Protilátky

Každá protilátka se váže na specifický antigen, což je interakce podobná zámku a klíči.

Protilátka (Ab), také známá jako imunoglobulin (Ig), je velký protein ve tvaru Y produkovaný B-buňkami, který imunitní systém používá k identifikaci a neutralizaci cizích objektů, jako jsou bakterie a viry. Protilátka rozpozná jedinečnou část cizího cíle, zvanou antigen. Každý vrchol „Y“ protilátky obsahuje paratop (strukturu analogickou k zámku), který je specifický pro jeden konkrétní epitop (podobně analogický k klíči) na antigenu, což umožňuje precizní vazbu těchto dvou struktur. Pomocí tohoto vazebného mechanismu může protilátka označit mikrob nebo infikovanou buňku pro útok jiných částí imunitního systému, nebo může neutralizovat svůj cíl přímo (například zablokováním části mikrobu, která je nezbytná pro jeho invazi a přežití). Tvorba protilátek je hlavní funkcí humorálního imunitního systému.

Protilátky jsou vylučovány typem bílých krvinek nazývaných plazmatické buňky, které jsou obsaženy v krevním séru. Protilátky se mohou vyskytovat ve dvou fyzikálních formách, v rozpustné formě, která je vylučována z buňky, a ve formě vázané na membránu, která je navázána na povrch B buňky a je označována jako B buněčný receptor (BCR). BCR se nachází pouze na povrchu B buněk a usnadňuje aktivaci těchto buněk a jejich následnou diferenciaci buď do továren na protilátky nazývaných plazmatické buňky, nebo do paměťových B buněk, které přežijí v těle a zapamatují si stejný antigen, takže B buňky mohou reagovat rychleji při budoucí expozici. Ve většině případů je interakce B buňky s T pomocnou buňkou nezbytná k úplné aktivaci B buňky a tím i tvorbě protilátek po navázání antigenu. Rozpustné protilátky jsou uvolňovány do krve a tkáňových tekutin, stejně jako mnoho sekretů, aby mohly pokračovat v průzkumu na napadání mikroorganismů.

Protilátky jsou glykoproteiny patřící do imunoglobulinové nadrodiny; termíny protilátka a imunoglobulin se často používají zaměnitelně. Protilátky jsou typicky tvořeny základními strukturálními jednotkami – každá má dva velké těžké řetězce a dva malé lehké řetězce. Existuje několik různých typů těžkých řetězců protilátek a několik různých druhů protilátek, které jsou seskupeny do různých izotypů na základě toho, jaký těžký řetězec mají. U savců je známo pět různých izotypů protilátek, které plní různé role a pomáhají nasměrovat vhodnou imunitní odpověď na každý jiný typ cizího předmětu, se kterým se setkají.

I když celková struktura všech protilátek je velmi podobná, malá oblast na špičce proteinu je extrémně variabilní, což umožňuje existenci milionů protilátek s mírně odlišnou strukturou špičky, neboli vazebných míst antigenů. Tato oblast je známá jako hypervariabilní oblast. Každá z těchto variant se může vázat na jiný cíl, známý jako antigen. Tato obrovská rozmanitost protilátek umožňuje imunitnímu systému rozpoznat stejně širokou škálu antigenů. Velká a různorodá populace protilátek je generována náhodnými kombinacemi sady genových segmentů, které kódují různá vazebná místa antigenů (nebo paratopy), následovanými náhodnými mutacemi v této oblasti genu protilátek, které vytvářejí další rozmanitost. Geny protilátek se také reorganizují v procesu zvaném přepínání tříd, který mění základnu těžkého řetězce na jinou, čímž se vytváří jiný izotyp protilátky, který si zachovává variabilní oblast specifickou pro antigen. To umožňuje, aby jedna protilátka byla použita několika různými částmi imunitního systému.

Membránou vázaná forma protilátky se může nazývat povrchový imunoglobulin (sIg) nebo membránový imunoglobulin (mIg). Je součástí receptoru B buněk (BCR), který umožňuje B buňce zjistit, kdy je v těle přítomen specifický antigen, a spouští aktivaci B buněk. BCR se skládá z povrchově vázaných IgD nebo IgM protilátek a přidružených Ig-α a Ig-β heterodimerů, které jsou schopny signální transdukce. Typická lidská B buňka bude mít 50 000 až 100 000 protilátek vázaných na svůj povrch. Po navázání antigenu se shlukují ve velkých náplastech, které mohou přesahovat 1 mikrometr v průměru, na lipidových raftech, které izolují BCR od většiny ostatních buněčných signalizačních receptorů.
Tyto náplasti mohou zlepšit účinnost buněčné imunitní odpovědi. U lidí je povrch buňky kolem receptorů B buněk holý několik set nanometrů, což dále izoluje BCR od konkurenčních vlivů.

Protilátky se mohou vyskytovat v různých odrůdách známých jako izotypy nebo třídy. U placentárních savců existuje pět izotypů protilátek známých jako IgA, IgD, IgE, IgG a IgM. Každý z nich je pojmenován předponou „Ig“, která znamená imunoglobulin, což je jiný název pro protilátku, a liší se svými biologickými vlastnostmi, funkčním umístěním a schopností pracovat s různými antigeny, jak je znázorněno v tabulce.

Izotyp protilátky B buňky se během vývoje a aktivace buněk mění. Nezralé B buňky, které nikdy nebyly vystaveny žádnému antigenu, jsou známé jako naivní B buňky a exprimují pouze izotyp IgM ve formě vázané na buněčný povrch. B buňky začínají po dosažení zralosti exprimovat IgM i IgD – koexprese obou těchto izotypů imunoglobulinů činí B buňku „zralou“ a připravenou reagovat na antigen. Aktivace B buněk následuje po zapojení molekuly protilátky vázané na buňku s antigenem, což způsobí, že se buňka rozdělí a diferencuje na protilátku produkující buňku zvanou plazmatická buňka. V této aktivované formě začne B buňka produkovat protilátku ve vylučované formě spíše než ve formě vázané na membránu. Některé dceřiné buňky aktivovaných B buněk procházejí izotypovým přepínáním, což je mechanismus, který způsobuje, že se tvorba protilátek mění z IgM nebo IgD na jiné izotypy protilátek, IgE, IgA nebo IgG, které mají definované role v imunitním systému.

Protilátky jsou těžké (~150 kDa) kulovité plazmatické proteiny. Do některých aminokyselinových zbytků jsou přidány cukrové řetězce. Jinými slovy, protilátky jsou glykoproteiny. Základní funkční jednotkou každé protilátky je imunoglobulinový (Ig) monomer (obsahující pouze jednu Ig jednotku); vylučované protilátky mohou být také dimerické se dvěma Ig jednotkami jako u IgA, tetramerické se čtyřmi Ig jednotkami jako teleostická ryba IgM nebo pentamerické s pěti Ig jednotkami jako savčí IgM.

Několik imunoglobulinových domén tvoří dva těžké řetězce (červená a modrá) a dva lehké řetězce (zelená a žlutá) protilátky. Imunoglobulinové domény se skládají ze 7 (pro konstantní domény) a 9 (pro proměnné domény) β-vláken.

Proměnlivými částmi protilátky jsou její V oblasti a konstantní částí je její C oblast.

Ig monomer je molekula ve tvaru „Y“, která se skládá ze čtyř polypeptidových řetězců; dvou identických těžkých řetězců a dvou identických lehkých řetězců spojených disulfidovými vazbami.
Každý řetězec je složen ze strukturálních domén nazývaných imunoglobulinové domény. Tyto domény obsahují asi 70-110 aminokyselin a jsou klasifikovány do různých kategorií (například proměnné nebo IgV a konstantní nebo IgC) podle jejich velikosti a funkce. Mají charakteristický imunoglobulinový záhyb, ve kterém dva beta listy vytvářejí „sendvičový“ tvar, držený pohromadě interakcemi mezi konzervovanými cysteiny a jinými nabitými aminokyselinami.

Existuje pět typů savčích Ig těžkých řetězců označovaných řeckými písmeny: α, δ, ε, γ a μ. Typ přítomného těžkého řetězce definuje třídu protilátek; tyto řetězce se nacházejí v IgA, IgD, IgE, IgG a IgM protilátkách. Odlišné těžké řetězce se liší velikostí a složením; α a γ obsahují přibližně 450 aminokyselin, zatímco μ a ε mají přibližně 550 aminokyselin.

1. Fab region2. Fc region3. Heavy chain (modrá) s jednou proměnnou (VH) doménou následovanou konstantní doménou (CH1), oblastí pantu a dvěma dalšími konstantními (CH2 a CH3) doménami.4. Light chain (zelená) s jednou proměnnou (VL) a jednou konstantní (CL) doménou5. Místo vazby antigenu (paratope)6. Hinge regiony.

U ptáků se hlavní sérová protilátka, která se vyskytuje také ve žloutku, nazývá IgY. Je zcela odlišná od savčího IgG. V některých starších literaturách a dokonce i na některých komerčních produktových stránkách life sciences se však stále nazývá „IgG“, což je nesprávné a může to být matoucí.

Každý těžký řetězec má dvě oblasti, konstantní oblast a variabilní oblast. Konstantní oblast je shodná ve všech protilátkách stejného izotypu, ale liší se protilátkami různých izotypů. Těžké řetězce γ, α a δ mají konstantní oblast složenou ze tří tandemových (v řadě) Ig domén a kloubovou oblast pro zvýšenou flexibilitu; těžké řetězce μ a ε mají konstantní oblast složenou ze čtyř imunoglobulinových domén. Variabilní oblast těžkého řetězce se liší protilátkami produkovanými různými B buňkami, ale je stejná pro všechny protilátky produkované jedním B buňkou nebo klonem B buňky. Variabilní oblast každého těžkého řetězce je přibližně 110 aminokyselin dlouhá a je složena z jediné Ig domény.

U savců existují dva typy imunoglobulinového světelného řetězce, které se nazývají lambda (λ) a kappa (κ). Světelný řetězec má dvě po sobě následující domény: jednu konstantní doménu a jednu proměnnou doménu. Přibližná délka světelného řetězce je 211 až 217 aminokyselin. Každá protilátka obsahuje dva světelné řetězce, které jsou vždy identické; pouze jeden typ světelného řetězce, κ nebo λ, je přítomen na protilátku u savců. Jiné typy světelných řetězců, jako je řetězec iota (ι), se nacházejí u nižších obratlovců, jako jsou žraloci (Chondrichthyes) a kostnaté ryby (Teleostei).

Regiony CDR, Fv, Fab a Fc

Některé části protilátky mají unikátní funkce. Například ramena Y obsahují místa, která mohou vázat dva antigeny (obecně identické), a tedy rozpoznat specifické cizí objekty. Tato oblast protilátky se nazývá Fab (fragment, vazba na antigen) oblast. Skládá se z jedné konstantní a jedné variabilní oblasti z každého těžkého a lehkého řetězce protilátky.
Paratopus je tvarován na amino terminálním konci monomeru protilátky variabilními doménami z těžkých a lehkých řetězců. Variabilní oblast je také označována jako FV oblast a je nejdůležitější oblastí pro vazbu na antigeny. Konkrétněji, variabilní smyčky β-vláken, po třech na lehkém (VL) a těžkém (VH) řetězci jsou zodpovědné za vazbu na antigen. Tyto smyčky jsou označovány jako komplementarita determinující oblasti (CDR).
Struktury těchto CDR byly seskupeny a klasifikovány Chothia et al.
a v poslední době North et al.
V rámci teorie imunitních sítí jsou CDR také nazývány idiotypy. Podle teorie imunitních sítí je adaptivní imunitní systém regulován interakcemi mezi idiotypy.

Základ Y hraje roli v modulaci aktivity imunitních buněk. Tato oblast se nazývá Fc (Fragment, krystalizovatelná) oblast a je složena ze dvou těžkých řetězců, které přispívají dvěma nebo třemi konstantními doménami v závislosti na třídě protilátky. Fc oblast tak zajišťuje, že každá protilátka vytváří vhodnou imunitní odpověď pro daný antigen, vazbou na specifickou třídu Fc receptorů a dalších imunitních molekul, jako jsou proteiny komplementu. Tím zprostředkovává různé fyziologické účinky včetně rozpoznání opsonizovaných částic, rozpadu buněk a degranulace žírných buněk, bazofilů a eosinofilů.

Aktivované B buňky se diferencují buď na buňky produkující protilátky zvané plazmatické buňky, které vylučují rozpustnou protilátku, nebo na paměťové buňky, které přežívají v těle ještě několik let poté, aby si imunitní systém zapamatoval antigen a reagoval rychleji na budoucí expozice.

V prenatálním a novorozeneckém stadiu života je přítomnost protilátek zajišťována pasivní imunizací matky. Časná tvorba endogenních protilátek se u různých druhů protilátek liší a obvykle se objevuje v prvních letech života. Jelikož protilátky existují volně v krevním řečišti, jsou údajně součástí humorálního imunitního systému. Cirkulující protilátky jsou vytvářeny klonálními B buňkami, které specificky reagují pouze na jeden antigen (příkladem je fragment proteinu kapsidu viru). Protilátky přispívají k imunitě třemi způsoby: brání patogenům ve vstupu do buněk nebo jejich poškození tím, že se na ně navážou; stimulují odstranění patogenů makrofágy a dalšími buňkami tím, že obalí patogen; a spouští zničení patogenů tím, že stimulují další imunitní reakce, jako je například dráha komplementu.

Vylučovaný savčí IgM má pět Ig jednotek. Každá Ig jednotka (označená 1) má dvě Fab oblasti vázající epitopy, takže IgM je schopen vázat až 10 epitopů.

Protilátky, které se vážou na povrchové antigeny například na bakterii, přitahují první složku kaskády komplementu svou Fc oblastí a zahajují aktivaci „klasického“ systému komplementu. To má za následek usmrcení bakterií dvěma způsoby. Za prvé, vazba molekul protilátek a komplementu označuje mikrob pro požití fagocyty v procesu zvaném opsonizace; tyto fagocyty jsou přitahovány určitými molekulami komplementu generovanými v kaskádě komplementu. Za druhé, některé komponenty komplementového systému tvoří membránový útočný komplex, který pomáhá protilátkám usmrtit bakterii přímo.

Aktivace efektorových buněk

V boji proti patogenům, které se replikují mimo buňky, se protilátky vážou na patogeny a spojují je dohromady, což způsobuje jejich aglutinaci. Jelikož protilátka má alespoň dva paratopy, může vázat více než jeden antigen vazbou identických epitopů přenášených na povrchu těchto antigenů. Potahováním patogenu stimulují protilátky efektorové funkce proti patogenu v buňkách, které rozpoznají svou Fc oblast.

Ty buňky, které rozpoznávají obalené patogeny, mají Fc receptory, které, jak název napovídá, interagují s Fc oblastí IgA, IgG a IgE protilátek. Zapojení určité protilátky s Fc receptorem na určité buňce spouští efektorovou funkci této buňky; fagocyty budou fagocytózovat, žírné buňky a neutrofily degranulovat, přirozené zabijácké buňky uvolní cytokiny a cytotoxické molekuly; to nakonec povede k destrukci invazního mikrobu. Fc receptory jsou izotypově specifické, což dává imunitnímu systému větší flexibilitu, a pro odlišné patogeny se odvolává pouze na vhodné imunitní mechanismy.

Lidé a vyšší primáti také produkují „přirozené protilátky“, které jsou přítomny v séru před virovou infekcí. Přírodní protilátky byly definovány jako protilátky, které jsou vytvářeny bez jakékoli předchozí infekce, očkování, expozice jiným cizím antigenům nebo pasivní imunizace. Tyto protilátky mohou aktivovat klasickou dráhu komplementu vedoucí k rozpadu obalených virových částic dlouho předtím, než je aktivována adaptivní imunitní odpověď. Mnoho přírodních protilátek je namířeno proti disacharidu galaktosy α(1,3)-galaktosy (α-Gal), který se nachází jako terminální cukr na glykosylovaných povrchových proteinech buněk a vzniká v reakci na produkci tohoto cukru bakteriemi obsaženými v lidském střevě. Odmítnutí xenotransplantovaných orgánů je považováno částečně za výsledek přirozených protilátek cirkulujících v séru příjemce, které se váží na α-Gal antigeny exprimované na dárcovské tkáni.

Prakticky všechny mikroby mohou vyvolat protilátkovou odpověď. Úspěšné rozpoznání a vymýcení mnoha různých typů mikrobů vyžaduje různorodost mezi protilátkami; jejich složení aminokyselin se liší, což jim umožňuje interakci s mnoha různými antigeny. Odhaduje se, že lidé vytvářejí asi 10 miliard různých protilátek, z nichž každá je schopna vázat odlišný epitop antigenu. Ačkoli je obrovský repertoár různých protilátek vytvářen u jednoho jedince, počet genů, které jsou k dispozici pro tvorbu těchto proteinů, je omezen velikostí lidského genomu. Vyvinulo se několik složitých genetických mechanismů, které umožňují buňkám obratlovců B vytvářet různorodou zásobu protilátek z relativně malého počtu genů protilátek.

Oblasti těžkého řetězce určující komplementaritu jsou zobrazeny červeně (PDB 1IGT)

Oblast (lokus) chromozomu, který kóduje protilátku, je velká a obsahuje několik odlišných genů pro každou doménu protilátky – lokus obsahující geny těžkého řetězce (IGH@) se nachází na chromozomu 14 a lokusy obsahující geny lehkého řetězce lambda a kappa (IGL@ a IGK@) se nacházejí na chromozomech 22 a 2 u lidí. Jedna z těchto domén se nazývá variabilní doména, která je přítomna v každém těžkém a lehkém řetězci každé protilátky, ale může se lišit v různých protilátkách vytvořených z odlišných B buněk. Rozdíly mezi variabilními doménami se nacházejí ve třech smyčkách známých jako hypervariabilní oblasti (HV-1, HV-2 a HV-3) nebo komplementaritní oblasti (CDR1, CDR2 a CDR3). CDR jsou podporovány v rámci variabilních domén konzervovanými rámcovými oblastmi. Lokus těžkého řetězce obsahuje asi 65 různých genů variabilních domén, které se všechny liší ve svých CDR. Kombinací těchto genů s řadou genů pro jiné domény protilátky vzniká velká kavalérie protilátek s vysokým stupněm variability. Tato kombinace se nazývá rekombinace V(D)J popsaná níže.

Zjednodušený přehled V(D)J rekombinace těžkých řetězců imunoglobulinu

Somatická rekombinace imunoglobulinů, známá také jako V(D)J rekombinace, zahrnuje vytvoření unikátní variabilní oblasti imunoglobulinů. Variabilní oblast každého těžkého nebo lehkého imunoglobulinového řetězce je zakódována v několika kusech – známých jako genové segmenty (subgeny). Tyto segmenty se nazývají variabilní (V), diverzitní (D) a spojovací (J) segmenty. V, D a J segmenty se nacházejí v Ig těžkých řetězcích, ale pouze V a J segmenty se nacházejí v Ig lehkých řetězcích. Existuje více kopií V, D a J genových segmentů, které jsou tandemálně uspořádány v genomech savců. V kostní dřeni každá vyvíjející se B buňka sestaví variabilní oblast imunoglobulinů náhodným výběrem a kombinací jednoho V, jednoho D a jednoho J genového segmentu (nebo jednoho V a jednoho J segmentu v lehkém řetězci). Protože existuje více kopií každého typu genového segmentu a k vytvoření každé variabilní oblasti imunoglobulinu lze použít různé kombinace genových segmentů, generuje tento proces obrovské množství protilátek, z nichž každá má jiné paratopy, a tedy odlišné antigenové specificity. Zajímavé je, že přeskupení několika subgenů (např. rodiny V2) pro imunoglobulin s lehkým řetězcem lambda je spojeno s aktivací mikroRNA miR-650, což dále ovlivňuje biologii B-buněk .

Poté, co B buňka produkuje funkční imunoglobulinový gen během rekombinace V(D)J, nemůže exprimovat žádnou jinou variabilní oblast (proces známý jako alelická exkluze), tak každá B buňka může produkovat protilátky obsahující pouze jeden druh variabilního řetězce.

Somatická hypermutace a afinitní zrání

Po aktivaci antigenem se B buňky začnou rychle množit. V těchto rychle se dělících buňkách geny kódující proměnné domény těžkého a lehkého řetězce procházejí vysokou rychlostí bodové mutace, a to procesem zvaným somatická hypermutace (SHM). Výsledkem SHM je přibližně jedna změna nukleotidu na proměnlivý gen, na buněčné dělení. V důsledku toho každá dceřiná B buňka získá mírné rozdíly v aminokyselinách v proměnlivých doménách svých protilátkových řetězců.

To slouží ke zvýšení různorodosti skupiny protilátek a ovlivňuje afinitu protilátky k vazbě na antigen. Některé bodové mutace povedou k tvorbě protilátek, které mají slabší interakci (nízkou afinitu) se svým antigenem než původní protilátka, a některé mutace budou vytvářet protilátky se silnější interakcí (vysokou afinitou). B buňky, které na svém povrchu exprimují protilátky s vysokou afinitou, dostanou silný signál přežití během interakcí s jinými buňkami, zatímco ty s protilátkami s nízkou afinitou ne a zemřou apoptózou. B buňky exprimující protilátky s vyšší afinitou k antigenu tak budou konkurovat těm se slabší afinitou k funkci a přežití. Proces tvorby protilátek se zvýšenou vazebnou afinitou se nazývá afinitní maturace. Afinitní maturace nastává u zralých B buněk po rekombinaci V(D)J a je závislá na pomoci pomocných T buněk.

Mechanismus rekombinace třídového spínače, který umožňuje přepínání izotypů v aktivovaných B buňkách

Izotypové nebo třídové přepínání je biologický proces probíhající po aktivaci B buňky, který umožňuje buňce produkovat různé třídy protilátek (IgA, IgE nebo IgG). Různé třídy protilátek, a tedy efektorové funkce, jsou definovány konstantními (C) oblastmi těžkého řetězce imunoglobulinů. Zpočátku naivní B buňky exprimují pouze IgM a IgD na povrchu buňky se shodnými vazebnými oblastmi antigenů. Každý izotyp je uzpůsoben pro odlišnou funkci, proto po aktivaci může být potřebná protilátka s IgG, IgA nebo IgE efektorovou funkcí pro účinnou eliminaci antigenu. Třídové přepínání umožňuje různým dceřiným buňkám ze stejné aktivované B buňky produkovat protilátky různých izotypů. Během třídového přepínání se mění pouze konstantní oblast těžkého řetězce protilátek; proměnné oblasti, a tedy specifičnost antigenu, zůstávají nezměněny. Potomek jedné B buňky tak může produkovat protilátky, všechny specifické pro stejný antigen, ale se schopností produkovat efektorovou funkci vhodnou pro každou antigenní výzvu. Změna třídy je spouštěna cytokiny; generovaný izotyp závisí na tom, které cytokiny jsou přítomny v prostředí B buňky.

K přepínání tříd dochází v lokusu genu těžkého řetězce mechanismem zvaným rekombinace třídového přepínače (CSR). Tento mechanismus se opírá o konzervované nukleotidové motivy, nazývané přepínací (S) regiony, které se nacházejí v DNA před každým genem konstantního regionu (s výjimkou řetězce δ). Vlákno DNA je přerušeno aktivitou řady enzymů ve dvou vybraných S-regionech. Proměnný doménový exon je znovu spojen procesem zvaným nehomologické koncové spojení (NHEJ) do požadovaného konstantního regionu (γ, α nebo ε). Výsledkem tohoto procesu je imunoglobulinový gen, který kóduje protilátku jiného izotypu.

Skupina protilátek může být nazývána monovalentní (nebo specifická), pokud má afinitu ke stejnému epitopu, nebo ke stejnému antigenu (ale potenciálně odlišným epitopům na molekule), nebo ke stejnému kmeni mikroorganismu (ale potenciálně odlišným antigenům na něm nebo v něm). Oproti tomu skupina protilátek může být nazývána polyvalentní (nebo nespecifická), pokud má afinitu k různým antigenům nebo mikroorganismům. Intravenózní imunoglobulin, pokud není uvedeno jinak, se skládá z polyvalentního IgG. Oproti tomu monoklonální protilátky jsou monovalentní ke stejnému epitopu.

Diagnostika a terapie nemocí

Detekce specifických protilátek je velmi častou formou lékařské diagnostiky a aplikace jako sérologie jsou na těchto metodách závislé. Například v biochemických testech pro diagnostiku onemocnění se z krve odhaduje titr protilátek namířených proti Epstein-Barrově viru nebo Lymeské borelióze. Pokud tyto protilátky nejsou přítomny, buď osoba není infikována, nebo se infekce objevila před velmi dlouhou dobou a B buňky vytvářející tyto specifické protilátky se přirozeně rozpadly. V klinické imunologii se hladiny jednotlivých tříd imunoglobulinů měří nefelometrií (nebo turbidimetrií), aby se charakterizoval profil protilátek pacienta. Zvýšení v různých třídách imunoglobulinů je někdy užitečné při určování příčiny poškození jater u pacientů, u kterých je diagnóza nejasná. Například zvýšená hladina IgA indikuje alkoholickou cirhózu, zvýšená hladina IgM indikuje virovou hepatitidu a primární biliární cirhózu, zatímco IgG je zvýšená u virové hepatitidy, autoimunitní hepatitidy a cirhózy. Autoimunitní poruchy mohou být často vysledovány protilátkami, které vážou vlastní epitopy těla; mnohé mohou být detekovány krevními testy. Protilátky namířené proti antigenům povrchu červených krvinek v imunitně zprostředkované hemolytické anémii jsou detekovány Coombsovým testem. Coombsův test se také používá pro screening protilátek při přípravě krevních transfuzí a také pro screening protilátek u předporodních žen.
Prakticky se pro diagnostiku infekčních onemocnění používá několik imunodiagnostických metod založených na detekci komplexních antigen-protilátek, například ELISA, imunofluorescence, Western blot, imunodifúze, imunoelektroforéza a magnetická imunoanalýza. Protilátky vychované proti lidskému choriovému gonadotropinu se používají v mimoburzovních těhotenských testech.
Cílená monoklonální protilátková terapie se používá k léčbě onemocnění, jako je revmatoidní artritida, roztroušená skleróza, psoriáza a mnoho forem rakoviny včetně nehodgkinského lymfomu, kolorektálního karcinomu, rakoviny hlavy a krku a rakoviny prsu.
Některé imunodeficity, jako je agammaglobulinemie vázaná na X a hypogamaglobulinemie, mají za následek částečný nebo úplný nedostatek protilátek. Tato onemocnění se často léčí navozením krátkodobé formy imunity zvané pasivní imunita. Pasivní imunity se dosahuje přenosem připravených protilátek ve formě lidského nebo zvířecího séra, souhrnného imunoglobulinu nebo monoklonálních protilátek do postiženého jedince.

Rhesus faktor, také známý jako Rhesus D (RhD) antigen, je antigen, který se nachází na červených krvinkách; jedinci, kteří jsou Rhesus pozitivní (Rh+), mají tento antigen na červených krvinkách a jedinci, kteří jsou Rhesus negativní (Rh–), ho nemají. Během normálního porodu, porodního traumatu nebo komplikací během těhotenství se může krev z plodu dostat do těla matky. V případě Rh-inkompatibilní matky a dítěte může následné smísení krve citlivě ovlivnit Rh-matku na Rh antigen na krvinkách Rh+ dítěte, čímž je zbytek těhotenství a všechna následující těhotenství ohrožena hemolytickým onemocněním novorozence.

Imunitní globulinové protilátky proti Rho(D) jsou specifické pro lidský antigen Rhesus D (RhD). Protilátky proti RhD se podávají jako součást prenatálního léčebného režimu, aby se zabránilo senzibilizaci, ke které může dojít, když má Rhesus-negativní matka Rhesus-pozitivní plod. Léčba matky protilátkami proti Rh-RhD před a bezprostředně po úrazu a porodu zničí Rh antigen v těle matky z plodu. Důležité je, že k tomu dochází dříve, než antigen může stimulovat mateřské B buňky, aby si „pamatovaly“ Rh antigen generováním paměťových B buněk. Proto její humorální imunitní systém nebude vytvářet protilátky proti Rh a nebude útočit na Rhesus antigeny současných nebo následných dětí. Imunitní léčba Rho(D) globulinem zabraňuje senzibilizaci, která může vést k Rh onemocnění, ale nezabraňuje ani neléčí samotné základní onemocnění.

Imunofluorescenční obraz eukaryotického cytoskeletu. Aktinová vlákna jsou zobrazena červeně, mikrotubuly zeleně a jádra modře.

Specifické protilátky jsou vytvářeny injekcí antigenu do savce, jako je myš, potkan, králík, koza, ovce nebo kůň pro velké množství protilátek. Krev izolovaná z těchto zvířat obsahuje polyklonální protilátky – mnohočetné protilátky, které se vážou na stejný antigen – v séru, které se nyní může nazývat antisérum. Antigeny jsou také injekčně aplikovány kuřatům pro tvorbu polyklonálních protilátek ve vaječném žloutku. Pro získání protilátky, která je specifická pro jeden epitop antigenu, jsou lymfocyty vylučující protilátky izolovány ze zvířete a zvěčněny jejich fúzí s nádorovou buněčnou linií. Spojené buňky se nazývají hybridomy a budou v kultuře neustále růst a vylučovat protilátky. Jednotlivé hybridomové buňky jsou izolovány ředěním klonováním za účelem vytvoření buněčných klonů, které všechny produkují stejnou protilátku; tyto protilátky se nazývají monoklonální protilátky. Polyklonální a monoklonální protilátky jsou často čištěny pomocí Protein A/G nebo antigen-afinitní chromatografie.

Ve výzkumu se purifikované protilátky používají v mnoha aplikacích. Nejčastěji se používají k identifikaci a lokalizaci intracelulárních a extracelulárních proteinů. Protilátky se používají v průtokové cytometrii k odlišení buněčných typů podle proteinů, které exprimují; různé typy buněk exprimují různé kombinace shluku diferenciačních molekul na svém povrchu a produkují různé intracelulární a sekreční proteiny. Používají se také v imunoprecipitaci k oddělení proteinů a čehokoliv na ně navázaného (koimunoprecipitace) od jiných molekul v buněčném lyzátu, v analýzách Western blot k identifikaci proteinů oddělených elektroforézou a v imunohistochemii nebo imunofluorescenci k vyšetření exprese proteinů v tkáňových řezech nebo k lokalizaci proteinů v buňkách za pomoci mikroskopu. Proteiny mohou být také detekovány a kvantifikovány pomocí protilátek pomocí metod ELISA a ELISPOT.

Význam protilátek ve zdravotnictví a biotechnologickém průmyslu vyžaduje znalost jejich struktur ve vysokém rozlišení. Tyto informace se používají pro proteinové inženýrství, modifikaci vazebné afinity antigenu a identifikaci epitopu dané protilátky. Rentgenová krystalografie je jednou z běžně používaných metod pro stanovení struktury protilátek. Krystalizace protilátky je však často pracná a časově náročná. Výpočetní přístupy poskytují levnější a rychlejší alternativu ke krystalografii, ale jejich výsledky jsou více nejednoznačné, protože nevytvářejí empirické struktury. Online webové servery jako Web Antibody Modeling (WAM) a Prediction of Immunoglobulin Structure (PIGS) umožňují počítačové modelování oblastí proměnných protilátek. Rosetta Antibody je nový server pro predikci struktury FV oblasti protilátek, který zahrnuje sofistikované techniky pro minimalizaci CDR smyček a optimalizaci relativní orientace lehkých a těžkých řetězců, stejně jako homologické modely, které předpovídají úspěšné spojení protilátek s jejich unikátním antigenem.

K prvnímu použití termínu „protilátka“ došlo v textu Paula Ehrlicha. Termín Antikörper (německé slovo pro protilátku) se objevuje v závěru jeho článku „Experimentální studie o imunitě“, který vyšel v říjnu 1891 a v němž se uvádí, že „jestliže dvě látky dávají vzniknout dvěma různým antikörperům, pak samy o sobě musí být odlišné“. Termín však nebyl přijat okamžitě a bylo navrženo několik dalších termínů pro protilátku; mezi ně patřily Immunkörper, Amboceptor, Zwischenkörper, substance sensibilisatrice, copula, Desmon, philocytase, fixateur a Immunisin. Slovo protilátka má formální analogii se slovem antitoxin a podobný koncept jako Immunkörper.

Angel of the West (2008) od Juliana Voss-Andreae je socha založená na struktuře protilátek publikovaná E. Padlanem. Protilátka vytvořená pro floridský kampus Scripps Research Institute je umístěna do kruhu odkazujícího na Vitruvian Man od Leonarda da Vinciho, čímž je zdůrazněn podobný poměr protilátky a lidského těla.

Studium protilátek začalo v roce 1890, kdy Kitasato Shibasaburō popsal aktivitu protilátek proti záškrtu a tetanovým toxinům. Kitasato předložil teorii humorální imunity a navrhl, že mediátor v séru by mohl reagovat s cizím antigenem. Jeho nápad přiměl Paula Ehrlicha navrhnout teorii postranního řetězce pro interakci protilátek a antigenů v roce 1897, kdy vyslovil hypotézu, že receptory (popisované jako „postranní řetězce“) na povrchu buněk by se mohly vázat specificky na toxiny – v interakci „lock and key“ – a že tato vazebná reakce byla spouštěčem pro tvorbu protilátek. Jiní výzkumníci věřili, že protilátky v krvi volně existují a v roce 1904 Almroth Wright navrhl, že rozpustné protilátky obalují bakterie, aby je označily pro fagocytózu a zabíjení; tento proces pojmenoval opsoninizace.

Ve dvacátých letech Michael Heidelberger a Oswald Avery pozorovali, že antigeny mohou být sráženy protilátkami a dále ukázali, že protilátky jsou tvořeny bílkovinami. Biochemické vlastnosti vazebných interakcí antigenu a protilátek zkoumal podrobněji na konci třicátých let John Marrack.[80] Další velký pokrok nastal ve čtyřicátých letech, kdy Linus Pauling potvrdil teorii zámku a klíče navrženou Ehrlichem tím, že ukázal, že interakce mezi protilátkami a antigeny závisí více na jejich tvaru než na jejich chemickém složení.[81] V roce 1948 Astrid Fagreaus zjistila, že B buňky ve formě plazmatických buněk jsou zodpovědné za tvorbu protilátek.[82]

Další práce se soustředila na charakterizaci struktur proteinů protilátek. Významným pokrokem v těchto strukturních studiích byl objev lehkého řetězce protilátek na počátku 60. let Geraldem Edelmanem a Josephem Gallym[83] a jejich zjištění, že tento protein je stejný jako Bence-Jonesův protein popsaný v roce 1845 Henrym Bencem Jonesem.[84] Edelman dále zjistil, že protilátky se skládají z těžkých a lehkých řetězců navázaných na disulfidové vazby. Přibližně ve stejné době byly Rodneym Porterem charakterizovány oblasti IgG vázající protilátky (Fab) a oblast ocasu protilátek (Fc).[85] Tito vědci společně odvodili strukturu a kompletní sekvenci aminokyselin IgG, za což jim byla v roce 1972 společně udělena Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu.[85] Fragment Fv byl připraven a charakterizován Davidem Givolem.[86] Zatímco většina těchto prvních studií se zaměřila na IgM a IgG, v 60. letech byly identifikovány další izotypy imunoglobulinu: Thomas Tomasi objevil sekreční protilátku (IgA)[87] a David S. Rowe a John L. Fahey identifikovali IgD,[88] a IgE identifikovali Kimishige Ishizaka a Teruko Ishizaka jako třídu protilátek, které se podílejí na alergických reakcích.[89] V přelomové sérii experimentů, které začaly v roce 1976, Susumu Tonegawa ukázal, že genetický materiál se může přeskupit a vytvořit obrovské množství dostupných protilátek.[90]

MAC komplex – nanoboty – perforin – protilátky (lehký řetězec, těžký řetězec, IgA, IgD, IgE, IgG, IgM)