要由囊膜上的纤突蛋白所决定。例如流感病毒外膜上的血凝素（H）和神经氨酸酶（N），都具有很强的抗原特异性。所以通常以H及N表示流感病毒的血清亚型分类（图7-21）。
（二）动物抗原
1.动物红细胞 异种动物的红细胞都具有很强的免疫原性。免疫学试验中，常将绵羊红细胞注射家兔制备抗绵羊红细胞血清，称为溶血素，因为将其与绵羊红细胞加在一起，再加入豚鼠血清（补体），可使绵羊红细胞溶解。
一种动物不同个体的红细胞表面的抗原也有所不同，据此分为不同血型。例如，人的A, B, AB, O血型；各种家畜的血型见本章第五节表7-9。
2.组织细胞和血清 异种组织细胞和血清具有很好的免疫原性。因此应用含异种动物组织的疫苗时应注意变态反应，例如，反复注射兔脑或羊脑制备的狂犬病疫苗可能引起变态反应性脑脊髓炎；应用异源免疫血清作治疗时，反复注射也可能引起过敏反应。
同种动物不同个体有核细胞的组织相容性抗原（MHC-Ⅰ分子）都不同，故进行组织移植通常都会引起免疫应答，发生排斥反应。
3.免疫球蛋白(Ig) 一种动物产生的Ig分子，对其他种动物都具有种特异的抗原性，称为Ig的同种型抗原。同种动物内每一个体产生的Ig分子，对其他个体也具有个体特异抗原，称为Ig的同种异型抗原。同一个体内每一个克隆的B细胞产生的特异性Ig，也有各自独特的抗原性，称为Ig的独特型抗原。独特型抗原决定簇由Ig的VH与VI,中的高变区氨基酸构成。
五、佐剂
预先注射于机体或与抗原混合后注射能增强抗原免疫原性的物质称为佐剂 (adjuvant）。传统常用的佐剂有两类。
（一）用于疫苗的佐剂 细菌、病毒的灭活疫苗、亚单位疫苗或基因工程亚单位疫苗，它们的免疫原性较差，为提高免疫效果都加一定比例的佐剂。目前，常用的佐剂是氢氧化铝胶和注射用白油（轻质矿物油）。前者，一方面疫苗吸附于铝胶颗粒表面，易被递呈细胞吞噬；另一方面疫苗可在注射部位持久地释放，提高免疫效果。注射用白油与灭活后的细菌或病毒液乳化成油包水剂形，称为油苗。其提高免疫效果原理与下述弗氏不完全佐剂相似，但不会引起注射部位肉芽肿。
近几年来，蜂胶也用作疫苗佐剂。蜂胶是蜜蜂采集花粉等经过咀嚼、唾液中酶的作用而制成的物质，含大量氨基酸、有机酸、微量元素、维生素，实验证明是一种安全、有效的疫苗佐剂。
（二）用于试验动物制备高免血清的佐剂 为制备蛋白质抗原或病毒抗原的高免血清，常用弗氏不完全佐剂（Freund's incomplete adjuvant, FIA）和弗氏完全佐剂（Freund’s complete adjuvant, FCA）。这两种佐剂由美籍匈牙利细菌学家Freund于1951年研制成功，一直延用至今。
FIA是将抗原水溶液，加石蜡油或植物油后，以羊毛脂或Tween-80乳化成油包抗原水溶液的状态，注入机体后，因抗原受油的保护，一方面油滴缓慢分解，抗原持久释放，发挥长期的刺激作用；另一方面石蜡油在注射部位刺激、形成肉芽肿，集中大量巨噬细胞、淋巴细胞，大大促进抗体的产生。
FCA是在FIA中再加杀死的分枝杆菌而制成。分枝杆菌能促进T细胞、B细胞的分化增殖，增强巨噬细胞的功能。故FCA增强免疫的作用比FIA更强。
弗氏佐剂在接种部位产生的肉芽肿，可发展成溃疡，对动物刺激甚大；此外，石蜡油不能代谢分解，也影响动物的肉质，所以弗氏佐剂不适用于作疫苗佐剂。
维生素A,脂质体也可作为免疫佐剂。维生素A可促进细胞免疫。脂质体是人工制备的类脂质小球体，将抗原溶液包裹在脂质体内起佐剂兼载体作用，能大大提高细胞免疫和体液免疫效果，但成本高。此外，IL-2、IL-18、IFN-γ等细胞因子也起佐剂作用。
