小小的抗体，如何承担起保护我们的重任？

作者：张誉译（中国科学院上海巴斯德研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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想必你已经听过很多“新冠肺炎治愈患者体内产生抗体”的说法，不过你真的知道抗体是什么吗？它是怎么保护我们的？

图片来源：veer图库

抗体从哪儿来？

介绍抗体之前，我们先来看看人体的免疫系统。

人体三大防线示意图

（图片来源：http://tushuo.jk51.com/）

人体的免疫系统主要由三道防线组成。第一道防线是皮肤和黏膜，比如我们的表皮、鼻孔里的鼻毛，口腔里的黏膜等，它们可以阻挡并清除大多数异物。第二道防线是体液中的杀菌物质和吞噬细胞。杀菌物质能够破坏细菌的细胞壁使其死亡，吞噬细胞可以吞噬和消灭侵入人体的各种病原体。

人体的第一道和第二道防线生来就有，是一种自然的、广泛的保护力，并不针对某一种特定的病原体，因此被称为非特异性免疫或固有免疫（如果把我们的身体比喻成一座城池，那第一和第二道防线就是城墙、护城河）。

而免疫系统的第三道防线则是人体在出生以后，在特定抗原的刺激下，逐渐建立起来、只针对该抗原起作用的后天防御功能。主要由各种免疫器官（如扁桃体、淋巴结、胸腺、骨髓和脾脏等）和免疫细胞（淋巴细胞、单核/巨噬细胞、粒细胞、肥大细胞）借助血液循环和淋巴循环组成，又称为特异性免疫或适应性免疫（城里的警察），抗体便是由特定的免疫细胞产生的。

身体内做坏事的不法分子即抗原（Antigen，Ag），是指任何可以诱发机体免疫反应的物质，比如细菌、病毒、花粉等等。当一些不法分子渡过了护城河、翻过了城墙，沾沾自喜地以为成功地混进了城里，却不想自己早已被几个不同的神秘组织给盯上了。

这些神秘组织的成员训练有素，他们明白自己势单力薄，没法独自应对穷凶极恶的不法分子，于是悄悄地跟踪、围堵，并及时联络了城里的警察前来消灭不法分子。这些神秘组织就是抗原递呈细胞（Antigen-presenting cell，APC）。

抗原递呈细胞对抗原进行加工后递呈给特定的免疫细胞（图片来源：维基百科）

抗原递呈细胞又称辅佐细胞，它们可以摄取、处理和传递抗原信息，经过一系列信号传递过程刺激了B细胞分化为效应B细胞并分泌产生抗体。所以，抗体（Antibody）便是机体在经历这些抗原刺激后产生的相应的、具有保护作用的蛋白质，是活化的B细胞为了消灭特定抗原，“发明”的一种高性能、多用途的厉害武器。

抗体如何保护我们？

抗体是一种具有“Y”型结构的蛋白质，其功能的发挥与其结构密不可分。

抗体结构示意图：“Y”型结构上半部分的两个枝丫（Fab段）是抗体能够与特定的抗原表面的抗原表位结合的关键，而下面的杆（Fc段）则是和很多免疫细胞结合并发挥功能的关键（图片来源：中国药科大学 @王慧老师课件）

如果不够形象的话，你可以想象成这样：

用于制止暴力行为而发明的防爆叉（图片来源：Arthub艺术家官网 @沈敬东 公众号：三七二十艺）

抗体发挥作用主要是通过以下几种方式：

1.中和作用：

抗体通过Fab段直接结合抗原，与抗原表面的蛋白结合，使这些蛋白无法与细胞上的受体结合，阻止病原进入细胞。

举个例子：新冠病毒进入身体后，其表面的刺突糖蛋白（S蛋白）需要与细胞表面的ACE2受体（S蛋白的相应受体）结合后才能进入细胞。抗体抢先和S蛋白结合，占据了这些位置以后，病毒便无法再利用S蛋白侵入细胞了。

抗体结合S蛋白的示意，其中红色Y型结构代表抗体（图片来源：知乎 @跑来跑去的马）

2.凝集作用：

当一些颗粒状结构的病原体与相应的抗体共存时，抗体就会像“桥梁”一样结合病原体，使得多个病原体相互集结，形成较大的团块，便于吞噬细胞吞噬病原体。

抗体（A）对抗原（B）的中和作用（2a，2b）和凝集作用（2c）（图片来源：维基百科）

3.调理作用：

某些抗体的Fc段可以与中性粒细胞、巨噬细胞表面的相应受体（FcR）结合，增强其吞噬病原体的能力。

抗体的Fc段（D）与特定免疫细胞（C）表面的相应受体（E）结合并促进吞噬（右图）（图片来源：维基百科）

插一句嘴：日常生活中，很多人会对花粉、灰尘等过敏，这是因为身体免疫系统将花粉等物质当作了抗原物质。当免疫细胞第一次接触这些抗原时，对其产生免疫反应，产生了很多特异性抗体，机体进入敏感状态。当这些免疫细胞再次接触相同抗原时，抗体会迅速与抗原结合，而抗体的另一端会结合至肥大细胞的表面，诱导肥大细胞产生一定的反应，并释放一些物质如组胺，造成平滑肌收缩，粘液分泌增加，出现气喘等过敏症状。

过敏产生机制，其中蓝色的Y型结构代表抗体，其上结合的红色小球代表抗原，紫色大圆球代表肥大细胞，抗体结合抗原后再结合至肥大细胞，诱导其脱颗粒，释放细胞内部物质（图片来源：知乎 @跑来跑去的马）

4.抗体依赖细胞介导的细胞毒作用：

病原体成功感染细胞以后，会在细胞内进行“殖民”，利用其资源、生产工具来制造新的病毒（生产过程中会有一些病毒的外壳蛋白展现在细胞表面成为可以识别的抗原）。相应的抗体通过其Fab段与宿主细胞表面的病毒抗原结合，再通过Fc段与具有杀伤性的细胞（如NK细胞等）表面表达的Fc受体结合，让这些杀伤细胞杀死感染的病毒的细胞，同时也把病毒消灭了。

5.补体激活作用：

补体是另一种杀伤病原体的特效武器，在免疫过程中发挥着多种重要作用，而在抗体的帮助下，免疫系统可以活化、调用这些武器。

6.通过胎盘及黏膜：

抗体按照其重链的不同可以分为五种：IgA、IgD、IgE、IgG、IgM，各类抗体的功能各不相同。其中IgG可以通过胎盘进入婴儿血液中，为婴儿提供天然的被动免疫，所以婴儿虽然娇弱，但是妈妈的抗体可以保护他们。而免疫球蛋白中的IgA可以穿过黏膜，是黏膜局部抗感染的主要因素。

母体免疫：新生动物从母体获得的被动免疫力（图片来源：medicalxpress.com）

总而言之，抗体发挥作用的主要方式是：其Fab段可以识别并和病原体结合使其失去感染能力， Fc段可以和其他免疫细胞上的Fc受体结合，借助免疫细胞发挥作用。

治愈埃博拉的血浆疗法

病原体入侵机体并刺激机体产生免疫应答，效应B细胞分泌抗体，随着血液流到身体各处，帮助机体进行病原体的防御和清除。在将病原体消灭以后，血液里的抗体并不会立马消失，而是在一段时间内继续存在，巩固防线（毕竟武器都制造出来了，就算仗打完了，也没必要立马销毁）。

将某一疾病康复患者的血液抽出，进行离心去除血细胞以后得到的黄色浆状液体便是血浆，其中便含有大量针对该种疾病的综合抗体。血浆经灭活等处理以后，便可以用于发病患者的治疗。该方法不同于常规的疫苗接种（疫苗的目的是帮助机体产生针对某一疾病的免疫力，即主动免疫），称为被动免疫。

血浆制品（图片来源：https://www.science.org.au/）

血浆制品用于疾病的治疗最早应用于20世纪初，科学家利用动物模型研究传染病康复者的血浆的保护和治疗作用。1916年该疗法首次用于人体，脊髓灰质炎幸存者的血浆被用于治疗急性脊髓灰质炎患者，取得了较好的效果。随后用康复期患者血浆治疗传染病的疗法接二连三地被用于多种疾病，比如17年前的SARS、几年前的MERS以及在非洲流行的埃博拉，都曾使用过康复期血浆进行治疗，这也是目前唯一能治愈埃博拉的方法。

含有抗体的抗血清（抗血清即含有抗体的血清，相比于血浆少了一些蛋白）（图片来源：https://vmrd.com/）

新抗原引起机体的初次免疫应答有10天的潜伏期，潜伏期过后先产生低亲和力的IgM抗体，随后产生低亲和力的IgG抗体，并在第21天达到高峰。只有当相同病原体再次入侵，机体进行二次应答时，才会在3~5天内产生高亲和力的IgG抗体。

因此使用康复期血浆治疗的最佳时机是发病的10天内、机体还未产生IgG抗体时，通过向危重病人输入高亲和性、高浓度的IgG抗体，产生被动免疫保护机体，从而防止后期免疫因子风暴的产生。

也有人会提出质疑，既然血浆疗法这么有效，为什么不见该疗法的大规模使用呢？比如在新冠肺炎的治疗中不能大量使用吗？

由于血浆来源于不同人的血液，可能存在着其他未知的病原体，输入其他患者体内，可能会有交叉感染的可能。而且血液制品制造要求高、工序繁琐，而新冠肺炎患者数以万计，很难大面积覆盖，因此对于非重症患者，对症治疗还是首选的。

人造抗体如何造？

除了我们自身产生的抗体，在医学和研究中，还有大量需要“人造抗体”的情况，下面介绍一下，抗体制备的经典方法和利用基因工程制造新型抗体的展望。

抗原表位是抗原表面的特征，是抗体结合的部位，单一抗原往往可以提供不止一个的抗原表位。依据抗体能够识别的抗原表位的数量将抗体区分为了单克隆抗体（Monoclonal antibody，mAb）和多克隆抗体（Polyclonal antibody，pAb）两种。单克隆抗体虽仅识别单个抗原表位，但其特异性和定向性更好；多克隆抗体可以识别多种抗原表位（某种程度上可以理解为识别某个抗原的不同表位的多种单克隆抗体的混合物），可以更好地识别抗原（用于抗原检测时）。

多克隆抗体的制备（图片来源：https://courses.lumenlearning.com/）

多克隆抗体的制备方法比较简单，其模拟了自然条件下抗原进入动物体内以后诱导机体产生免疫应答并分泌抗体的过程。主要流程包括：制备抗原——选择实验动物——动物免疫——试取血进行测试（验证动物体内是否成功产生相应抗体）——处死实验动物，采集血清——纯化抗体——鉴定抗体的纯度、特异性等。

单克隆抗体的制备过程（图片来源：https://www.researchgate.net/）

单克隆抗体的制备相对来说具有更高的技术难度，其在制备抗原免疫动物后，通过将产生抗体的单个B淋巴细胞同骨髓肿瘤细胞进行细胞融合，获得既能产生抗体、又能无限增殖的杂种细胞，并以此生产抗体。融合细胞经特定方法筛选、鉴定得到阳性克隆株，然后进行细胞培养或将细胞注入到动物（一般为小鼠）腹腔中培养，收集细胞培养上清或小鼠腹水，经纯化后就能得到单克隆抗体。

这两种是非常经典的抗体制备方法，所获得的抗体是相应实验动物来源（非人源）的抗体，在临床应用时有着非常明显的缺点：不同种属动物来源的抗体本身也是人体的“抗原”，从而抗体本身引起机体的免疫反应，在多次使用后人体内可能会产生相应抗体（是针对于这种非人源抗体的抗体，并非我们希望得到的针对特定抗原的抗体）。

因此，目前科研人员努力用基因工程对抗体进行人源化改造——在不影响抗体功能的前提下，尽可能多利用人源成分替代动物源成分。此外，为了拓展抗体的使用场景，目前研究人员还在开发新的手段，比如抗体多靶点改造、抗体——药物偶联（由抗体携带药物去特定的靶位置发挥作用）等。

最早上市的双靶点抗体药物Catumaxomab（商品名Removab）（图片来源：https://www.helmholtz.de）

总结 —— Take home message!

抗体的化学本质是蛋白，由效应B细胞产生，是免疫系统非常重要的成员。从胎儿时期开始，它（主要是IgG）就可以通过胎盘保护我们的健康，在我们长大并接触了多种抗原后，相应的抗体会分泌到全身各处保护我们的安全。我们注射的许多疫苗，也是为了通过免疫反应对已知的病原体产生抗体。（如何研发新型冠状病毒疫苗？）

抗体还可以用于治疗多种疾病。在身体遇到自身免疫系统无法战胜的病原体时，可以利用他人或者其他动物的含有相应抗体的血浆/血清进行被动免疫，如：抗蛇毒血清、新冠肺炎康复者的血浆。肿瘤的抗体治疗是抗体药物治疗的重要方向，例如PD-1/PD-L1抗体药物，已经成为了癌症治疗的明星。

现在科研人员已经可以通过基因工程技术对抗体进行改造，使其可以更加安全、有效，临床上用抗体治疗癌症的例子也越来越多。

我们自身的免疫系统是神奇而强大的，科研人员也无时无刻不在为使抗体变得更加有效而努力。

引用文献:

Flexner S, Lewis PA. EXPERIMENTAL EPIDEMIC POLIOMYELITIS IN MONKEYS. J Exp Med. 1910;12(2):227-55

Cheng Y, Wong R, Soo YO, et al. Use of convalescent plasma therapy in SARS patients in Hong Kong. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 2005;24(1):44-6

Arabi Y, Balkhy H, Hajeer AH, et al. Feasibility, safety, clinical, and laboratory effects of convalescent plasma therapy for patients with Middle East respiratory syndrome coronavirus infection: a study protocol. Springerplus. 2015

Kraft CS, Hewlett AL, Koepsell S, et al. The Use of TKM-100802 and Convalescent Plasma in 2 Patients With Ebola Virus Disease in the United States. Clin Infect Dis. 2015;61(4):496-502

Rhoades RA, Pflanzer RG (2002). Human Physiology (5th ed.). Thomson Learning. p. 584. ISBN 978-0-534-42174-8.

Borghesi L, Milcarek C. From B cell to plasma cell: regulation of V(D)J recombination and antibody secretion. Immunol Res. 2006;36(1-3):27-32