第三章 免疫血液学基础
免疫血液学(immunohematology)是免疫学的一个分支,主要研究血液成分的抗原、抗体以及抗原和抗体的相互作用。1900年ABO血型的发现,不仅象征免疫血液学的诞生,而且使数百年来人们尝试以输血挽救生命成为一种科学的临床治疗方法。免疫血液学在输血医学中扮演重要角色,当今临床输血不良反应的首要原因仍然涉及免疫血液学方面的问题。血型是人类的一种遗传性状,其最初定义是指红细胞表面抗原的遗传学差异,而后发现血液中的白细胞、血小板、粒细胞等有形成分,以及血浆蛋白等无形成分都具有各自的遗传标记,因此广义的血型定义扩展为血液成分的遗传多态性。20世纪60年代,人类白细胞抗原被发现,免疫学衍生出另一个分支免疫遗传学(immunogenetics)。进入21世纪,随着人类基因组DNA序列的破解,人们开始在分子水平上研究血型抗原的分子结构、血型基因的结构和表达,并根据血型基因的DNA序列来检测血型,由此产生了分子免疫血液学(molecular immunohematology)、血型基因组学(blood group genomics)等新的学科。本章将介绍免疫血液学及其相关学科的基本原理和应用,一些过于详细的描述可以查阅本章的参考文献。
1900年2月奥地利免疫学家Karl Landsteiner(1868—1943年)在他发表的第13篇论文注解中,描述了人类红细胞的凝集作用,指出同一物种的不同个体之间存在差异[1]。一年后他发表了具有历史意义的第17篇论文《正常人血液的凝集作用》[2,3]。这篇以德文发表的论文,描述了人类血液中存在一些天然产生的凝集素,它们能够凝集其他人的红细胞,导致发现人类第1个ABO血型系统,也是第1个被确认的人类孟德尔遗传性状。
1901年到1903年间,Landsteiner曾指出人血相输可能产生休克、黄疸、血红蛋白尿等症状。1907年Hektoen报告输血有引起溶血反应的危险性[4]。1911年美国血清学家Ottenberg建立了临床鉴定ABO血型方法,并选择ABO血型配合血液输注[5],自此输血疗法走上了一条康庄大道,为日后的输血医学学科奠定了基础。
虽然Landsteiner已被人们以“血型之父”的誉称在历史上定位,但是他的学术思想、他所开拓的研究领域以及他对人类生活的贡献,远远超越血型研究范畴。终其一生,总共发表345篇学术论文,出版《血清学反应特异性》专著。他的血清学理论统治了免疫学近半个世纪[6-8]。在近代免疫学革命兴起之际,他重拾被他推倒的细胞免疫学说,返回免疫学的正确方向,并荣获1930年诺贝尔医学奖。在1912年到1966年间的24位诺贝尔医学奖获得者中,只有Landsteiner可以和物理学家Albert Einstein(1879—1955年)相媲美[9]。
以抗原抗体反应为基础的血清学方法,是免疫血液学的经典技术。在发现ABO血型后近一个世纪中,使用细胞凝集技术在几乎所有血液成分中都检测出同种抗原,从广义上说它们都属于人类血型。正如血型研究权威、英国知名学者Race和Sanger在他们的经典著作《人类血型》一书中所说,“有关血型的巨大知识源于简单的凝集反应试验”[10]。如今红细胞凝集试验已成为检测红细胞血型的“金标准”[11]。1945年Coombs发明抗球蛋白技术,可以检测被不完全抗体致敏的红细胞[12],导致发现大量红细胞血型系统[13]。同样使用细胞凝集技术,1956年检测出血清免疫球蛋白同种异型Gm因子[14],1958年检测出人类白细胞抗原HLA系统[15],1959年检测出血小板抗原HPA系统[16],1960年检测出中性粒细胞抗原HNA系统[17]。
在免疫血液学的历史中,20世纪基本上使用血型血清学和生物化学技术,以及经典遗传学方法,研究血液组分的抗原、抗体及其相互作用,在表型水平上阐述血型抗原及其多态性的遗传学基础。20世纪后半期,分子生物学领域建立起DNA重组和基因克隆技术,为体外研究基因结构和表达提供了必不可少的工具。1990年ABO血型基因被克隆,可谓免疫血液学从凝集反应走进DNA的里程碑[18]。从20世纪90年代起,血型基因相继被克隆,基因结构被阐明并在体外得到表达[19,20]。进入21世纪,人类基因组的研究带动了整个生物医学向分子水平发展,在此背景下产生了“分子免疫血液学”学科。它作为免疫血液学的一个新分支,使用分子生物学技术,在基因水平上研究血型抗原多态性的分子基础,解释免疫血液学中观察到的一些现象。2003年“人类基因组计划”完成后,生物医学研究进入了后基因组时代,一门新的“血型基因组学”学科应运而生。今日不仅有可以从分子水平上解释人类血型的生物学功能,而且建立了一套以DNA为基础的血型基因分型技术,某些血型表型分型已被基因分型所取代[21]。
免疫学是一门诞生于19世纪80年代的古老的学科,在器官、细胞和分子水平上研究机体免疫系统组织结构和生理功能。在人类与疾病长期斗争过程中,免疫学与生物科学相互渗透形成众多边缘学科,跨越3个世纪经久不衰。特别是在21世纪后基因组时代,免疫学研究进入基因水平,继续保持旺盛的创新活力,成为现代生命科学领域的前沿学科之一。本章仅介绍与输血相关的一些免疫学基本概念,如果想更深入了解,请见本章的主要参考书籍[22-26]。
人体免疫系统器官又被称为淋巴器官,它们遍布全身,由胸腺和法氏囊等中枢免疫器官、脾脏、淋巴结等外周免疫器官、血液循环系统中的免疫活性细胞(T细胞、B细胞等)以及免疫活性分子(抗体、淋巴因子、补体等)所组成。骨髓是所有血细胞包括免疫细胞的来源,胸腺是T淋巴细胞成熟的地方,淋巴结、脾脏和扁桃体是聚集免疫细胞并和抗原发生免疫应答的地方。免疫系统器官通过淋巴管网络彼此连接,并与身体的其他器官连接,免疫活性细胞和抗体可以通过血液和淋巴系统被运送到身体各组织。免疫应答是指免疫系统对抗原刺激所产生的一系列生理反应过程,包括免疫活性细胞活化、抗原识别和呈递、淋巴细胞增殖和分化、免疫分子形成、抗原被破坏和(或)被清除等免疫效应。免疫应答可以分为体液免疫和细胞免疫2大类型,两者共同构建成一个极为复杂而完善的防御体系。免疫应答有如下几个特点:
免疫系统的核心功能是“清除异己,保护自身”,它具有识别“非我”的能力。人体每个细胞都携带一组独特的表面蛋白,它可以作为识别“自我”的标记。这组独特的蛋白标记被称为主要组织相容性复合物(major histocompatibility complex,MHC),它被分为MHC-Ⅰ和MHC-Ⅱ两类蛋白分子,人类的MHC就是人类白细胞抗原(human leukocyte antigen,HLA)。通常人体免疫细胞不攻击自身组织,因为它们都携带相同的HLA抗原,这个现象又被称为自我耐受作用。能够引发免疫应答的任何“非我”物质被称为抗原。它们包括细菌、病毒、真菌、寄生虫等病原体;蛋白质、多糖、脂质、药物等分子;输入人体的各种血液成分;进入母体的胎儿血液成分;移植的异体组织器官等。免疫识别功能对保证机体的健康十分重要,如果识别功能下降可能减弱或丧失对传染病或肿瘤的防御能力,识别功能紊乱可能把自身组织器官或细胞会当成外来物加以攻击,造成自身免疫性疾病。
在机体初次接触外来抗原刺激时,免疫活性T细胞可以特异性地识别外来抗原,产生特异性免疫应答。除了产生特异性抗体以及能够分泌抗体的B细胞之外,同时也形成具有免疫记忆功能的T细胞和B细胞。以后再次接触到同一种抗原时,能迅速产生比初次接触更强烈的免疫应答,产生更多的抗体。
先天性免疫是指出生时就存在的一种防御功能,又被称为固有性免疫。先天性免疫在脊椎动物长期进化中得以维持,是机体抵御病原入侵的第一道防线,一旦外来物入侵就可以立即产生非特异性免疫应答。特异性抗原的反复刺激不会改变其免疫应答机制,也不产生免疫记忆细胞。先天性免疫通过物理的和生物化学的屏障来保护自身。物理屏障包括完整的皮肤、黏膜、黏膜纤毛、咳嗽反射等;生化屏障包括溶菌酶、RNA酶、脂肪酸、汗液、唾液中的消化酶、胃酸和低pH分泌液等。参与先天性免疫的物质包括体内的杀菌物质、补体、炎症因子、巨噬细胞、树突状细胞、粒细胞和自然杀伤细胞(natural killer cell,NK细胞)等。存在于组织器官和血液中的不同类型巨噬细胞,它们作为第一道防线吞噬并消化入侵的病原体。存在于骨髓、脾脏和外周血的NK细胞,属于非特异性免疫细胞,负责早期(小于4小时)的先天性抗感染作用。NK细胞可以使用穿孔素、颗粒酶等细胞毒性直接杀伤被病原体感染的细胞和肿瘤细胞,也可以释放细胞因子和趋化因子,调控获得性免疫反应和造血功能。
获得性免疫是机体在后天受到外来入侵物质刺激而产生的免疫清除作用,又被称为适应性免疫或特异性免疫。它仅见于脊椎动物,必须与外来物接触后才能获得免疫应答,是先天性免疫的补充防线。获得性免疫具有识别新入侵的病原体的能力,并产生特异性免疫反应。在特定抗原刺激下,免疫系统可以从机体的淋巴细胞库中选择出识别该抗原的T细胞或B细胞克隆,然后与抗原特异性结合。T细胞和B细胞在初次免疫应答后都会产生记忆细胞,当再次遇到相同抗原时,可出现潜伏期短、强度大、持续时间长的再次免疫应答。获得性免疫应答大致可分为3个阶段:①T细胞和B细胞通过细胞表面抗原受体,识别外来抗原。其中T细胞识别的抗原必须由抗原呈递细胞呈递;②识别抗原后的淋巴细胞,在协同刺激分子的参与下发生细胞的活化、增殖、分化,产生效应细胞(如杀伤性T细胞)、效应分子(如抗体、细胞因子)和记忆细胞;③由效应细胞和效应分子清除外来抗原。
先天性免疫一般是获得性免疫的先决条件,比如树突状细胞吞噬病原体实际上是一个呈递抗原的过程,为获得性免疫的抗原识别提供了基础。而获得性免疫应答的效应分子可以促进先天性免疫应答,比如许多由T细胞分泌的细胞因子可促进并参与先天性免疫应答细胞的成熟和杀伤功能。两者特点比较见表3-1。
造血干细胞能够自身复制和分化,通常处于静止期,当机体需要时淋巴干细胞进一步分化成T淋巴细胞和B淋巴细胞。T淋巴细胞介导的免疫应答被称为细胞免疫。T细胞协调整个免疫应答,并消除隐藏在感染细胞中的病毒;B细胞在T细胞的协助下产生抗体,但是在某些情况下B细胞也可控制或增强T细胞的功能。
T淋巴细胞在外来抗原刺激下发生活化和增殖,产生细胞毒T细胞(cytotoxic T cell),辅助T细胞(helper T cell),调节/抑制T细胞(regulatory/suppressor T cell)和记忆T细胞(memory T cell)等效应T细胞。效应T细胞以多种方式参与免疫防御,并协助调节复杂的免疫应答。比如细胞毒T细胞可以直接杀死被病毒感染的细胞,杀死被肿瘤转化但尚未逃避免疫检测系统的细胞;辅助T细胞可以释放多种淋巴因子,激活B细胞和其他多种T细胞,通过它们的协同作用达到清除外来抗原的目的。虽然细胞毒T细胞和NK细胞都可以杀伤被病原体感染的细胞,但是前者需要识别与自身HLA结合的特异性抗原,而后者可以直接识别并攻击细胞。
未接触过抗原的T细胞被称为Th细胞前体(Th cell precursor),在接触天然免疫细胞摄取的抗原后分化成Th0细胞。Th0细胞既分泌Th1型细胞因子IL-2和IFN-γ,又分泌Th2型细胞因子IL-4,可在不同信号刺激下分化为Th1、Th2和Th17等不同的亚群。这些细胞的主要特点如下:①Th1细胞可产生IL-2等细胞因子,促进Th1细胞、Th2细胞、细胞毒T淋巴细胞(CTL)、中性粒细胞和NK细胞的活化和增殖,从而放大免疫效应。Th1细胞分泌的IFNγ可促进B细胞产生抗体,进一步增强巨噬细胞对病原体的吞噬作用。②Th2细胞产生IL-4、IL-5、IL-10和IL-13等细胞因子,可以促进B细胞分化为浆细胞产生抗体,辅助体液免疫应答;也可以激活肥大细胞、嗜碱性粒细胞和嗜酸性粒细胞,参与超敏反应的发生和抗寄生虫感染。③Th17细胞分泌IL-17,刺激上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞和巨噬细胞等分泌多种细胞因子,诱导局部炎症反应,在先天性免疫中发挥重要作用(表3-2)。
Th1和Th2细胞分泌不同的细胞因子,分别参与细胞免疫和体液免疫,各自细胞表面受体也有不同。这些表面受体不仅可以作为分离Th1/Th2细胞的表面标志物,而且直接影响Th1/Th2细胞对一些细胞因子的反应能力,调控Th1/Th2细胞的分化与功能。在机体正常时,Th1/Th2细胞处于动态平衡状态,维持机体正常的免疫应答功能。当机体受到外来抗原攻击时,Th1和Th2细胞中某一亚群功能升高,另一亚群功能降低,出现Th1/Th2漂移现象,最终影响到机体的正常免疫应答能力。
T细胞介导的免疫应答首先需要T细胞活化。T细胞活化包括接受识别信号、刺激信号、转导信号、细胞内酶活化、基因转录表达和细胞扩增等复杂过程。大致可以分为如下几个步骤:①首先是抗原识别。CD4+T细胞的T细胞受体(TCR)分子和抗原呈递细胞(APC)表面的HLA-Ⅱ类分子,以及多肽抗原三者形成复合物,该复合物与T细胞协同受体CD4结合;CD8+T细胞TCR分子与APC细胞表面HLA-Ⅰ类分子以及多肽抗原形成复合物,该复合物与T细胞协同受体CD8结合。②第二步是细胞活化。APC细胞表面B7家族分子和T细胞受体CD28结合,刺激CD4+和CD8+细胞活化,产生抗原特异性T细胞克隆。③第三步是细胞增殖和分化。被活化的T细胞迅速进入细胞周期,在多种细胞因子的参与下,发生克隆扩增并进一步分化为效应细胞。CD4+T细胞分化成不同类型的辅助细胞,分泌多种细胞因子,CD8+T细胞分化为细胞毒T淋巴细胞(CTL)。④最后阶段是产生记忆T细胞和记忆B细胞(图3-1)。
HLA限制作用是指一个给定的T细胞,只识别结合在宿主自身HLA分子上的多肽抗原,因此又被称为HLA识别限制作用。正常情况下,T细胞仅在自身HLA分子存在情况下被激活,而且只能识别结合到自身HLA分子上的多肽。原始淋巴细胞在胸腺或骨髓发育和分化过程中,HLA限制作用特别重要,在此阶段如果T细胞对HLA分子呈递的自身抗原表达高亲和力,或是对自身HLA表达过低亲和力,T细胞将由于细胞凋亡作用而死亡。
为了诱发细胞特定的免疫应答,免疫活性细胞通过其表面或细胞内的受体,与相应配体结合后导致细胞内信号转导系统活化,从而影响相应生物学功能,这个过程被称为细胞信号转导。免疫识别和细胞信号转导涉及如下一些分子:①主要组织相容性抗原分子,包括HLA-Ⅰ类和HLA-Ⅱ类抗原;②细胞黏附分子,它们是参与细胞与细胞之间,以及细胞与细胞外基质之间相互作用的分子;③白细胞分化抗原,又被称为簇分化抗原(CD抗原),它们是白细胞、血小板和血管内皮等细胞在不同成熟阶段以及活化过程中,出现或消失的细胞表面标记。
细胞因子(cytokine)是一类由免疫细胞分泌的蛋白质或小分子多肽,通过结合细胞表面的相应受体,在细胞间传递信息,在免疫应答、免疫调节和炎症反应中起重要作用。由单核-吞噬细胞产生的细胞因子称为单核因子(monokine);由淋巴细胞产生的细胞因子称为淋巴因子(lymphokine)。参与免疫反应的细胞因子主要有以下几种:①干扰素(interferon,IFN)是由病毒刺激有核细胞产生的糖蛋白,有IFN-α、IFN-β和IFN-γ等3种类型,具有抑制病毒在细胞内增殖、抑制细胞分裂和抗肿瘤作用;②白细胞介素(interleukin,IL)简称白介素,在白细胞之间传递信息,激活与调节免疫细胞,介导T和B细胞活化、增殖与分化,在炎症反应中起重要作用;③集落刺激因子(colony stimulating factor,CSF)也被称为造血生长因子,刺激骨髓前体细胞的生长与分化,以及造血生成;④肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)又被称为淋巴毒素,有生物学功能类似的TNF-α和TNF-β两种。它们对肿瘤细胞和病毒感染细胞具有抑制或细胞毒作用,可以激活中性粒细胞和巨噬细胞,增强吞噬杀菌功能,增强T和B细胞对抗原刺激的增殖反应;⑤转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)是调节细胞生长和分化的多肽,体内一些组织细胞以及几乎所有肿瘤细胞都能分泌。某些肿瘤细胞可以通过分泌大量的TGF-β而逃避免疫攻击;⑥趋化因子(chemokines)有能力将特定类型细胞吸引到感染区域,并呼唤该区域的其他免疫细胞帮助修复损害和防御感染。
B淋巴细胞介导的免疫应答被称为体液免疫。在体液免疫中,B细胞表面特异性受体与入侵抗原结合后被致敏,然后分化为成浆细胞并大量增殖,生产数以千计的各种特异性抗体,通过抗体发挥免疫效应。成浆细胞生产相同拷贝抗体分子的速度非常快,每小时可以制造1000万份拷贝。引起体液免疫应答的B细胞有B1及B2两个亚群,B1细胞增殖并分化为浆细胞,产生IgM类抗体,不能形成记忆细胞,故无再次应答;B2细胞产生IgG类抗体,在免疫应答过程中有记忆细胞形成,能发生再次应答。
B细胞识别的抗原有T细胞依赖抗原(TD抗原)和T细胞非依赖抗原(TI抗原)等2种。TD抗原又被称为胸腺依赖性抗原(thymus dependent antigen),比如细胞、病毒及各种蛋白质均为属于TD抗原。TI抗原又被称为胸腺非依赖性抗原(thymus independent antigen)。TD抗原需要在抗原呈递细胞参与和T细胞辅助下,才能刺激B细胞产生抗体。TI抗原可以刺激活化未成熟B细胞,诱导产生IgM抗体,不需要T细胞辅助的参与,TI一般只引起体液免疫应答,不引起细胞免疫应答和回忆应答。B细胞对TD抗原免疫应答:有如下几步:①B细胞表面的B细胞受体(BCR)和HLA-Ⅱ类分子以及抗原肽形成复合物,呈递给抗原特异性Th细胞识别。②活化的Th细胞表达CD40L,与B细胞上CD40结合,提供共刺激信号。③分泌多种IL细胞因子调节B细胞分化方向。例如Th1支持分化产生IgG1的浆细胞,Th2支持产生IgE的浆细胞。④被TD抗原诱导活化的B细胞进入细胞周期大量增殖。⑤B细胞进一步分化形成浆细胞。浆细胞产生的Ig类型,受B细胞分化中不同IL的影响。比如IL-2、4、5促进IgM的合成;IL-2、4、6和IFN-γ刺激产生IgG;IL-5和TGF-β诱导IgA合成;IgE的合成与IL4有关。⑥产生记忆性B细胞。
根据刺激抗原的不同,产生的抗体具有各自的特异性,能够特异性地结合相应抗原。抗体的产生有以下一些规律:①抗原和相应抗体不能同时存在一个正常个体中。②对于初次入侵机体的抗原,免疫系统产生初次应答,带低亲和力受体的B细胞与抗原结合,经过一段潜伏期出现比较弱的抗体,保持一定时间后逐渐消失。一般先出现IgM类型抗体,然后出现IgG抗体。③对于再次入侵抗原,免疫系统产生再次应答,特异性免疫记忆细胞再次接触抗原后,能很快增殖、分化,急速产生大量抗体,通常为高亲和力的IgG抗体,保持一段较长时间后缓慢下降。④机体产生记忆细胞,再次接触到该抗原时会产生回忆应答,已经消失的抗体会急剧上升。
体液免疫通过抗体发挥的效应包括:①中和作用。抗体与病毒或外毒素结合,具有中和病原体抗感染作用。抗体可以特异性识别相应抗原,但是不具有杀伤作用,还需借助免疫细胞或免疫分子的协同作用,才能发挥清除入侵异物的功效;②通过激活补体引起溶菌、溶解细胞等效应;③通过抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用,与结合在病毒感染细胞或肿瘤细胞等靶细胞表面的IgG抗体Fc片段结合,杀伤这些靶细胞;④通过免疫调节作用,增强吞噬细胞的活性;⑤在某些情况下,抗体还可参与超敏反应,引起病理性损伤。
抗体可以是同种反应性的或自身反应性的两大类。同种抗体是指受到同种异体免疫刺激后产生的抗体,比如输注其他个体血液或血液制剂产生的抗体,或是胎儿刺激母亲产生抗体,这些抗体都对应非自身抗原。自身抗体是针对自身抗原而产生的抗体,携带这类抗体的个体通常患有自身免疫性疾病。在临床输血中,一般难以鉴定自身抗体的特异性,而且自身抗体可以在不同的温度下反应。在血型检测中要特别注意自身抗体的干扰。
抗体分子是免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig),占人体血清球蛋白总量的15%~20%。目前已经鉴定出IgG1、IgG2、IgG3、IgG4、IgA1、IgA2、IgM、IgE和IgD 9种Ig。Ig分子由2条重链和2条轻链,通过二硫键连接组成Y型分子。轻链含有214个氨基酸,重链含有446个或更多氨基酸。轻链N末端的134个氨基酸和重链N末端144个氨基酸为抗原结合点,被称为可变区。2条链的其余部分称为恒定区。形成重链需要由可变区段、多样性区段和连接区段的基因组合,这使得编码单独重链的DNA有24 000种可能的组合。根据Ig分子重链氨基酸序列,Ig被分为IgG(γ链)、IgA(α链)、IgM(μ链)、IgD(δ链)和IgE(ε链)等5类。根据二硫键位置,轻链分为κ和λ等2种型(表3-3)。
血清中的Ig主要是IgG,IgM和IgA。IgG单体分子量较小,由2条重链(γ2)和2条轻链(κ2或λ2)组成。根据IgG重链氨基酸序列以及二硫键的数目和位置,IgG又被分为IgG1、IgG2、IgG3和IgG4等4个亚类。IgM分子量较大,由5个IgG分子单体连接组成的五聚体。二硫苏糖醇(DTT)和巯基乙醇(2-ME)是很强的二硫键还原剂,它们能够打开IgM分子J链的二硫键,使IgM抗体失去活性。在血清学中,经常使用DTT或2-ME处理血清,来区分IgG和IgM抗体[27]。血清Ig的一些主要特性见图3-2和表3-4。
免疫球蛋白的主要生物学功能为:①IgG是血液中的主要免疫球蛋白,是再次免疫应答产生的主要抗体。IgG合成速度快、分解慢、半衰期长,多以单体形式存在。能够特异性地结合入侵的外来病原体,中和毒素和病毒,介导抗体依赖的细胞毒作用,能够激活补体经典途径,是唯一能通过胎盘的抗体。胎盘内IgG含量远比血清浓度高,对新生儿抵抗感染起重要作用。②IgM是初次免疫应答早期阶段中产生的主要Ig,其分子量大,主要分布在血液中,不能通过胎盘。在人体发育过程中,无论是B细胞膜表面Ig、还是经抗原刺激后合成分泌到血清中的Ig,IgM都是出现最早的Ig,在抗原的反复刺激下,可通过Ig基因的类转换而转向合成IgG。天然的血型抗体属IgM,输入血型不合的血液将引起严重的血管内溶血反应。③IgA有血清型和分泌型2种,都不能通过胎盘。血清型IgA主要在血液中,由肠系膜淋巴组织中的浆细胞产生,有IgA1和IgA2两个亚类。血清型IgA可以结合抗原,但不能激活补体的经典途径,因此不能像IgG那样发挥许多的生物学效应。分泌型IgA是由呼吸道、消化道、泌尿生殖道等处黏膜固有层中的浆细胞产生的,在局部浓度大,常被称为局部抗体。它能抑制病原体和有害抗原黏附在黏膜上,构成了黏膜第一线防御机制。母乳中分泌型IgA提供了婴儿出生后的局部免疫屏障。④IgD几乎全部集中在B细胞膜表层,血清内IgD浓度很低。其功能主要是作为B细胞表面的抗原受体,B细胞向浆细胞分化中起调节作用。⑤IgE以微量存在于呼吸道和肠道黏膜上。IgE不能激活补体及穿过胎盘,但它的Fc片段能与肥大细胞和嗜碱性粒细胞表面的受体结合,当变应原再次进入机体,与已固定在上述细胞上的IgE结合时,可引起Ⅰ型超敏反应。
免疫球蛋白是具有抗体活性的球蛋白分子,通过其可变区识别外来抗原,但是它本身又具有抗原性。20世纪中叶人们发现将Ig注入人体或动物体内可产生抗Ig抗体。Ig抗原决定簇是由基因决定的遗传标记,可以用血清学方法检测。Ig抗原可以分为3种类型。
同种型(isotype)是指同一物种的所有个体有共同的Ig抗原决定簇。人类Ig同种型包括IgM,IgG,IgA,IgD和IgE等5类;G1,G2,G3,G4,A1和A2亚类;κ和λ型;在λ型链上还有Oz,Kern和Meg同种型。同种型不表现遗传多态性。
独特型(idiotype)是指在同一个体内每个B细胞克隆所产生的Ig分子可变区有不同的抗原决定簇,由此而区分的型别称为独特型,其抗原决定簇可以刺激异种和同种异体产生抗体。独特型的差异是由VL和VH超变区氨基酸序列不同所致,这是抗体特异性的分子基础。从分子结构上看,Ig的可变区、抗原结合部位和独特型抗原决定簇是免疫球蛋白的同一结构。Ig独特型抗原决定簇也可诱导产生抗独特型抗体(idiotype antibody),它和体内的独特型组成的独特型抗体网络在免疫调节中有重要作用。
同种异型(allotype)是Ig重链或轻链肽链氨基酸的变异,由染色体14q32上编码高度同源的3个紧密连锁基因IGHG1、IGHG2和IGHG3所决定。表3-5为目前已经检测出来的免疫球蛋白同种异型[28]。检测同种异型的抗体主要来自类风湿关节炎患者、输血患者、正常人、IgA缺乏患者和免疫动物血清。血凝抑制试验是检测同种异型的主要方法,近年来在逐步建立DNA检测方法。Gm同种异型不仅与多发性硬化等多种疾病易感性相关,而且与抗体依赖性细胞介导的细胞毒性、补体依赖性细胞毒性、病毒免疫逃避以及治疗用单克隆抗体相关[29]。
Gm单体型显示出种族特异性,常被用于人类学和群体遗传学研究。比如高加索人种缺少Gm(1)因子;Gm(6)为尼格罗人种特有;Gm(16,17)是蒙古人种特有的标记。中国人常见5种Gm单体型,北方人带有高频率的Gm1;2和Gm1,2;21单体型;南方人带有Gm1,3;5单体型。Gm1单体型在南北人群之间无显著性差异。在维吾尔族、哈萨克族、东乡族和回族中存在高加索人种的Gm3;5单体型[30,31]。
补体系统是一组广泛存在于血清、组织液和细胞膜表面的蛋白质,占血浆总蛋白含量的5%左右,含有至少25个可溶性蛋白和10个细胞表面受体和调节蛋白,它们在破坏细菌中显示“补充”抗体的作用。血清补体组分以非活性酶的形式存在,当第1补体分子C1遇到抗原抗体复合物中的抗体时,补体组分被依次激活,称为补体级联反应。每个补体组分蛋白执行其专职,依次作用于下游分子,最终刺穿细胞膜,允许流体分子流入和流出靶细胞。
根据起始物和活化顺序的不同,补体的激活分为3条途径。①经典激活途径是由IgM,IgG1,IgG2和IgG3抗体和抗原复合物启动的补体激活途径,依次活化C1q、C1r、C1s、C2、C4和C3,形成C3转化酶与C5转化酶。该途径依赖抗体,参与特异性体液免疫;②凝集素激活途径起始物为病原体表面甘露糖残基,参与天然免疫,不依赖抗体;③旁路途径由细菌、内毒素、酵母多糖和葡聚糖激活,参与天然免疫,不依赖抗体。3条途径共同点是都需要补体组分C3的参与;具有共同的末端反应成分C5、C6、C7、C8和C9;具有共同的末端效应,C5转化酶把C5裂解成C5a和C5b,C5b与C6、C7、C8和C9形成膜攻击复合物(MAC),介导靶细胞溶解,参与炎症反应。这3条激活途径间密切关联,比如经典途径产生的C3b可以触发旁路途径,旁路途径的C3转化酶对经典途径的补体活化也有放大效应,这使得补体系统可以在不同活化阶段参与机体抗感染反应及其他多种生物学功能(图3-3)。
补体激活经典途径活化C1需要Ca2+参与,替代途径形成C3需要Mg2+参与,因此Ca2+和Mg2+的螯合剂EDTA能够阻断补体的激活。肝素具有抑制补体C4激活作用,因此也具有抗补体作用。血清加热至56℃30分钟,可以使C1和C2完全失活,但是对C4损害程度较小。补体激活替代途径中的白介素因子B,加热至50℃20分钟,可以失活。
抗原与相应抗体具有互补的立体结构,抗原分子表面特定的抗原决定簇部位可以与抗体结合。在免疫血液学中,抗原和抗体结合被称为致敏,致敏作用可以发生在体内或体外。抗原和抗体以非共价键结合形成的复合物,具有可逆性反应性。单价抗体只和一种抗原结合;多价抗体可以和一组结构类似的抗原结合。经动物和人体免疫在体内产生的是多克隆抗体;通过细胞融合技术在体外制备的是单克隆抗体。
抗原(Ag)和抗体(Ab)通过氢键、疏水键、离子团静电吸力、范德瓦尔斯力的作用相互结合,形成抗原抗体复合物(AbAg),它们之间是可逆反应,处于动态平衡。其反应式可以写为:
k1是正反应速率常数,k2是逆反应速率常数,根据质量作用定律有如下关系:
[Ab],[Ag],[AbAg]分别为Ab,Ag和AbAg的浓度,K为平衡常数。从上式可见,平衡常数愈高,在平衡时抗原抗体复合物愈多。K受到以下因素影响。
反应体系离子强度降低时K值升高,即有利于生成抗原抗体复合物。使用低离子强度溶液(LISS)可以降低红细胞ζ电位,允许抗体更有效地与红细胞膜抗原结合,可以增加摄取抗体的速率,减少反应孵育时间。
根据抗体结合抗原的最适温度,有冷抗体和暖抗体之分,这对于临床输血中的抗体检测非常重要。对于冷抗体和低亲和力抗体,降低反应温度有利于正反应,促进抗原抗体结合;升高温度有利于逆反应,抗体倾向从红细胞膜上放散出来。ABO抗体和大多数具有临床意义的抗体属于暖抗体,它们反应最适温度为37℃。如果反应温度高于37℃,抗原抗体复合物可能分解。临床抗体检测利用这个特点,将反应温度升高到56℃,可以将结合在红细胞膜上的抗体解离。如果反应温度低于37℃,需要延长反应时间使抗原抗体充分结合。IgM抗体最佳反应温度在22℃左右,IgG抗体通常在37℃左右。
检测抗原抗体反应最适pH范围在6.5~7.5,这类似于正常血浆或血清的pH值范围。pH值在7.0时,红细胞携带阴电荷,pH值在7.0到7.5时大多数抗体携带弱阳电荷,这有利于红细胞凝集或红细胞被抗体致敏。pH值降低使K值降低,有利于逆反应。酸放散法就是降低介质pH值使抗体从红细胞上脱落下来。
红细胞表面抗原位点的多寡,影响到需要结合的抗体分子数。如果抗原数量过多、抗体分子过少,有一些位点没有被抗体结合而降低凝集反应,因此临床检验上一般使用过量的抗体。在血清学反应中,血清和细胞的比例非常重要。比如在LISS介质中,血清对红细胞的比例最低要求是40∶1,如果低于这个比例可能降低检测灵敏度。血清对红细胞的比例,可以用如下公式计算:
(血清体积×100)/(细胞体积)×(细胞悬液浓度的百分比)
比如在LISS介质中,2体积血清和2体积1.5%红细胞悬液,血清对红细胞的比例为(2×100)÷(2×1.5),等于66∶1,高于最低要求比例。
如果抗体的平衡常数K值较低,增加抗体可以提高检测灵敏度,但是如果抗体太多反而抑制了红细胞凝集,产生“前带”现象。这是由于抗体结合了所有的抗原位点,没有剩余的位点供细胞之间连接产生凝集反应。适当稀释抗体可以避免前带现象。
在免疫血液学和免疫遗传学领域,体外检测抗原抗体反应有如下一些技术:①凝集反应。以肉眼或在显微镜下观察红细胞、白细胞和血小板的凝集现象;②溶血和细胞毒性反应。在补体存在的情况下,某些红细胞血型抗体可以溶解相应红细胞,产生溶血现象;某些白细胞抗体可以破坏白细胞膜,使染料进入使细胞被染色;③免疫荧光技术。使用荧光染料标记抗体,然后在荧光显微镜下观察被荧光染色的细胞。如果使用流式细胞仪,可以定量分析抗原抗体反应的程度;④沉淀反应。对一些可溶性抗原,与相应抗体结合后可产生肉眼可见的沉淀反应;⑤抗体抑制作用。某些可溶性抗原和相应抗体结合,抑制了抗体反应性,导致抗体效价下降,从而间接地检测出抗原抗体反应;⑥补体结合。某些抗体和抗原结合涉及补体的参与,测定反应系统中补体被消耗程度,也可以间接地检测出抗原抗体反应。
某些血型抗体和红细胞表面相应抗原结合后,可以引起补体级联反应,产生膜攻击复合物并导致红细胞裂解。在以红细胞凝集试验为基础的血型检测中,这个现象容易被误判为凝集反应阴性结果。特别是在ABO反定型试验中,供者的血清可能造成ABO不匹配的受者红细胞溶血。IgM抗体分子Fab片段有10个抗原结合点,可以有效地激活补体产生溶血现象。IgG抗体只有2个抗原结合点,需要至少2个在红细胞表面相近的抗原,才能激活补体,而且通常只能激活到C3阶段,因此基本上不产生溶血反应。有可能造成红细胞体内溶血的常见抗体有抗-A,-B,-H(表型Oh个体),-AB,-I,-Lea,-Leb,-PP1Pk,-P,-Jka,-Jkb,-Jk3,-Ge3和-Vel;罕见抗体有抗-Sc1,-Lan,-Jra,-Co3,-Emm,和-Milne等。抗Jka抗体与红细胞结合的同时还结合补体组分C3d,属于“结合补体抗体”。在使用抗球蛋白试验检测这类不完全抗体时,相应的抗球蛋白试剂含有抗人C3d抗体成分。使用EDTA抗凝血样,或是使用EDTA盐水配制红细胞悬液可以避免发生溶血情况,因为EDTA是钙离子螯合剂,可以抑制补体激活C1q阶段需要的二价钙离子。
每个人的免疫系统对入侵病原体的免疫应答不尽相同,比如输入血型抗原不匹配的血液,不是所有受者都产生抗体;再如对某些药物的过敏反应或耐药性,也是各有所异。个体独特的免疫应答能力是由遗传所决定的,在20世纪中期诞生的“免疫遗传学”学科,专门从事这方面的研究。人类免疫应答的遗传,主要是由主要组织相容性复合物,也就是HLA系统所决定。HLA与免疫反应密切相关,从功能上可分为3大类:①HLA-Ⅰ类抗原是指HLA-A、B、C座位上的抗原,又被称为移植抗原,与移植排斥反应密切相关,它们能引起宿主对移植物或移植物对宿主的免疫排斥反应;②HLA-DR、DQ、DP等基因编码的HLA-Ⅱ类抗原,它们与免疫应答密切相关,故又被称为免疫反应基因;③HLA-Ⅲ类抗原是补体组分C2、C4、Bf和一些细胞因子,它们的生物学功能也涉及免疫反应。关于HLA的遗传和生物学功能,在本章第六节有详细描述。
细胞是具有生命功能的基本单位。根据细胞的结构,可以分为真核细胞和原核细胞等2种类型。原核细胞通常是独立的,比如细菌属于原核细胞,其结构简单,比真核细胞小,没有细胞核和其他细胞器。而真核细胞往往存在于多细胞生物体中。真核细胞细胞膜分子参与细胞代谢活动,含有细胞核和细胞器。其细胞核内的DNA与组蛋白结合成染色体。如果将正在分裂的细胞用碱性染料染色,可以观察到细胞核中被染成深色的染色体。正常人的体细胞含有23对染色体,其中22对为常染色体,另外1对为性染色体。女性为XX,男性为XY。
在细胞繁殖过程中,1个母细胞经过分裂后形成2个新生的子细胞。在细胞核分裂过程中,母细胞把遗传物质DNA传给子细胞。单细胞生物的细胞分裂就是为了繁殖;多细胞生物中的细胞分裂,是为了生物自身生长发育以及产生生殖细胞。真核细胞的分裂主要可分为有丝分裂和减数分裂等2类。在有丝分裂中,1个细胞变成2个细胞,子细胞中的染色体数目保存不变。而在减数分裂过程中,染色体只复制1次,而细胞分裂2次,成熟生殖细胞中的染色体数目比原始生殖细胞的减少一半。人类精子和卵子分别携带23条染色体,在精子和卵子结合后,23条同源染色体配对形成46条。子代染色体分别来自父母,所以子代携带的遗传基因总是一半和父亲相同,一半和母亲相同。
孟德尔(Gregor Mendel,1822—1884年)是经典遗传学奠基人,他通过对豌豆等植物杂交研究,早在1865年他就提出遗传规律的一些重要假设,后来这些假设被大家所公认并称之为孟德尔遗传定律。其主要内容包括:①存在一些控制遗传性状的颗粒,它们从一代传递给下一代。从现代观点看,这些颗粒就是遗传基因。②每个个体对每1种遗传性状,都带有2个这种颗粒。在形成配子(即生殖细胞,精子或卵子)时,每1对颗粒中仅其中之一移到1个单独配子中(分离定律)。③对于给定的遗传性状,1个个体可能含有2种不同的颗粒,其中只有1个决定该性状的颗粒遗传到下一代(显性的概念)。④每对颗粒的组合,与其他颗粒对的组合相互独立(自由组合定律)。因此1个单独配子中的颗粒,是该个体所带有的颗粒随机分配的结果。⑤婚配结果可以用数学概率来描绘。
根据现代遗传学观点,可以把孟德尔遗传定律概括为3条法则:①分离法则。每1种遗传性状都是由1对基因所决定。亲代基因随机分离到生殖细胞,因此生殖细胞只含有1个基因。生殖细胞结合产生子代时,子代带有1对基因,分别来自双亲。②自由组合法则。不同基因的遗传都是独立的,彼此不相关地分配到子代并自由组合。③显性法则。如果1对基因有不同的表达性状,显示出来的表型是显性基因。
基因的产物是蛋白质。如果1个基因能够正常表达产生蛋白质,在遗传学上表现为显性基因。由于基因突变或基因调控等原因,造成某些基因不能够正常表达,它们没有能力产生完整的蛋白质产物,被称为无效基因,在遗传学上通常表现为隐性基因。带有显性基因的个体,无论是纯合子还是杂合子,都会表现出相应的性状,而隐性基因只有在纯合子时表现出相应性状。ABO血型是人类中首先被确认的一种孟德尔遗传性状,在ABO血型系统中常见3个等位基因,A和B基因是显性基因,而O基因是隐性基因。MN血型系统中常见的2个等位基因M和N都是显性基因,又称为共显性基因。这2个血型系统基因型和表型关系(表3-6)。
在染色体同1个遗传位点(又被称为遗传座位)上的各种形式基因,被称为等位基因。同1个位点上的等位基因,可以有2个或2个以上,比如到2017年9月为止,在HLA-A位点上检测出来的等位基因已经有3968个。显然这些等位基因之间是相互排斥的,因为每个位点只能被1个等位基因占据。每个个体都带有2个分别来自父亲和母亲的等位基因。如果2个等位基因相同,被称为纯合子;如果2个等位基因不同,被称为杂合子。1个个体所带有的基因总和,被称为基因型或遗传型,而实际表现出来性状被称为表型。在每个遗传位点上的2个等位基因,可以都是显性基因或隐性基因,也可以是1个显性和1个隐性基因所组成。
如果知道双亲的基因型,根据孟德尔遗传法则很容易预测子女的基因型。比如在ABO血型中,基因型为AO的父亲,可以产生分别携带A和O基因的两种精子;基因型为BO的母亲可以产生分别携带B和O基因的两种卵子。他们的子女可能有A、B、O和AB等四种表型,对应的基因型分别为AO,BO,AB和OO。在血型基因分型技术建立前,人们只能采用血清学方法鉴定ABO血型,得到是ABO表型结果,不能确定ABO基因型。因此如果根据血清学表型预测子女血型时,需要考虑双亲各种可能的基因型组合。
哈代-温伯格平衡定律(Hardy-Weinberg equilibrium)又被称为遗传平衡定律,是群体遗传学研究中最基本的一个统计学工具。其主要内容是指在1个随机婚配和足够大的群体中,在无基因突变、无新基因加入以及无自然选择作用的条件下,各等位基因的基因型频率世代稳定不变,即保持着基因平衡。该定律可以用数学公式表示,假设有A和a2个等位基因,它们的基因频率分别是p和q,在遗传平衡的条件下,A和a基因频率应该满足以下数学公式:
孟德尔经典遗传学主要研究基因在亲代和子代之间的传递规律,在表型水平上研究基因和遗传变异体之间的关系。分子遗传学研究对象是DNA、核酸和蛋白质等具有特异性结构的生物大分子。在分子水平上研究它们结构单元的排列序列、DNA复制、原核生物的转录和调控、蛋白质合成、基因结构和功能,以及生物学活性的表达等内容。
DNA是脱氧核糖核酸的简称,是染色体的主要化学成分,同时也是组成遗传密码的物质。原核细胞的染色体是由1条长DNA分子组成。真核细胞核中含有多条染色体,每条染色体也只含1个和蛋白质结合在一起的DNA分子。DNA的化学成分是磷酸、脱氧核糖和碱基。1个磷酸分子,1个脱氧核糖和1个碱基组成1个单核苷酸,单核苷酸是构建DNA分子的基本单位。总共有腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)等4种碱基。核苷酸通过三磷酸根互相连接形成单股多聚核苷酸链。参与形成DNA多聚核苷酸的核苷酸有4种,分别是2′-脱氧腺苷5′-三磷酸(dATP或A),2′-脱氧胞苷5′-三磷酸(dCTP或C),2′-脱氧鸟苷5′-三磷酸(dGTP或G)和2′-脱氧胸苷5′-三磷酸(dTTP或T)。单股DNA的一端称为5′端,另一端称为3′端,两端以外有不同的DNA序列。在书写DNA序列时,总是将5′端写在纸的左面。DNA分子是由2条单核苷酸链以互补配对原则所构成的双螺旋结构,1条单链的5′端对应另一条单链的3′端。2条DNA链中的对应碱基A-T以双氢键形式连接,C-G以三氢键形式连接,因此G-C较A-T的连接牢固。DNA双螺旋骨架的糖-磷酸-糖形成的主链在螺旋外侧,通过磷酸二酯键相连,配对的碱基在螺旋内侧,2条链皆为右手螺旋。双股DNA的长度用碱基对(bp)来计量,1000bp用1kb表示。
RNA是核糖核酸的简称,它的化学成分是磷酸、核糖和碱基。也含有4种碱基,其中腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和DNA一样;另一碱基是尿嘧啶(U)。RNA由几十个到上千个核苷酸组成,每个核糖核酸由1个磷酸分子,1个核糖和1个碱基所组成。核苷酸之间连接成核苷酸链。RNA分子只含有1条核苷酸链。带有编码蛋白质信息的mRNA是单股。和mRNA序列互补的DNA称为cDNA,它的序列和mRNA序列相同,在书写时也是从5′写到3′。
DNA是遗传信息的载体,在生物复制中亲代DNA以自身分子为模板复制成2个拷贝,分配到2个子细胞中去。而DNA的双链结构对于维持遗传物质的稳定性和复制的准确性是极为重要的。DNA在复制过程中,碱基间的氢键通过解旋酶的作用首先断裂,双螺旋结构解旋分开,每条链分别作模板合成新链。由于每个子代DNA的1条链来自亲代,另一条链是新合成的,故称之为半保留式复制。2股DNA的核苷酸序列相互互补,因此只要知道1股DNA的序列,就能得到另一股DNA的序列。在文献中一般只给出DNA编码股的序列,它和mRNA序列相同。
人类基因结构一般可以分为4个区域:①转录区。该区域包含外显子与内含子,其两侧被称为侧翼序列,分别用5′UTR和3′UTR表示。②前导区。位于基因编码区上游,相当于RNA的5′末端非编码区(非翻译区)。③尾部区。位于RNA的3′编码区下游,相当于末端非编码区。④调控区位于基因编码区域两侧,含有启动子和增强子等基因调控序列。启动子包括某些保守序列,能促进转录过程。真核基因转录起始点的上游或下游一般都有增强子,它不能启动基因转录,但有增强转录的功能。
不同基因的大小差异甚大,如LW血型基因跨度仅2600bp;而编码S抗原的GYPB基因全长58 000bp,该基因含有较长的内含子序列,实际编码序列仅为276bp,只占全部序列的0.5%。
基因中的编码片段又被称为外显子,它们的DNA序列决定编码产生的氨基酸多肽序列。外显子被非编码的内含子序列所隔离开。我们通常所说的基因序列是指mRNA序列。不同基因的外显子和内含子数目不同。比如ABO血型基因有7个外显子,Duffy血型基因只有2个外显子,而Knops血型基因含有47个外显子。编码SS血型抗原的血型糖蛋白基因B(GYPB)含有5个具有编码功能的外显子和1个无功能的假外显子。每个外显子编码不同的肽链区域。外显子和内含子接头区都有一段高度保守序列,内含子5′端大多数是GT开始,3′端大多是AG结束,称为GT-AG法则,是普遍存在于真核基因中RNA剪接的识别信号。
由于DNA分子中发生碱基对的改变、增添或缺失而引起的基因结构改变,被称为基因突变。基因突变通常发生在DNA复制时期,即细胞分裂间期,包括有丝分裂间期和减数分裂间期。在进化中,一些基因序列由于突变而不能产生相应的蛋白质,这些无功能的基因被称为假基因。
在同1个遗传位点上,由于基因突变产生的变异体被称为等位基因,由此产生遗传多态性。单核苷酸取代产生的多态性简称SNP(single nucleotide polymorphism),是最为常见的基因突变。人类血型遗传多态性的基因突变机制主要有:①单个或多个内含子SNP,单个外显子SNP,基因调节序列区域的SNP;②单核苷酸或多核苷酸的插入或缺失;③外显子或整个基因缺失;④基因转换和基因重组。
从基因到蛋白质遗传信息传递的第1步是DNA被转录为mRNA。基因转录在细胞核内进行的,其中转移RNA(tRNA)的合成发生在核仁,mRNA的合成在核质中进行。转录过程首先是以DNA的1条链为模板,按照碱基互补配对原则转录成前mRNA。然后通过剪接加工,内含子片段被去除,外显子片段连接在一起产生mRNA。mRNA只含有外显子顺序,保留了编码序列的连续性(图3-4)。
细胞从RNA合成蛋白质的过程被称为翻译。在此过程中,tRNA以mRNA为模板将氨基酸运送到核糖体上,核糖体阅读mRNA上的遗传密码,将mRNA序列转换为氨基酸序列。在mRNA序列上,由3个连续的核苷酸为1组决定1个氨基酸或提供终止信号,这3个核苷酸组称为1个密码子。例如密码子UCU(在DNA中为TCT)编码丝氨酸,密码子GCA编码丙氨酸。1个氨基酸可以被1个以上的密码子所编码,例如UCC,UCA,UCG都编码丝氨酸。蛋白质多肽的氨基端总是以甲硫氨酸开始,由mRNA的AUG密码子编码。UAA,UAG和UGA是终止密码子,它们决定蛋白质羧基末端。每1套密码子称为1个可读框,含有起始密码子和终止密码子。虽然任何DNA链序列可以有3种不同的读码方式,但是只有1种能够合成完整的蛋白质。
基因表达受到转录起始点上游的启动子DNA序列的调控。启动子可以延伸至上游1000多个碱基,其他影响转录的调节因子序列可以在更远的位置上。位于启动子区域的TATA盒存在于大多数基因中,它的功能是将RNA聚合酶定位于适当位置以起始转录。启动子区域中的突变有可能导致失去起始转录能力,结果无转录产物。比如Duffy血型基因启动子TATA盒内序列突变,导致不能产生Duffy血型抗原蛋白。
蛋白质是由单个氨基酸连接组成的大分子。总共有20种氨基酸。为书写方便,用1个大写英文字母或缩写代表1种氨基酸。符号如下:A,丙氨酸(Ala);R,精氨酸(Arg);N,天冬酰胺(Asn);D,天冬氨酸(Asp);C,半胱氨酸(Cys);E,谷氨酸(Glu);Q,谷氨酰胺(Gln);G,甘氨酸(Gly);H,组氨酸(His);I,异亮氨酸(Ile);L,亮氨酸(Leu);K,赖氨酸(Lys);M,蛋氨酸(Met);F,苯丙氨酸(Phe);P,脯氨酸(Pro);S,丝氨酸(Ser);T,苏氨酸(Thr);W,色氨酸(Trp);Y,酪氨酸(Tyr);V,缬氨酸(Val)。多肽序列一般从左端的氨基末端开始向右书写,右面的终端是蛋白质羧基末端。
通过加热、碱(NaOH)或极性溶剂(DMSO)等变性剂处理,可以破坏双股DNA氢键而产生单股DNA。加热使溶液中50%的DNA分子成为单股,50%仍为双股时所需要的温度,被称为“变性温度”或“解链温度”,一般用符号Tm表示。Tm取决于双股DNA的碱基组分及其长度。DNA加热到94℃或更高,将使所有的双股DNA变性成单股DNA。
在一定条件下,单股DNA可以通过碱基配对重新形成双DNA,被称为杂交作用,又被称为退火。杂交作用的效率受温度、DNA浓度、杂交作用时间以及DNA碱基组分等因素的影响。在DNA检测试验中,通常将受检DNA连接到尼龙薄膜或纤维薄膜等固体上,然后和特异性探针杂交;或是将探针连接到薄膜或微球上与受检DNA杂交。这些探针是单股DNA,是人工合成的寡核苷酸,长度一般在12~20个核苷酸。用于血型基因分析的探针多为序列特异性寡核苷酸探针(SSOP),它能够与特定序列的DNA片段结合。
基因克隆技术可以用来研究大片段DNA碱基序列。为取得足够数量的基因拷贝进行测序,被限制性内切酶切割的目标DNA或cDNA片段插入1个质粒或病毒载体,然后转移到细菌中,它们将随细菌的繁殖而扩增,得到数百万个拷贝。经过纯化后的质粒等载体,可以进一步用于基因测序。
聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)是在体外大量扩增DNA片段的快速方法,此方法可以将1个DNA片段扩增为上百万个拷贝。PCR需要下列材料:①耐热的DNA聚合酶,在高温时不被破坏。最常用的是Taq聚合酶;②纯化的DNA样板;③4种三磷酸碱基脱氧核苷酸(dATP,dCTP,dGTP,dTTP),它们是合成DNA的原料;④人工合成的寡核苷酸PCR引物。
PCR需要使用1对引物,它们连接在被复制的DNA两侧,与其方向相反的1股DNA杂交,因此2股DNA可以同时被复制。在5′端的引物,被称为正向引物,或编码引物;在3′端的引物,被称为反向引物,或非编码引物。引物序列必须与它们的靶序列完全互补。
PCR反应一般需要4个步骤:①DNA变性。DNA被加热到94~96℃,变性产生单股DNA样板;②引物退火。根据引物的变性温度Tm,降低反应温度,使引物与其序列匹配的DNA特异性地结合;③DNA的延伸。在72℃左右合成新的DNA;④然后循环重复①到③程序,一般进行30~40个循环,DNA片段被扩增几百万倍。
凝胶电泳通常被用于DNA片段的分离纯化和鉴定。凝胶本身是个基质,由于DNA带负电荷,在电场作用下DNA片段在凝胶介质中向阳极移动。移动速度与DNA片段大小相关。使用溴乙锭或其他化学试剂染色,可以用肉眼观察到凝胶层中的DNA片段。聚丙烯酰胺凝胶用于分离5~500bp的小片段DNA,琼脂糖凝胶用于分离200bp~50kb的大片段DNA。
测定DNA序列可以使用两种检材:①如果以RNA为检材,首先需要通过反转录制备互补cDNA,再以cDNA为模板通过PCR扩增,然后对扩增产物测序。或是将cDNA扩增片段克隆到载体后再测序,这样得到待测基因的编码序列;②如果以DNA为检材,可以直接通过PCR扩增特定基因片段,然后对扩增产物测序。如果将该扩增片段克隆到载体后测序,这样得到的是待测基因在基因组中的序列,即包含外显子和内含子的全部序列。与基因克隆测序相比,使用PCR产物直接测序比较简便。但是需要注意的是,除非使用单体型特异性引物做PCR扩增,否则PCR扩增得到的是2条单体型基因序列的总和。因此如果待测基因是杂合子时,难以确定哪条单体型带有突变基因。
由于绝大多数血型多态性都表现为SNP,因此检测SNP的分子生物学技术都适用于血型基因分型。目前已报告的方法多以PCR为基础,所不同的只是在于PCR引物设计以及检测PCR产物的方法而异。
此技术采用序列特异性引物(SSP)作PCR扩增。SSP的3′端具有独一无二的序列,在退火时只能与某特定等位基因结合,因此能够特异性地扩增该基因片段,然后通过凝胶电泳或酶联反应等方式检测PCR产物。PCR-SSP技术具有简便快速等特点,大部分红细胞血型基因分型、血小板HPA基因分型、粒细胞HNA基因分型和HLA基因分型均可采用此技术。
使用实时(real time)PCR扩增仪,结合使用荧光标记的SSP引物,可以测定PCR反应过程中荧光强度的变化,根据熔解温度曲线可以检测特定的等位基因。此法又被称为TaqMan分析,具有敏感度高,可自动记录分析结果等特点。胎儿血型的产前鉴定常用此方法。
此方法的第1步是使用PCR扩增某段待检基因,然后通过与序列特异性寡核苷酸探针(SSOP)杂交来鉴定相应基因。杂交反应可以在尼龙薄膜、玻璃或塑料片等固体支持物上进行,通过化学显色或软片显影显示出杂交结果。
在此方法中SSOP探针和微球偶联,1次反应最多可同时检测100多种指标,可以鉴定100多个等位基因。Luminex技术被用于HLA高分辨分型,HPA基因分型等方面。
如果SNP序列改变涉及限制性内切酶的识别位点,不同基因型个体DNA被酶切后将得到长度不一的片段,被称为限制性片段长度多态性(RFLP)。使用PCR扩增待检基因片段后,用特定的限制性内切酶水解,然后凝胶电泳分离被酶解的DNA片段,根据这些片段的分布格局指定相应的基因型。
PCR-测序分型(PCR-SBT)可以提供更精确的DNA碱基序列信息,并有可能发现新的等位基因。为取得足够数量的基因拷贝用于测定序列,受检基因组DNA样品一般先用PCR扩增,然后对扩增的DNA模板测序。普遍使用的是Sanger双脱氧核糖核苷酸测序方法。PCR-SBT的缺点是可能产生模棱两可分型结果。
该技术采用微乳液PCR或桥式PCR等方法获得测序模板,DNA片段的PCR扩增产物聚集在微珠的表面,不需要电泳之类的物理分离方法来区分碱基序列。二代测序技术允许检测单独1条单体型的DNA序列,因此用于HLA基因分型时可以避免模棱两可的分型结果。
使用PCR扩增和分子克隆技术,将待测基因克隆到载体后再测序,每个克隆只含有1条单体型的基因片段。此法优点是不存在模棱两可的测序结果,缺点是比较费时费力,因此一般只用于鉴定新发现的等位基因。
表3-7摘要描述35个血型系统基因的一般特性,包括基因符号、在染色体上的位置、外显子组成,GenBank中的基因编号、mRNA和参考基因的编号,在网页上可以查到相关信息[33-35]。根据目前资料,产生血型基因多态性的机制大致可以归为10类,在表3-7中用数字1~10表示。数字1代表最常见的单核苷酸取代产生的SNP,比如编码红细胞Lua和Lub、Aua和Aub、K1和K2、Jka和Jkb、Dia和Dib,以及Doa和Dob等所谓对偶抗原的等位基因之间,都是由于1个碱基取代而产生;数字2代表缺失,最典型的例子是白种人中RhD阴性个体缺失整个RHD基因;数字3表示存在插入1个或多个核苷酸碱基。比如在黑种人中,RHD基因内含子3和外显子4之间有1段37bp的插入片段,导致产生RhD阴性表型;数字4代表基因重复作用,比如C4A和C4B基因之间的不等交换使1条单体型带有重复的C4A基因片段;数字5代表基因重排。比如Gerbich血型基因含有的4个外显子,通过重排产生新的基因型和新的表型;由于信息RNA剪接位点突变产生的多态性用数字6表示;在MMS和Rh血型系统中常见的基因重组和基因转换作用分别用数字7和8表示;数字9代表不等重组作用;由于转录产物不同产生的多态性用数字10表示。
无效型个体的红细胞表面不表达相应抗原。产生无效型的机制包括:①转录突变。比如在表型Fy(a-b-)的黑种人中,由于红细胞转录因子GATA中-46位置上T→C突变,改变增强子GATA结合位点,结果不产生Duffy蛋白;②表型S-s-、Gy(a-)、Dr(a-)等缺失型的产生,是由于转录过程中剪接位点核苷酸突变,使部分或全部外显子被跳过;③由于碱基缺失、插入或取代作用,导致阅读框架移位而产生终止信号,不能产生完整的蛋白质。比如ABO血型中的O基因,由于外显子6中261位置上单核苷酸缺失,导致产生终止信号,不能产生完整的ABO转移酶;④表型Rhnull、Ko、McLeod是由于核苷酸错义突变而改变了氨基酸序列;⑤表型Co(a-b-)是由于错义突变而降低蛋白质的表达;⑥Rh血型中的RhD缺失型是由于基因交换或基因转换而产生;⑦Kell和Ge抗原弱表达涉及蛋白相互作用,它们分别缺少Kx和4.1蛋白;⑧由于修饰基因的作用,产生Lu(ab-)、Jk(a-b-)等表型。
ABO基因位点位于第9号染色体9q34.1~34.2位置,跨越19.5kb。cDNA长度为1062bp,编码354个氨基酸,含有7个外显子。到2016年10月为止,已被命名的ABO等位基因数达到381个,绝大多数是根据外显子6和外显子7的序列而命名。一般而言,通过血清学方法检测出来的ABO变异体,都有各自的分子基础,目前有关这方面的报道仍在不断增加。其中发现特别的基因突变可以改变ABO表型,比如在1个日本家庭中母亲的表型为B,基因型为B101/O01,由于基因内重组产生杂交基因,该杂交基因和A104等位基因序列相同,对应表型是A型。该B型母亲和O型丈夫生出了表型为A型的孩子。虽然发生这类突变的机会很低,但是提示在亲子鉴定中应该注意不能排除B型和O型婚配产生A型孩子的可能性[36]。
Rh血型受控于RHD和RHCE 2个基因,分别编码RhD和C、c、E、e抗原。每个基因都含有10个外显子,在染色体上3′端以相对方向排列,中间被一个大约30kb的SMP1(小膜蛋白1)基因隔开(图3-5)。RHD基因和RHCE基因的长度分别为57 931bp和67 884bp,98.3%的碱基序列相同。差异最大的序列在内含子4区域,RHCE基因比RHD基因多1个600bp的片段。RHD基因的上游和下游分别有1个9kb长的Rh盒(Rh Box),它们98.6%的序列类同。到2016年10月为止,已检测出154个RHCE等位基因和228个RHD等位基因,涉及的序列变异位点分布在全部外显子,因此鉴定Rh血型变异体的分子基础,需要测定编码区的全部序列。
RHD和RHCE基因在染色体上紧密连锁,而且碱基序列非常类似,因此在基因复制过程中很容易产生基因转换作用。其中1个基因的若干碱基、单个或多个外显子与另一基因交换产生杂交基因,产生带有部分RhD和部分RhCE抗原的杂交蛋白分子。比如编码部分D抗原DBT1基因,外显子1到4和8到10来自RHD基因,而外显子5、6和7来自RHCE基因。
几乎所有白种人RhD阴性个体都缺失整个RHD基因。缺失片段是在两个Rh盒的1463bp位置之间,结果产生由部分上游和部分下游Rh盒片段组成的杂交Rh盒。在黑种人RhD阴性个体中,70%左右带有RHD假基因,该基因的内含子3和外显子交界处存在37bp的插入片段,使阅读框架位移产生终止信号,结果无转录产物;15%左右是缺失全部RHD基因;另外15%左右是RHD-CE-D杂交基因。在东方人中,60%~70%的RhD阴性个体一般都带ce基因,但是缺失RHD基因;30%左右带有不完整的RHD基因,这些个体都带有C基因和至少1个RHD基因外显子;其余包括RHD-CE-D杂交基因等。
沉淀分离细胞膜Rh抗原时,CD241蛋白(Rh50糖蛋白)总是和Rh抗原一起沉淀,故又被称为RhAG蛋白。编码RhAG蛋白的基因位于第6号染色体,基因结构类似RHD和RHCE基因,含10个外显子。由于Rh血型抗原在细胞膜上的表达必须存在RhAG糖蛋白,故RHAG基因曾被认为是Rh血型家族的一员。RHAG失活突变基因纯合子个体,是造成Rhnull无效型的主要原因。带有该突变基因个体的红细胞呈圆形,伴有慢性溶血型贫血,被称为Rh缺失综合征。因此对Rh无效型的基因分析,应该包括对RHAG基因序列分析。
RHC和RHc基因特异性碱基序列首先在白种人中得到阐明。突变碱基位置涉及外显子1的第48位和外显子2的第178、203和307位。在血清学表型为Rhc的群体中,第48位上的碱基因种族而异。100%的白种人是G;中国人大约66%为G,34%为C;74%的黑种人是碱基C,26%是碱基G。这些结果再次显示同一种血清学表型,在不同的种族群体中可能有不同的分子基础。因此在基因分型中,如果单独根据第48位上的碱基来指定RHc基因,显然不够可靠。对不同种族的RHC和RHc基因序列分析发现,RHC基因的内含子3区域存在1段109bp的插入片段,因此在RH基因分型中,可以利用这个特点来区分RHC和RHc基因。
比较白种人RhD阴性和RhD阳性单体型基因结构发现,RhD阴性单体型不仅缺失整个RHD基因,而且缺失上游Rh盒和下游Rh盒的部分片段,这两个缺失的Rh盒连接产生杂交Rh盒。杂交Rh盒和RhD阳性单体型上的Rh盒碱基序列差异可以通过基因分型技术加以辨别,这为鉴定RhD阳性个体的基因型提供了有力工具,也成为RhD新生儿溶血病产前诊断基础。最近发现杂交Rh盒也存在变异体,其结构因种族和不同的等位基因而异,因此在做RHD杂合性鉴定时需要考虑种族背景而区别对待。
鉴定红细胞直接抗人球蛋白试验阳性和具有多凝集作用红细胞的血型,通常都会遇到麻烦,在这种情况下可以使用基因分型技术鉴定血型。对于新近输血患者或多次输血患者,由于外周血中含有供者的血液细胞,使用经典的红细胞凝集试验不能正确鉴定血型,可以使用基因分型方法鉴定[37]。
无效型个体比较少见,通常是在患者已经产生抗体后才被发现,这些抗体一般对应高频率抗原。现在可以在输血前对患者做无效型基因检测,确认患者是否是无效型,以避免输血后产生抗体。
筛选罕见血型供者需要大量标准抗血清,在缺少相应抗血清的情况下,可以使用DNA分型技术进行筛选。比如使用PCR-SSP技术,已经成功地在中国人中筛选到Do(b-)和Di(b-)等罕见表型供者[38,39]。
为了解决造血干细胞移植中的供者细胞来源问题,自20世纪80年代末起,在世界范围内建立了无关供者骨髓库和脐带血库。
早期的HLA分型采用血清学方法,现已完全被DNA基因分型方法所取代[40]。
选择HLA和HPA配合的血小板输注,是避免输注血小板无效的方法之一。鉴定HPA抗原的标准抗体来源非常少,不可能使用血清学方法去筛选合适的供者。由于HPA基因分型方法已经建立,可以大规模地筛选和建立已知HPA型的血小板供者库。
使用高灵敏度的PCR扩增技术,可以鉴定胎儿的RhD、Rhc、RhE、K,Fya和Jka等血型基因[41]。
在经典免疫学方法中,一般使用完整的细胞或纯化的抗原蛋白免疫动物制备红细胞血型抗体。早在20世纪90年代初就观察到使用含有编码特定蛋白质基因的质粒DNA免疫动物,可以诱导产生体液和细胞介导的免疫反应,同时产生相应抗体。根据这一原理,使用含有编码Kell基因的质粒DNA免疫小鼠,制备出抗-K,抗-k以及抗Kpa等单克隆抗体[42]。由于克隆1个单独基因比纯化抗原来得方便,故为制备单克隆抗体提供了新途径。
患者血清中的抗体鉴定是临床输血前的常规工作,需要1组血型已知的标准红细胞。为了克服罕见抗原红细胞来源以及保存期等限制,可以将特定红细胞血型基因克隆到表达载体,然后转染到小鼠等异种或人类细胞株中并获得稳定表达,制备“人造标准细胞”。这些细胞表面带有单一的红细胞血型抗原,可以用来鉴定血清中的特异性抗体,其敏感程度相当于常规标准红细胞。已报告的血型抗原包括Kell,Duffy和Knops等血型[43]。
根据国际输血协会(ISBT)的定义,红细胞血型是指使用人类同种抗体检测的红细胞表面抗原,它们是由基因所决定的一种遗传性状[19]。红细胞血型抗原的名称,最初一般由发现者自行命名,直到1982年ISBT给予统一的数字命名。到2017年7月为止,被ISBT认可的红细胞血型抗原总数为346个,其中308个分属36个血型系统,其余38个抗原尚未被归类(表3-8),它们受控45个基因和1802个等位基因[33,34]。ISBT将血型命名分为4大类:①血型系统:指被单独1个位点,或2个及2个以上紧密连锁位点上的基因所编码的抗原;②血型组:由若干个在血清学、生物化学或遗传学上有关的血型抗原组成,尚未达到可以定义为“系统”的抗原。目前有编号为205,207,208,209,210和213等5组;③700系列低频率血型抗原:它们的抗原频率小于1%(表3-9);④901系列高频率血型抗原。它们的抗原频率大于90%(表3-9)。
36个血型系统基本特征摘要(表3-10)。根据临床输血产生红细胞血型抗体的情况,血型系统的临床重要性大致可以分为以下4类:①通常具有临床意义:ABO,Rh,Diego,Duffy,Kell,H,Kidd,P1PK和Ss系统;②在某些情况下具有临床意义:Colton,Cromer,Dombrock,Gerbich,Indian,Landsteiner-Wiener,Scianna和Yt系统;③如果相应抗体在37℃不反应无临床意义,如Lutheran和MN等系统;④通常无临床意义:Chido/Rodgers,JMH,Knops和Xg等系统[32]。
红细胞血型基因产物有糖基转移酶和糖蛋白等2种。除了Lewis和Ch/Rg抗原是红细胞从血浆等体液中吸附获得之外,其余33个血型系统的抗原都是红细胞表面特有的。血型抗原决定簇的化学成分可以分为2大类,ABO、P1PK、Lewis、H、I和GLOB血型抗原特异性取决于多糖链的结构;其他血型系统的抗原特异性与抗原蛋白质的结构有关,即取决于蛋白质的氨基酸序列。携带血型抗原的分子、氨基酸残基数以及基因库中相应蛋白质的注册号等信息(表3-11)。
蛋白类抗原大致可以分为5种类型(图3-6):①Ⅰ类分子的蛋白多肽N末端在细胞膜外。Y代表连接在多肽链上的一个或数个O型链或N型链多糖;②Ⅱ类分子的蛋白多肽N末端在细胞膜内;③Ⅲ类是多次穿跨细胞膜的蛋白分子,在表3-11中用M表示。M后面数字代表穿跨次数。除了Duffy抗原蛋白分子的N末端在细胞膜外,其他Ⅲ类分子的N末端都在细胞膜内;④第4类蛋白分子多肽链不穿跨细胞膜,而是通过糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol,GPI)固定在细胞膜上。蛋白分子的C末端通过葡糖胺-多糖-乙醇胺桥,和磷酸化和酰化的丙三醇分子连接在细胞膜上;⑤Ch/Rg抗原以及Lewis抗原是血浆中的可溶性抗原,被吸附到红细胞膜上。
天然抗体指在没有已知免疫刺激情况下天然存在人体中的抗体,比如最常见的ABO血型系统中的抗A和抗B抗体。在Hh,Ii,Lewis,MN和P等血型系统存在天然抗体情况比较多见。天然抗体大多数为IgM,偶见IgG。血液中的IgM冷凝集素也属于天然抗体,其最佳反应温度是室温或更低,在37℃能够活化补体产生溶血能力。免疫抗体是由于输血、妊娠等同种免疫作用产生的抗体,大多数红细胞免疫抗体为IgG类型,最适反应温度为37℃。在Rh,Kell,Duffy,Kidd和Ss等血型系统中发现的抗体多为免疫抗体。在血清中可以同时存在特异性相同的IgM和IgG抗体。比如尽管每个人血清中都有IgM类型的ABO抗体,但是某些产妇血清可以有同种免疫产生的IgG抗-A和IgG抗-B,这些抗体可以通过胎盘进入胎儿血液循环造成ABO新生儿溶血病。虽然目前已经检测出35个血型系统,但是相应抗体对于临床输血和新生儿溶血病的意义不尽相同,有的没有临床意义(表3-12)[32]。
IgM类型的血型抗体,可以在0.9%氯化钠溶液(生理盐水)中凝集相应红细胞,被称为完全抗体或盐水抗体。IgG类型抗体分子比较小,在生理盐水介质中一般只能致敏相应红细胞,不产生凝集反应,被称为不完全抗体。IgG抗体通常需要借助抗人球蛋白试剂,或使用蛋白酶处理红细胞后才能显示出红细胞凝集现象。表3-13列出一些主要血型抗体的特性。在含有IgG和IgM抗体的血清或血浆中,使用DTT或2-ME处理可以去除IgM抗体活性,只保留IgG抗体活性。因此可以用来区分IgG和IgM血型抗体。
红细胞血型是根据细胞和相应抗体的凝集反应来鉴定的。从使用的检测器材来分,有玻片法、试管法和凝胶卡法等;从检测技术上可以分为直接凝集方法和间接凝集方法。IgM抗体分子比较大,可以跨越悬浮在生理盐水中的红细胞,直接引起红细胞凝集。IgG分子较小,不能直接凝集红细胞,但是可以与红细胞表面抗原结合,然后加入第二抗体抗球蛋白试剂,间接地使IgG致敏的红细胞凝集在一起,这个技术又被称为抗球蛋白试验(Coombs试验)。在反应介质中加入牛血清白蛋白、聚乙烯乙二醇(PEG)、聚凝胺、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和鱼精蛋白等可以降低红细胞ζ电位,增强抗人球蛋白凝集反应的强度。使用低离子强度溶液(LISS),也可以降低红细胞ζ电位,允许抗体更有效地与红细胞抗原结合,减少孵育反应的时间。使用蛋白水解酶去除红细胞表面携带负电的神经氨酸残基或糖蛋白,可以增强对某些抗原的反应,但是需要注意酶处理可能会破坏或降低对其他抗原的反应(表3-14)。
ABO血型抗原特异性是由红细胞表面ABH物质的多糖链结构所决定,不是ABO基因的直接产物,ABO基因产物是糖基转移酶。为数众多的ABO等位基因编码的酶,具有不同的特异性和活力,它们合成的A、B抗原强度以及特异性也有所不同。由于ABO基因序列差异产生的变异体大致上可以分为3类:①正常A基因编码的A糖基转移酶,产生常见的A1表型抗原。A等位基因编码的转移酶产生一系列抗原性减弱的A亚型抗原;②正常B基因编码的B糖基转移酶,产生常见的B表型抗原。B等位基因编码的转移酶产生一系列抗原性减弱的B亚型抗原;③A和B基因相互作用产生的等位基因,它们编码的转移酶同时具有A酶和B酶两种特异性,因此在红细胞表面上产生强度不一的A和B抗原,表现出B(A)、A(B)和cis-AB等表型。这类罕见等位基因通常是在和O基因组成的杂合子个体中被发现,因为在和A或B基因组成的杂合子个体中,这些等位基因的表达将被掩盖。
ABO血型是临床输血中最重要的血型系统,最常见的有A型、B型、AB型和O型等4种表型。鉴定ABO血型有正定型和反定型等2种方法。在正定型中,使用抗A和抗B标准抗血清和受检者红细胞做凝集反应,根据红细胞凝集与否判断血型。
正常人体血清中存在天然抗A和天然抗B抗体。A型个体血清含有抗B抗体;B型个体血清含有抗A抗体;O型个体血清含有抗AB抗体;AB型个体血清不含抗A和抗B抗体。抗A和抗B抗体可以有IgA,IgM和IgG等类型,它们的血清学特征不尽相同(表3-15)。使用受检者血清和标准A型和B型红细胞做凝集反应,根据凝集情况也可以判断ABO血型,被称为反定型。
根据红细胞与抗血清或血凝集素的反应强度、血清中抗体以及唾液等分泌液中血型物质的存在情况,ABO血型又可以进一步分为A亚型和B亚型。除了表3-16和表3-17列出的A亚型和B亚型之外,已经报告的A弱表型还有Afinn和Aw;B亚型还有B[13]。
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ABO、H和Lewis血型系统和ABH物质的表达密切相关,它们受ABO、FUT1、FUT3和FUT2等4个座位上基因的影响。这4个基因分别编码ABH抗原、Lewis抗原以及ABH分泌型。ABH抗原不仅在红细胞表面表达,而且还存在于血清、唾液、胃液、精液、腹水和卵巢囊肿等体液中。ABH物质分泌受基因Se和se控制。
ABO、FUT1、FUT2和FUT3基因的产物都是糖基转移酶,它们依次作用前身物多糖R,产生抗原特异性的多糖结构(图3-7)。在Lewis系统中的Le基因作用下,可以直接从前身物多糖合成Lea抗原,从H物质合成Leb抗原。FUT1座位上H缺失型基因h,产生孟买型(Bombay phenotype)或类孟买型(Bombay-like phenotype)。FUT2座位分泌型Se基因的缺失型基因se,产生非分泌型。ABO座位上的缺失基因O,不能产生具有活力的转移酶,故O型个体只带有H抗原,而无A和B抗原。红细胞表面上Lewis抗原是从血浆中吸附获得,其表型由FUT2和FUT3两个座位上的基因所决定。Le基因缺失型(le)不产生Lewis物质。
FUT1基因编码H转移酶,合成红细胞上和分泌液中的H物质。H基因缺失型纯合子个体,不能合成H抗原,表型为孟买型Oh。某些个体带有突变的H基因,导致酶活力减弱,表现为类孟买型。这些个体的分泌液表现出分泌型或非分泌型。突变机制包括碱基取代和缺失。表3-18描述H缺失型的一些特征[13]。
ABH分泌型表型Se受控于FUT2基因。目前已检测出60余个等位基因,他们编码非分泌型表型se和部分分泌型表型Sew。最早在白种人中检测出的非分泌型基因,是由于G428A突变导致产生终止信号,不能编码完整的H转移酶分子,因此在分泌液中无H物质。而后在其他群体中发现大量非分泌型等位基因,其形成机制包括单核苷酸碱基取代,碱基或外显子缺失,以及杂交基因等。所有这些突变都导致H转移酶活力减弱或失活。FUT2基因只含1个外显子,通过测序分析检测基因突变相对简便。
FUT3基因编码Lewis转移酶。在所有人种中Le基因频率在0.5~0.7之间。红细胞表型Le(a-b-)的遗传基础,多涉及编码Lewis转移酶催化功能域的基因突变。在目前已检测出的40余个le等位基因中,最常见的突变是Leu20Arg。亚洲和中国人中常见突变还有Gly170Ser和Lle356Lys。
根据对Rh抗原及其遗传位点的不同解释,Rh抗原有3种不同的命名方法。美国学者Wiener认为Rh抗原受控于1个遗传位点,该位点上的等位基因决定细胞表面的Rh凝集原,而每个凝集原又是由若干个因子所组成。英国学者Fisher和Race认为Rh抗原表型由3个紧密连锁的遗传位点决定,每个位点上有2个等位基因。这2个学派分别使用Rh-Hr命名法和CDE命名法。1962年Rosenfild根据Rh抗原血清学反应格局引进数字命名,表3-19为部分Rh抗原的3种命名比较。目前已知的全部Rh抗原命名(表3-8)。由于CDE命名法比较简单,故被广泛使用。1986年Tippett曾提出Rh血型受控RhD和RhCE2个紧密连锁位点的假说,在Rh血型基因被克隆后得到证实。这2个位点都含有10个外显子,外显子区域DNA序列变异导致产生Rh抗原的血清学多态性。
Rh血型是仅次于ABO血型与临床输血密切相关的血型。Rh血型抗原活性,由红细胞表面上的Rh蛋白和Rh相关糖蛋白组装而成的复合物所决定。它们分别受控于1号染色体上2个紧密连锁的RHD和RHCE基因,以及6号染色体上的RHAG基因。Rh抗原由30多个表位镶嵌而成。使用血清学方法检测出的Rh血型抗原有50多种。常见抗原有C、c、E、e和D等5个。RhD抗原具有较强的免疫原性。由于D抗原不合,输血和妊娠可以产生Rh抗体,溶血性输血反应,以及新生儿溶血病,因此鉴定RhD表型被列为临床输血检验常规。红细胞表面携带RhD抗原的个体,被称为Rh阳性;不带有RhD抗原的个体,被称为Rh阴性。Rh阴性个体的比例因种族群体而异。在白种人中约占15%,在黑种人中占8%,在中国汉族人群中占0.4%~1%,维吾尔族中占6%左右[13,82]。
红细胞表面RhD抗原数因表型而异:①常见表型每个红细胞带有1万~3.3万个抗原;②罕见的Rh缺失型(Rhnull,Rhmod),红细胞不带D抗原,它们与RHAG、RHCE基因突变相关;③不表达RHCE位点抗原的D-表型,其红细胞表面D抗原数可增高到7.5万~20万,其分子基础与RHCE基因突变相关;④D抗原数量减少的变异体,每个红细胞携带的D抗原介于200~1万[32]。
通常使用5种抗血清检测Rh抗原,有18种可能的表型(表3-20),对应36种可能的基因型。RHD和RHCE遗传位点紧密连锁,常见单体型有8种。不同种族群体Rh单体型频率差异甚大(表3-21),中国南方人和北方人之间也有明显差异[13,82]。在RhD阴性的中国人中,约60%缺失RHD基因,25%携带不完全RHD外显子,15%只携带1个RHD外显子[83]。
根据红细胞与IgM抗D抗体的凝集反应强度,以及RHD基因突变位点所在位置,D抗原变异体表型大致分为弱D(weak D)、部分D(partial D)和DEL(Del)等3类[84,85]。
弱D型曾被称为Du型。弱D抗原的原始定义是需要用间接抗球蛋白试验才能检测出来的D抗原。带有弱D抗原个体红细胞表面D抗原数量减少,抗原质量未变。接受D阳性红细胞输注一般不产生抗D抗体。弱D个体的RHD基因至少含有1个碱基突变,突变的碱基位置位于D抗原分子的细胞膜层或细胞膜内。中国人中最常见的弱D型是弱D型15,该型个体的RHD基因外显子6中发生845G>A碱基突变[84]。在D变异体分类中,有人将弱D型15归为部分D。目前已检测出50多个弱D型等位基因。
Rh抗原分子由多个表位镶嵌而成,使用同种或单克隆抗体已检测出30多个表位。部分D型曾被称为category型,这些个体红细胞缺少某些RhD表位[85]。和正常D抗原相比,抗原的质量发生变异,因此和某些抗D抗体试剂不发生凝集反应。RHD基因内单核苷酸和多核苷酸碱基取代,以及RHD和RHCE交换重组产生的RHD-CE-D杂交基因,都可以导致产生部分D表型。与弱D型不同的是,部分D型中所改变的氨基酸一般位于Rh抗原分子细胞膜外的部分,因此表现出强抗原性。这些个体接受正常RhD阳性血液,可以产生针对所缺少表位的抗体。实际上某些部分D型是在抗体产生后才被识别。
DEL是一种罕见的Rh型,常见亚洲人。DEL型红细胞表面D抗原数量比弱D型还要少,而且质量上也有所变化。只能使用吸收放散方法检测出D抗原。由于间接抗球蛋白检测也呈阴性,因此易被误定型为RhD阴性。通常只有在RhD阴性个体接受DEL红细胞后产生了D抗体,DEL型才被识别。DEL型的分子基础包括RHD基因内单核苷酸碱基突变,核苷酸片段插入和缺失,以及RHD基因剪接位点突变等。在中国人RhD变异体中以DEL型居多。而在DEL型中,绝大多数等位基因是RHD(K409K)或称为1227A。携带该基因个体的RHD基因内含子9剪接点5′端发生G>A突变,核苷酸位置1127发生G>A碱基取代。虽然409位置氨基酸未改变,但是剪接点突变导致产生不正常的D抗原。其他DEL型主要是缺失1013bp片段,包括内含子8、9和外显子9。由于DEL型并非真正的RhD阴性,因此对于中国人RhD阴性血液供者,需要通过基因分型排除DEL型[84]。
其策略是:①弱D型个体带有完整的D抗原,一般认为它们对RhD阳性血液和RhD阳性胎儿的免疫刺激不会产生抗D抗体。早期资料表明,90%的白种人弱D型不产生抗D抗体,因此可以作为RhD阳性供者,也可以接受D阳性血液。对生产RhD阳性婴儿的RhD阴性产妇,也不必注射抗D免疫球蛋白。但是最近发现例外,在亚洲人群中最常见的弱D型15,以及白种人中最常见的弱D型1,都可以产生抗D抗体,因此相应的输血策略需要重新评估。②部分D型血液能够刺激RhD阴性个体产生抗D抗体,因此作为血液供者时被标记为RhD阳性。由于他们的D抗原缺失某些表位,在接受输血时被作为Rh阴性处理,接受RhD阴性血液,RhD的阴性产妇在生产RhD阳性婴儿后将给予抗D免疫球蛋白处理。③DEL型通常被鉴定为RhD阴性,估计10%~13%的亚洲D阴性个体曾接受DEL血液。Daniels等认为凡是与单克隆IgM抗-D明确为阳性反应者,鉴定为D阳性;如果受检者红细胞与不同来源抗-D反应强度明显差异,在D抗原状况被彻底查明前,该受检者作为Rh阴性处理。对于RhD变异体个体,既要警惕他们血液可能使受血者产生抗体,又要避免不加区分地给他们输注RhD阴性血液[86]。
目前商品RhD血清学分型试剂还不能检测全部D变异体,采用DNA分型检测D变异体已成为一项辅助工具。由于大多数D变异体都表现为单核苷酸多态性,检测SNP的分子生物学技术都可以检测RhD变异体。根据中国人RhD阴性群体基因结构的特点,检测和筛查常用程序如下:①对于与IgM抗-D反应为阴性的个体,先与抗RhC抗体反应,分为RhC抗原阴性和RhC抗原阳性两大组。②对RhC抗原阴性组个体,先检测Rh盒基因片段。如果只带有杂交Rh盒,可以鉴定为缺失RHD基因,即真正的Rh阴性;如果带有杂交Rh盒和下游Rh盒,再做弱D表型基因分型检测。③对于RhC抗原阳性个体,先做DEL表型血清学和基因分型检测。排除DEL表型后,再检测RHD外显子1和外显子10。如果带有两者,继续检测RHD基因其他外显子和内含子;如果发现缺失某些外显子,提示可能带有RHD-CE杂交基因。对于不带有外显子1和10的个体,做弱D表型基因分型检测。④测序分析作为最后的检测手段[85]。
在MNS血型系统中已检测出40余个抗原,相关的血型糖蛋白分子受控于3个连锁基因,在染色体上按5′-GYPA-GYPB-GYPE-3′顺序排列。GYPA含有7个外显子;GYPB含有6个外显子,其中一个是假基因;GYPE含有6个外显子,其中2个假基因。由于GYPA和GYPB基因序列约95%相同,因此容易产生杂交基因,这是造成MNS系统存在大量抗原的主要原因。一些主要抗原的分子基础为:①MN抗原特异性由血型糖蛋白GPA分子1~5位置上的氨基酸序列所决定。M抗原分子序列为Ser-Ser-Thr-Thr-Gly,N抗原分子为Leu-Ser-Thr-Thr-Glu。由于GYPA和GYPB基因连锁,它们可以产生MS、Ms、NS和Ns等四种单体型。②Ss抗原特异性由血型糖蛋白GPB分子所决定。值得注意的是,除了缺失型外,所有的GPB分子1~5位置上氨基酸序列都是Leu-Ser-Thr-Thr-Glu和N抗原特异性一样。为了区别起见,将GPB分子上的N抗原指定为N′抗原。作为分型用的抗N血清,只与GPA分子上的N抗原决定簇反应。③MNS系统包含大量低频率抗原,其中少数是由于GPA和GPB分子上的氨基酸取代,大部分是GPA和GPB形成的杂交分子,它们受控GYPAGYPB杂交基因。④罕见的En(a-)表型是由于缺失GYPA外显子2~7以及GYPB基因的外显子1,形成GYP(A-B)杂交基因。该杂交基因纯合子个体表现为En(a-),不产生GPA,只有GPB。⑤表型Mk缺失GYPA外显子2~7、整个GYPA编码区以及GYPE基因外显子1,形成GYP(A-E)杂交基因。
目前检测出Pk,P和P1等3个抗原,它们的表位是指连接的直链碳水化合物,由1个共同前体通过糖基转移酶的顺序作用合成。这些抗原的组合及其存在或不存在的相互作用来定义该系统的5种表型。P2型表示不存在P1抗原,p型表示不存在Pk、P和P1抗原。
已被鉴定命名的抗原有20个,基本上都是单核苷酸碱基取代产生的变异体。其中4对抗原表现为对偶关系:Lua和Lub;Lu6和Lu9;Lu8和Lu14;Aua和Aub。罕见的Lu(a-b-)表型,又称为无效型Lunull,是C733A突变纯合子,该突变导致终止信号而不能产生完整的Lu抗原分子。
这两个血型系统抗原的表达密切相关。已检测出的Kell血型抗原有34个,主要由于单核苷酸碱基取代而产生。与临床输血和新生儿溶血病相关的抗原包括K,k,Kpa,Kpb,Jsa和Jsb等。表型为K-k-、Kp(a-b-)的红细胞记为Ko型。其分子基础包括单核苷酸取代产生终止信号,以及内含子5′剪接点突变不能正常转录。Kx血型受控X染色体连锁的基因XK。在红细胞表面上,Kx蛋白分子和Kell蛋白分子通过二硫键连接成为复合体。因此如果红细胞缺少Kx抗原,将极大减弱Kell抗原的表达。McLeod综合征(MLS)个体红细胞表现为McLeod型,MLS是由于XK基因突变所产生,突变机制涉及部分外显子或整个基因缺失,或内含子剪接点碱基取代。
Fya和Fyb是最常见的2个等位基因。绝大多数黑种人表现为Fy(a-b-),该表型受控于Fy等位基因。Fy和Fyb基因编码区的序列完全相同,可是在FY基因增强子序列中存在1个碱基取代,导致不能正常转录产生Duffy蛋白。Duffy抗原是多种趋化因子受体(DARC)。早就注意到黑种人对间日疟有抵抗作用,间日疟原虫是传染该病的病原体。疟原虫裂殖子入侵红细胞时是以Duffy抗原作为受体,由于Fy(a-b-)表型个体红细胞表面缺少Duffy抗原,故可以抵抗间日疟原虫感染。体外试验也表明疟原虫裂殖子不能入侵Fy(a-b-)红细胞。
Kidd糖蛋白是红细胞尿素转运子,常见的Jka抗原和Jkb抗原为对偶关系,受控于Jka和Jkb等位基因。JK3抗原曾被称为Jkab和JkaJkb抗原,抗Jk3抗体来自1名无输血史的男子,JK3抗原的分子基础未知。罕见的Kidd无效型Jk(a-b-),是由于碱基取代、部分外显子缺失等机制产生。在浓度为2M的尿素溶液中,带有常见Kidd抗原的红细胞在1分钟内会溶血,而表型Jk(a-b-)红细胞至少需要30分钟才发生溶血,据此可以采用2M尿素筛选Jk(a-b-)红细胞。
Diego系统含有Dia和Dib、Wra和Wrb等2对对偶抗原,以及至少17个低频率抗原,SNP是产生多态性的分子基础。Diego抗原位于红细胞膜带3蛋白分子上,该蛋白是阴离子交换器,在红细胞膜上穿越14次。如果红细胞缺失全部带3蛋白,将产生Diego无效型。由于缺失带3蛋白被认为是致死性的,故尚未见Diego缺失型报告。在亚洲人群中Dia抗原频率较高。
Yt抗原是红细胞表面上的胆碱酯酶,Yta是高频率抗原,Ytb抗原罕见,两者为对偶关系,由1个碱基突变而产生,未见Yt缺失型报告。
XG系统含有Xga和CD99等2个抗原。控制Xga抗原的基因XG位于X染色体Xp22.33,是至今所知唯一伴性遗传的血型。CD99是细胞表面糖蛋白,属于T细胞黏附蛋白,受控于Xp22.33和Yp11.2区域的MIC2基因。
人类红细胞膜蛋白携带SC血型抗原,目前检测出4个抗原。Sc1和Sc2为对偶抗原,Sc1为高频率抗原。Sc3抗原存在表型Sc:-1,-2,-3以外的所有人群中。Sc4抗原曾用名Rd抗原,抗原频率小于0.01%,相应抗体来自新生儿溶血病患者母亲。
DO血型系统至少检测出5个抗原和3个无效型。Doa和Dob是2个对偶抗原。Gya抗原属于高频率抗原,相应抗体来自DO无效型Gy(a-)个体。几乎所有人都携带Hy抗原和Joa抗原。
CO血型抗原位于红细胞上的水通道蛋白1(AQP1)分子上,美国学者Peter Agre因发现红细胞水通道蛋白而荣获2003年诺贝尔化学奖。Colton血型系统含有高频率的Coa抗原,及低频率的对偶抗原Cob。该系统的另一个高频率Co3抗原,相应抗体来自罕见的Co(a-b-)表型个体,该表型受控于无效等位基因Conull。CO无效型个体带有尿液浓缩功能缺陷、肺血管渗透性降低等症状。
该血型最初在1940年,由Landsteiner和Wiener使用人红细胞免疫家兔获得的“抗Rh抗体”所检出。1963年发现该抗体检测出来的LW抗原和Rh血型相互独立,不属于Rh血型系统。为纪念该血型抗原发现者被命名为LW血型。LW血型含有LWa和LWb2个对偶抗原,LWa是高频率抗原。LW(a-b-)型罕见,其中1例是LWa基因外显子1中缺失10个碱基的纯合子。
CH/RG血型受控于2个高度同源性的紧密连锁基因C4A和C4B,位于第6号染色体上的主要组织相容性复合物Ⅲ类区域。不同单体型携带不同数量的基因,某些个体可能缺乏C4A或C4B基因。Ch和Rg抗原不是红细胞表面的结构组分,是血浆中的补体组分C4B和C4A被吸附到红细胞表面上所致。目前已经检测出9个抗原,其遗传多态性是由于多位点SNP所造成。通常使用血凝抑制试验检测这个系统的抗原和抗体。CH/RG血型系统抗体对临床输血和新生儿溶血病无意义。
GE血型受控于GYPC基因,该基因含有4个外显子,编码3个高频率抗原Ge2、Ge3、Ge4和一系列低频率抗原。目前已经检测出至少7个抗原。Ge缺失型Yus型(Ge:-2,3,4)的基因缺失外显子2;Gerbich型(Ge:-2,3,4)缺失外显子2和3;Leach型(Ge:-2,3,4)缺失外显子2、3和4。
衰变加速因子(DAF)CD55分子携带CROM血型抗原。CD55具有补体调节功能,通过抑制经典途径和替代途径的C3和C5转化酶的装配和加速衰变,来保护宿主细胞和组织免受补体介导的损伤。目前检测出11个抗原,所有人群都携带Cra抗原、Dra抗原、Esa抗原、IFC抗原、UMC抗原和GUTI抗原;Tca、Teb和Tcc3个抗原为对偶关系,几乎所有人都有Tca抗原;WESa抗原和WESb抗原为对偶关系,WESb为高频率抗原。
补体受体1(CR1)分子携带Knops血型抗原。检测Kna抗原的抗体来自表型Kn(a-)患者,而后发现该患者属于血清学无效型,可能是由于红细胞上CR1低拷贝数所致。目前检测出8个抗原,包括3对对偶关系的抗原Kna和Knb;McCa和McCb;Sla和Vil。Yka和Sl3是另外2个高频率抗原。这个血型系统对临床输血和新生儿溶血病无意义。
CD44抗原携带IN血型抗原,到目前为止只检测出2个对偶抗原Ina和Inb。在所有群体中Inb表现为高频率抗原,而Ina抗原仅在中东和印度群体中有相对高的频率。在阿拉伯人中Ina抗原频率为11.8%,伊朗人为10.6%,南亚印第安人为4%。在高加索人、亚洲人和黑种人中Ina抗原的频率只有0.1%左右。
CD147是免疫球蛋白超家族的成员之一,又被称为细胞外基质金属蛋白酶诱导因子(EMMPRIN),它携带Oka抗原。自1999年OK血型系统被正式命名至今,仅在8个日本家庭中发现Ok(a-)无效表型,对其中2个姐妹和1个无关个体基因分析显示,在OK基因外显子4区域发生的1个碱基突变导致无效型。在其他人群中Oka抗原频率接近100%。
Raph抗原最初被单克隆抗体MER2所识别,约92%的白种人红细胞携带MER2抗原。而后在4例MER2阴性个体血清中发现抗MER2同种抗体,Raph抗原被正式命名为血型抗原,该抗原位于CD151糖蛋白上。
鉴定JMH抗原的同种抗体来自患者John Milton Hagen,故以其姓名命名,CD108糖蛋白携带该抗原。CD108又被称为信号素7A,在红细胞和活化的淋巴细胞表面上表达,是蛋白质信号素家族的成员,在调节免疫应答和某些神经元功能中起主要作用。几乎所有人群都带有JMH抗原。
I抗原与i抗原最初被分类在Ii血型集合中,直到Iβ-1,6-N-乙酰葡糖胺转移酶(Iβ-1,6-GlcNAcT,GCNT2)被克隆后,发现该酶可以将i抗原转化成I抗原,而且又发现i抗原的一些变异体,因此将Ii血型集合提升为血型系统。i和I抗原特异性决定簇为碳水化合物结构。类似于ABO,Hh或Lewis系统,I基因实际上编码糖基转移酶,通过β-1,3-乙酰氨基葡萄糖基转移酶和β-1,4半乳糖基转移酶对I前体i抗原的顺序合成,产生I抗原。胎儿和新生儿红细胞携带大量i抗原,而后逐渐下降。所有成人红细胞完全表达I抗原,仅携带少量i抗原。类似于其他糖类血型抗原,除了红细胞膜蛋白和糖脂之外,在唾液、乳汁、血浆、胃液、卵巢囊液和羊水中含有可溶性I和i糖蛋白。
这个血型系统只检测出1个抗原,被命名为P抗原,曾用名Globoside抗原,使用来自pk表型个体的抗P抗体所鉴定。几乎所有人都携带此抗原。
红细胞表面水通道蛋白3(AQP3)分子携带GIL抗原,其结构类似于水通道蛋白1携带的Colton血型抗原。在2例缺少水通道蛋白3、不表达GIL抗原的患者血清中发现抗GIL抗体,该抗体可以造成溶血性输血反应。几乎所有人都带有GIL抗原。
Rh50糖蛋白分子携带RHAG(Rh-associated glycoprotein)抗原,该抗原在结构上和RhCE,RhD抗原密切相关。红细胞表面的Rh抗原,是以RHCE/D和RHAG抗原复合物的形式表达,所以任一座位上的基因突变都可能导致产生Rh缺失型。RHAG基因与RHCE/D基因36%的序列一致,也是含有10个外显子,但是它受控于第6号染色体6p12.3位置上的RH50基因。
Forssman(Fs)抗原最初被认为是Apae表型的ABO血型A抗原的变异体,该表型红细胞与部分抗A或抗AB抗体凝集,但是不被单克隆抗A所凝集。而后发现FORS抗原实际上是Fs糖脂,与ABO血型抗原无关后,为此ISBT正式命名为FORS抗原,以纪念该抗原发现者John Forssman。某些个体存在天然抗FORS抗体。
很久以前就知道Junior(JR或Jr)抗原是个高频率抗原,直到2012年在Jr(a-)表型个体血清中发现抗Jra抗体后,才将其升级为JR血型。在除了日本和欧洲吉普赛人之外的全球人群中,Jr(a-)表型罕见。抗Jra抗体可以引起急性溶血输血反应和致死性新生儿溶血病。
Lan是50多年前被同种抗体检测出来的高频率抗原,直到2012年其分子基础被阐明后升级为LAN血型。除日本外,在世界范围内只有少数人携带抗Lan抗体。抗Lan抗体可引起严重的溶血反应,以及胎儿和新生儿的溶血性疾病。Lan抗原由ABCB6基因编码,该基因是ATP结合盒蛋白家族中的一员。到目前为止已经检测出250多个等位基因,大多数等位基因导致红细胞膜上不表达Lan抗原。
早在1952年Vel(SMIM1)抗原就被检测出来,抗体来自1名Vel抗原阴性的输血反应患者,该抗体凝集1万多例红细胞,故被ISBT归类为901系列的高频率抗原。直到近年发现SMIM1基因编码的膜整合蛋白质携带Vel抗原,VEL抗原被ISBT列为待升级血型系统。SMIM1外显子3中缺失17个核苷酸导致产生Vel阴性表型,该表型个体频率约为0.04%,但在瑞典北部略高。
CD59是细胞表面糖蛋白,存在于红细胞及其他各类细胞上。CD59的主要功能是保护细胞免受补体攻击。尽管CD59被单克隆抗体定义为红细胞抗原,但由于缺少相应人类同种抗体而未被正式认可。直到2014年在1例CD59缺失纯合子儿童患者中发现抗CD59抗体,CD59才被ISBT确认为1个新的红细胞血型抗原。
Augustine(AUG)抗原最初发现时是由Ata抗体检测出来的1个高频率抗原,抗体来自1例Ata抗原无效型个体。红细胞膜蛋白平衡核苷转运蛋白1(ENT1)携带该抗原。由无效表型产生的抗体定义的抗原被命名为AUG1,由氨基定义的抗原酸Glu391(Ata)被命名为AUG2。
中国是多民族国家,根据2010年第6次全国人口普查资料,汉族占91.51%,55个少数民族约占8.49%。1987年赵桐茂等根据汉族和23个少数民族群体免疫球蛋白遗传标记Gm因子的分布,提出中华民族以北纬30度为界分南北两大发源地的假说[30,31]。2009年Xu等分析中国汉族约16万个单核苷酸碱基多态性SNP标记,表明汉族大致可以分为北方汉族和南方汉族2大类,居住在上海、江苏、安徽地区汉族介于南北类型之间[87];同年Chen等分析中国汉族约35万个SNP分布,发现汉族遗传结构可以分为南北2个亚群,从基因组水平证明了中国南北汉族之间的遗传学差异[88]。
表3-22所列资料调查对象主要是汉族人群,由于汉族在遗传学上的杂合性,某些血型基因频率在南北人群中相差甚大,故列出其范围。
稀有血型的定义是指基因频率小于0.1%的血型,粗略地说在1 000个随机个体中可能会找到1例。ISBT于1965年建立国际“稀有血型供者库”,通过国际大合作的方式,在全球范围筛选寻觅稀有血型供者[93]。筛选方法一般采用血清学方法和基因分型方法。被列入的稀有血型包括:孟买型,Rh缺失型,LW(a-b+),LW(a-b-),S-s-U-,S-s-U(+),pp,Pk,Lu(a+b-),Lu(a-b-),Kp(a+b-),Kp(a-b-),Js(a+b-),Ko,Fy(a-b-),Jk(a-b-),Di(b-),J-,Yt(-),Co(a-),Vel-,Ge-,Lan-,Gy(a-),Hy-,At(a-),Jr(a-),Ok(a-)和JMH-。根据中国人血型分布情况,稀有血型还应该包括Do(b-)和Di(b-)等表型。
本节简要介绍人类白细胞抗原(human leukocyte antigen),白细胞表面有3类抗原:①红细胞血型抗原,如ABH,Lea,Leb,Jka和Jkb等;②白细胞自身特有的抗原,如人类中性粒细胞抗原(HNA);③与其他组织细胞共有的,也是免疫原性最强的HLA同种抗原。
HLA是细胞表面上的一种蛋白质,它刺激宿主免疫系统产生相应抗体和特异性细胞免疫应答。检测HLA有2种方法:①血清学方法。最初使用“白细胞凝集试验”,而后被重复性好、使用抗血清量少的“依赖补体的微量淋巴细胞毒试验”所取代。鉴定HLA-A、B、C抗原需要使用纯化的淋巴细胞,鉴定HLA-DR、DQ、和DP位点抗原,需要使用B淋巴细胞。②细胞学方法。1964年发现2个无关个体白细胞在体外混合培养会发生增殖反应,淋巴细胞转化成淋巴母细胞。这个现象被称为混合淋巴细胞反应(mixed lymphocyte reaction,MLR),它可以作为评估2个个体组织相容性匹配程度的量度,故又被形容为“试管中的组织器官移植”。使用纯合子分型细胞和MLR检测出HLA-D抗原,后来发现D遗传区实际包含DR,DQ和DP等3个遗传座位[94]。
HLA-Ⅰ类分子(HLA-A,B,C)由1个细胞膜糖蛋白重链(分子量44kDa)和1个β2微球蛋白轻链通过共价键连接组成。编码重链和β2微球蛋白的基因分别在第6号和第15号染色体上。HLA-Ⅱ类分子(HLA-DR,DQ,DP)是膜糖蛋白,由1条α多肽链(分子量34kDa)和1条β多肽链(分子量28kDa)通过共价键连接组成。结晶HLA分子看上去像驼鹿的角,在角枝之间有1个凹槽状结构,被称为结合槽,它的功能是和外来多肽结合[40]。
HLA分子是一种多肽受体,它们的主要生物学功能是结合细胞内需要被处理的多肽,然后将这些多肽运送到细胞表面。在细胞表面上,HLA分子和多肽复合物与T细胞受体结合后引起免疫反应。生物体对外来抗原的加工处理主要有2条途径:①HLA-Ⅰ类抗原分子负责和细胞内源性多肽以及病毒等外来蛋白质多肽结合,然后由CD8+细胞毒T细胞识别并杀死被感染的疾病细胞,以避免病毒的繁殖;②HLA-Ⅱ类抗原分子负责和外来病原体多肽结合。病原体侵入人体后,抗原呈递细胞吞噬这些病原体并将它们切割成约9个氨基酸长的多肽,它们与Ⅱ类分子结合后被CD4+T辅助细胞识别,进而协助B淋巴细胞产生免疫球蛋白抗体。正常情况下,T细胞仅在自身HLA分子存在情况下被激活,也只能识别结合到自身HLA分子上的多肽。人类HLA系统的高度多态性,为最大限度地预防自然界中形形色色病原体感染提供了一个免疫保障。人类基因组中储存大量HLA等位基因,有助于增强机体免疫防御能力,可以应付潜在的特别病原体的感染和流行。
HLA遗传区位于在第6号染色体短臂6p21.31~21.33区域,约含360万个碱基对,占人体基因组DNA的0.1%左右[95]。在该区域中被定位的遗传基因超过200个,被分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类,它们的功能大部分与免疫应答相关。到2015年为止,总共有44个HLA基因和9个非HLA基因被世界卫生组织(World Health Organization,WHO)HLA命名委员会正式命名(表3-23)[96]。HLA是迄今所知最复杂的一个人类遗传多态性系统,不仅遗传位点众多,而且等位基因数量庞大。到2016年10月为止,被正式命名的HLA-Ⅰ类和Ⅱ类等位基因数为15 635个,而且还在继续增长之中。HLA等位基因多态性来自基因突变,主要机制包括:①编码区碱基取代、碱基缺失或插入;②编码区中发生沉默取代;③无效等位基因;④非编码区中的碱基取代、缺失或插入DNA片段等。如果将HLA等位基因的定义扩展到整个HLA编码区DNA序列,可以预期几乎没有2个人的HLA遗传型完全相同。
Ⅰ类基因靠近染色体端粒(图3-8),其中A、B、C、E、F和G等15个座位上的基因为表达基因;H、J、K、L和Y等5个座位上是假基因,它们与A、B、C基因有类似的核苷酸序列。HLA-A、B、C基因具有类似的基因结构,都含有8个外显子。第1外显子编码前导区;第2、3、4外显子分别编码HLA分子细胞外的3个活性区,它们决定HLA抗原的血清学特异性。到2016年10月为止,被检出的A、B、C等位基因分别为3657,4459和3290个,对应的使用血清学鉴定的抗原特异性有80余种[97]。
Ⅱ类基因靠近染色体着丝点,6个基因在染色体上排列次序为DP、DN、DM、DO、DQ和DR(图3-8)。在WHO命名的24个HLA-Ⅱ类基因中,13个是表达基因,11个是假基因。到2016年10月为止,被鉴定的Ⅱ类等位基因数超过4082个,其中DRB1、DQB1和DPB1等位基因数分别为1977,978和716个[97]。所有HLA-Ⅱ类分子都是由α和β两个基因编码多肽组成的复合物,α和β链多肽通常不单独存在。HLA-Ⅱ类基因结构具有高度类似性,所有的α基因和β基因都含有6个外显子。HLA-DR、DQ和DP抗原特异性由β基因所决定。不同个体的染色体所携带的DR基因数目不等,但都只带有1个DQA1,1个DQB1,1个DPA1和1个DPB1基因。DQA1和DOB1基因编码的蛋白分子决定DQ抗原特异性;DPA1和DPB1基因编码的蛋白分子决定DP抗原特异性。
编码HLA-DR抗原的座位最为复杂。DRA、DRB1、DRB3、DRB4和DRB5为表达基因,已检出2207个等位基因,对应22种血清学方法检出的DR特异性[97]。所有人的DRA基因均相同。DRB2、DRB6、DRB7、DRB8和DRB9是假基因,共检出8个等位基因。HLA-DR抗原特异性取决于DRB1基因。HLA-DR基因结构的一个重要特点是,每种单体型上的DR基因数量和排列相对位置不同,因此每种单体型DNA长度不一。至少有5种DR单体型已被鉴定,其基因排列(图3-9)。
Ⅲ类基因编码C2,C4,Bf等补体组分,肿瘤坏死因子(TNF)等细胞因子,以及热休克蛋白HSP-70等与免疫应答相关的蛋白。
自1987年起,WHO HLA因子命名委员会开始对HLA等位基因命名,基本采用数字和字母结合的命名方法[98]。HLA等位基因的名称,依次由座位名字、星号以及代表等位基因的4到9个数字和符号表示。命名的基本原则见图3-10。其主要内容有:①HLA座位用大写字母右上角加星号表示;②星号后第1、2位数字通常对应血清学特异性。比如HLA-B*07基因对应血清学特异性HLA-B7;HLAB*15对应血清学特异性HLA-B15;③第3、4位数字代表等位基因,它们编码的氨基酸序列不同。一般按被发现的先后次序编号;④第5、6位表示外显子中的同义取代,即碱基突变不改变所编码的氨基酸序列,因此对应的HLA抗原分子结构也未改变。比如HLA-B座位等位基因B*15:01:01、B*15:01:02、B*15:01:03一直到编号B*15:01:38等38个等位基因,虽然它们核苷酸序列不同,但都编码相同的B15抗原分子;⑤第7、8位代表内含子区域中的碱基取代。比如B*15:17:01:01和B*15:17:01:02之间的差异,仅在内含子2区域528位置C→G碱基取代。内含子碱基取代一般不改变外显子编码的氨基酸序列,所以不影响HLA抗原特异性;⑥对某些等位基因的特别表达情况,用第9位后的后缀字母表示。字母L表示在细胞表面低表达;S表示编码的抗原不在细胞膜上,而是以可溶性分子形式存在;C表示其产物存在细胞内的细胞质,而不在细胞表面表达;A表示相应蛋白是否异常表达尚存疑问;Q代表该突变影响正常表达,但尚未确认;N代表无效等位基因,该基因不产生完整的HLA抗原分子。
在1996年第12届国际组织相容性讨论会后,HLA基因分型基本取代了经典的HLA血清学分型[99]。先后采用过如下一些技术:①早期曾使用限制性片段长度多态性(RFLP)检测HLA基因片段多态性,但很快被以PCR为基础的HLA快速分型方法所取代;②PCR-序列特异性寡核苷酸探针(PCRSSOP)分型;③PCR-序列特异性引物(PCR-SSP)分型;④PCR测序分型(PCR-SBT)。此方法的缺点是产生很多模棱两可分型结果,使用PCR-SBT“一步法”技术可以减少模棱两可分型结果[100];⑤第2代测序技术:该技术可以检测单独1条DNA的序列,可以解决HLA分型模棱两可结果的问题;⑥基因克隆测序分型。使用PCR扩增和分子克隆技术,可以将1个人的2条HLA单体型分别克隆后测序,这样可以得到单独1条HLA单体型DNA序列资料。此法精准,但是比较费时费力,一般用于鉴定新发现的等位基因[101,102]。
HLA遗传区域紧密连锁的遗传位点“串联”成单体型,以共显性等位基因的遗传方式,从上一代传给下一代。不同位点上的等位基因之间存在连锁不平衡,即实际上观察到的某两个基因出现在同一条单体型的频率与预期频率有显著性差异,显示这些等位基因倾向组合成特定单体型传递。不同种族群体中的连锁不平衡单体型不尽相同[94]。每个人从父母各得到1条带有HLA基因复合物的第6号染色体,因此父母和孩子之间总是共有1条HLA单体型,属于HLA半相同。在同胞之间,有1/4机会得到2条相同的单体型,被称为HLA全相同同胞;有1/4的机会得到2条不相同的单体型,成为HLA不相同同胞;还有1/2机会得到1条相同和1条不同的HLA单体型,成为HLA半相同同胞。在遗传过程中,带有HLA基因的第6号染色体之间可能交换一些片段,造成HLA位点之间的重组,其子女有可能遗传到这个新的重组体。图3-11中,孩子5得到a、b重组的单体型,B和DRB1位点之间交换产生新的单体型A1-Cw6-B57-DR3-DQ2。
鉴定HLA抗体来源,主要有同种免疫抗体、纯化HLA免疫动物获得的异种抗体以及使用杂交瘤技术制备的单克隆抗体。有如下3种同种免疫途径可以产生HLA抗体:①输血。临床输血要求供者和受者之间ABO和RhD等红细胞血型抗原相容,不考虑白细胞HLA是否匹配,因此输血有可能产生HLA抗体。特别是多次输血患者,产生HLA抗体机会较高,而且往往产生多特异性HLA抗体;②同种异基因器官或造血干细胞移植。如果移植受者和供者HLA型不相同,受者有可能产生针对供者错配HLA抗原的抗体;③胎母免疫作用。在妊娠期间胎儿和母亲血液通过胎盘相互交换,如果母子之间HLA不匹配就有可能产生IgG类型的HLA抗体。在大约5%~20%的孕妇和非孕经产妇血清中可以检测出HLA-Ⅰ类抗体,其中大约30%的血清同时含有HLA-DR抗体[94]。孕妇血清中HLA抗体阳性比例高于非孕经产妇,因为分娩后HLA抗体效价逐渐下降,有的甚至消失。大约4%的经产妇可以长期稳定保留HLA抗体,有的可达20余年。有报告在脐血中检测出母亲过去妊娠产生的HLA抗体;也有报告在脐血中检测出针对母亲的HLA抗体,提示胎儿在子宫内可能对母亲HLA抗原产生了免疫反应[94]。
检测HLA抗体主要有如下2类技术:①微量淋巴细胞毒试验。多数HLA抗体具有补体依赖的细胞毒性,部分HLA抗体同时具有凝集白细胞作用。通常使用“依赖补体的微量淋巴细胞毒”试验检测HLA抗体。筛查和鉴定HLA抗体特异性,需要1组HLA型已知的标准淋巴细胞。移植前的交叉配型以及检测供者特异性抗体,需要使用患者血清和供者淋巴细胞作为检材;②使用纯化HLA检测抗体。在微量淋巴细胞毒试验中,必须使用具有活性的淋巴细胞,这对HLA抗体筛查和特异性鉴定带来不便。为此发展出以纯化HLA为基础的一些技术,如酶联免疫吸附测定法、在流式细胞仪或Luminex平台上进行的荧光标记微球技术[103]、流式细胞计数仪交叉配型和固相免疫分析技术[104]。
与HLA相关的输血不良反应包括:①患者体内HLA抗体可以造成非溶血性输血发热反应;②如果患者体内有HLA抗体,接受血小板输注可能造成血小板输注无效;③如果输注的全血或血液制剂中含有HLA抗体,可以造成输血相关急性肺损伤(transfusion related acute lung injury,TRALI);④如果在全血或血液制剂含有与受者HLA匹配的淋巴细胞,可以造成输血相关移植物抗宿主病(transfusion associated graft versus host disease,TA-GVHD)。
在同种异基因器官或骨髓移植中,都可能发生宿主对移植物的排斥反应,以及移植物抗宿主病(graft versus host diseas,GVHD)。发生排斥反应和GVHD的危险程度,与供受者之间HLA匹配程度密切相关。通过HLA配型选择合适的供者,可以减少发生急性排斥的危险,提高移植物存活期,避免患者被致敏,以及减少患者对免疫抑制药物的依赖。
供者器官所携带的HLA是移植抗原,能够被受者免疫系统识别为外来异物而产生排斥反应。在急性排斥反应发生后,移植物被逐渐破坏而失去功能。在肾等实体器官移植中,一般根据供者的HLA型选择与其匹配的等候移植患者,HLA匹配程度越高,移植效果越好。移植前必须检测患者是否带有HLA抗体,患者血清还必须与供者的T淋巴、B淋巴细胞做交叉配型试验。如果T淋巴细胞交叉配型试验为阳性,即患者血清含有HLA-Ⅰ类抗体,可能导致严重的排斥反应,被认为是移植禁忌。
骨髓移植又被称为造血干细胞移植的一种,其中涉及两方面的免疫反应。一方面是移植物被患者的免疫系统所破坏,产生排斥反应;另一方面是来自供者的骨髓或造血干细胞物中含有免疫活性细胞,它们可能攻击患者的细胞,产生GVHD并可能导致患者死亡。因此在骨髓移植中,要求受者和供者的HLA尽量匹配。造血干细胞的潜在来源有骨髓、外周血干细胞和脐血干细胞等3种,都涉及HLA配型的问题。选择HLA匹配供者的标准不尽相同:①无关供者的选择。通常检测HLA-A、B、C,DRB1和DQB1等5个位点上的等位基因,最理想的供者是10/10匹配。如果找不到5个位点全匹配的供者,也可以选择8/10匹配的供者。HLA配型可以扩展到DRB3,DRB4,DRB5和DPB1等位点;②亲属供者。首选HLA全相同同胞,其次是父母、兄弟姐妹、子女等HLA半相同亲属;③脐血移植。脐血干细胞的HLA抗原免疫原性尚未成熟,比较容易跨越HLA障碍,因此对HLA匹配程度可以降低。允许A和B位点1~2个抗原错配,但是要求DRB1位点等位基因必须匹配,而且避免使用3~4个抗原错配脐血。部分错配脐血移植物可能会增加T细胞和自然杀伤细胞同种异体免疫应答性,有潜在的移植物抗白血病作用。此外,脐血中含有微嵌合母亲抗遗传性父源抗原特异性T细胞,具有潜在的抗肿瘤细胞作用[40]。
本节简要介绍人类血小板抗原(human platelet antigen,HPA)系统。血小板表面携带的抗原可以分为2大类型:①一类是与其他细胞或组织共有的抗原,包括ABH、Ii、Lewis和P等红细胞抗原,HLA-Ⅰ类抗原,血小板糖蛋白4(GPⅣ)等。GPⅣ又被称为CD36,它携带血小板同种抗原Naka[105];②另一类是血小板特异性抗原,是指用同种免疫抗体检测出的血小板表面抗原。自1959年第1个HPA被鉴定以来,至今使用血清学方法已检出35个HPA[106]。
2003年由ISBT和国际血栓和止血协会(international society on thrombosis and haemostasis)联合成立“血小板命名委员会”,建立了HPA命名原则和认可新抗原的标准[107]。在目前已检测出的35个血小板抗原中,除了Moua抗原尚未达到国际命名要求外,其余34个抗原已被正式命名,相应的基因结构也被阐明[106]。在此34个抗原中,12个抗原被列入6个遗传系统,其余22个抗原尚未达到系统标准。
HPA命名原则是以HPA为字头,然后连接数字表示。在由2个对偶抗原组成的遗传系统中,对偶基因分别用英文小写字母a和b表示。字母a代表其中基因频率大于50%的等位基因,字母b代表基因频率小于50%的另一等位基因。如果某血小板抗原的对偶抗原尚未被发现,将给予暂时命名,在等位基因数字后加后缀w表示,如HPA-6bw,HPA-7bw等。只有在2个对偶抗原全被检测出来后,才能被称为系统。目前已被正式命名的HPA(表3-24)。
血小板命名委员会定义的HPA新抗原标准包括:①必须阐明该同种抗原的遗传学基础,提供相应基因和基因组DNA序列资料,或至少是cDNA序列资料;②必须使用特异性蛋白免疫分析方法,阐明基因突变和相应蛋白之间的关联;③至少有2个参比实验室证实血清学和分子生物学的鉴定结果;④必须提供该抗原的群体资料,如果提供家系资料将更有价值;⑤应尽可能建立细胞株[107]。
携带HPA的血小板膜糖蛋白主要有3种类型:①富含亮氨酸糖蛋白带有HPA-2、HPA-12bw等抗原;②CD109蛋白携带HPA-15抗原;③其他血小板抗原均位于整连蛋白上。整连蛋白是1个质膜糖蛋白家族,属于受体蛋白,它们涉及细胞和细胞外间质,以及细胞和细胞之间的黏附作用。
目前已发表的HPA群体遗传学资料甚多[106]。初步结果显示中国汉族和白种人HPA-1抗原和HPA-5抗原分布差异较大,其他抗原的分布无显著性差异[145]。
目前被检测出来的HPA基因,受控于位于第5、6、17和22染色体上的6个遗传位点。同一个遗传位点可以有不同的名称。比如ITGB3位点,又被称为GP3A或CD61。HPA等位基因用斜体字母右上角加星号,后缀加数字表示。比如ITGB3*001表示ITGB3位点上的第1号等位基因。1个HPA等位基因,可以编码1个或数个HPA抗原表位。比如ITGB3*001基因编码HPA-1a和4a抗原表位;ITGB3*003基因编码HPA-1a,4a和10bw抗原表位;ITGA2B*001编码HPA-3a表位;ITGA2B*002编码HPA-3b表位。在正式命名的HPA中,除了HPA-14bw抗原是由于在核苷酸第1901到1911位置上缺失AAG碱基外,其余均由于SNP而产生。各HPA SNP以及相应氨基酸的改变如表3-25所示。某些HPA基因结构及SNP位置如图3-12所示。
由于检测HPA的抗体来源非常有限,目前HPA血清学分型已被以DNA为检材的基因分型所取代。目前已报告的方法有PCR-RFLP、PCR-SSP、PCRSSOP、SSCP(单链构型多态性)、使用荧光标记SSP引物的TaqMan方法[146,147]以及DNA测序分型方法[148]。
血小板同种抗体一般由输血、妊娠或骨髓移植等同种免疫刺激而产生。在输血患者中约1.7%带有血小板抗体,而在多次输血患者中,约8%产生血小板特异性抗体;约2.5%的妊娠妇女会产生血小板抗体[149,150]。在白种人中最常见的抗体是HPA-1b和HPA-5b抗体。
血小板抗体是造成同种免疫血小板减少症的直接原因[151]。母体的血小板抗体进入新生儿循环系统,可以造成新生儿同种免疫血小板减少症(neonatal alloimmune thrombocytopenia)和新生儿血小板减少紫癜(neonatal thrombocytopenic purpura)。如果患者带有血小板抗体,输入HPA不配合的血小板,也可能产生输血后紫癜(post-transfusion purpura)。如果患者接受含有血小板抗体的血液制剂,可能造成被动性血小板减少症(passive alloimmune thrombocytopenia),和移植相关的血小板减少症(transplant-related thrombocytopenia)。
检测血小板自身抗体和血小板同种抗体,都比检测其他血液成分抗体困难。虽然现存的检测技术甚多,但是在检测特异性和敏感性两方面都嫌不足。检测血小板抗体的早期方法,是以检测血小板是否活化为指标,由于敏感性和特异性偏低而被淘汰。而后发展出来的技术大致可以分为以下两大类[152]。
血小板抗体一般都属于免疫球蛋白IgG,在和血小板结合时通常会涉及结合补体。PAIgG技术原理是检测结合在血小板膜表面上的IgG或补体成分。根据不同的操作程序又可分为3种方法:①直接结合法。使用标记的抗Ig抗体,直接和血小板悬液孵育,然后测定和血小板结合的Ig抗体数量;②两步法,又被称为消耗试验。在此方法中加入定量的抗Ig抗体,和血小板悬液孵育后去除血小板,然后测定上清悬液中剩余的Ig抗体的数量;③血小板相关IgG总量分析法。使用清洁剂将血小板溶解,然后使用免疫扩散技术测定血小板总的IgG含量。此方法的缺点是对血小板IgG总量和表面结合IgG之间相关的生物学基础尚未肯定。
此方法的特异性和敏感性相对比较好。主要有3种技术:①免疫印迹技术。此方法是将血小板溶解后电泳分离,转移到纤维素等膜上后与受检血清杂交,然后加入标记的抗IgG抗体,检测是否存在相应的血小板抗体;②放射免疫沉淀。在此方法中使用放射性同位素标记的血小板膜蛋白,与受检血清结合,电泳分离后采用自身显影原理检测是否存在血小板抗体;③单克隆抗体免疫固定血小板抗原方法,简称MAIPA。这是目前使用最为广泛的方法。可以定量测定特定的血小板抗体。根据第11届国际输血协会血小板基因分型和血清学专题讨论会的报告,25个实验室使用此方法检测HPA-1和HPA-5抗体的一致性达到90%[153]。
本节简要介绍人类中性粒细胞抗原系统(human neutrophil antigen,HNA),粒细胞表面同种抗原可以分为两大类,一类是粒细胞以及其他细胞共有的抗原,如HLA,红细胞ABH抗原等;另一类是中性、嗜酸性和嗜碱性粒细胞所特有的抗原。1960年首例HNA被发现后,至今已检测出8个HNA。
HNA特异性是由相应的抗体而定义。早期表示粒细胞抗原系统的符号有NA、NB、NC、ND1和NE1等。1998年由ISBT对HNA做系统命名[154]。其基本原则包括:①采用符号HNA表示人类中性粒细胞抗原;②不同抗原系统用数字表示;③如果同一个蛋白分子携带多个粒细胞抗原,根据检测出来的先后次序用字母表示,如HNA-1a,HNA-1b,HNA-1c和HNA-d等;④对于新检测出的粒细胞抗原,应先给予字母缩写命名,待ISBT“粒细胞抗原工作小组”认可后再给予HNA命名;⑤编码区等位基因的命名,采用人类基因图谱国际专题讨论会命名。
目前检测出的8个HNA抗原属于HNA-1,HNA-2,HNA-3,HNA-4和HNA-5等5个系统。其中HNA-1系统含有4个抗原;HNA-2、HNA-3、HNA-4和HNA-5系统各含1个抗原[155]。携带HNA抗原的蛋白分子以及抗体相关疾病(表3-26)。
首例HNA-1a抗原于1960年被检测出来,相应抗体来自新生儿粒细胞减少症患儿的母亲,该抗体造成新生儿粒细胞减少症。HNA-1b抗原于1972年被检测出,HNA-1c抗原又被称为SH抗原,于1997年被鉴定,在白种人中占5%~10%,在黑种人中占20%~30%,东方人中罕见。HNA-1d抗原和HNA-1b抗原受等位基因编码。
HNA-2a抗原在中性粒细胞亚群、中性晚幼粒细胞和中幼粒细胞上表达。约50%~60%的中性粒细胞带有HNA-2a抗原。该抗原在中性粒细胞的表达,女性高于男性,特别是妊娠期妇女HNA-2a中性粒细胞数增加。HNA-2a在不同人群中的抗原频率为0.90~0.97。
HNA-3系统最初在1964年被鉴定,含有5a和5b抗原,而后分别被命名为HNA-3b和HNA-3a抗原。HNA-3系统抗原存在于粒细胞、血小板、淋巴细胞、内皮细胞、肾脏、脾脏和胰脏细胞上。HNA-3a抗体是白细胞凝集素,在输血相关急性肺损伤病例中常被检测出。不同人群中HNA-3a抗原的表型频率0.90~0.99。
1986年报告的Marta抗原是在筛选粒细胞分型血清中所发现,而后被命名为HNA-4a抗原。粒细胞、单核细胞、巨噬细胞和淋巴细胞带有HNA-4a抗原,血小板和红细胞不表达该抗原。不同人群中HNA-4a抗原频率高于0.90。
1979年报告的Onda抗原被命名为HNA-5a。检测该抗原的抗体,来源于1名长期接受血小板输注治疗的男性患者血清。该抗体只能在间接免疫荧光试验中被检测。HNA-5a抗原频率在白种人、巴西印第安人、中国汉族和南非黑种人中分别为0.855,0.791,0.854和0.881。
目前检测出来的5个HNA系统,受控于5个遗传位点。相应基因的一般信息(表3-27)。
目前已检测出的HNA等位基因,基本上都是由于SNP所造成。
FCGR3位点包含FCGR3A和FCGR3B等2个基因,分别编码免疫球蛋白IgG的Fc结构域低亲和性受体ⅢA[Fc(RⅢa,CD16a)和ⅢB[Fc(RⅢb,CD16b)。其中CD16b分子携带HNA-1系统抗原。CD16b基因由5个外显子组成,含有699个碱基,编码233个氨基酸,包括17个氨基酸的信号多肽。多态性核苷酸碱基取代发生在第3外显子区。HNA-1a和HNA-1b分子之间有4个氨基酸取代;HNA-1c和HNA-1b之间表现为SNP。携带HNA-1c抗原的个体可以产生抗HNA-1d抗体,提示两者受等位基因控制。缺失FcγRⅢb基因的纯合子个体,表现为无效型,他们的粒细胞不带HNA-1抗原,可以产生抗CD16抗体,并导致发生新生儿粒细胞减少症。在细胞减数分裂中,如果FCGR3位点发生不等交换,可以导致产生基因重复和基因缺失。已发现同时带有HNA-1a,1b和1c等3个抗原的个体。此外还发现FCGR3A和FCGR3B位点之间重组产生新的变异体[164]。
HNA-2a抗原位于中性粒细胞表面NB1糖蛋白分子上,由CD177基因编码。CD177基因cDNA由1311个碱基组成,编码437个氨基酸,其中包括21个氨基酸的信号多肽。目前在该系统中检测出NB1和PRV-1等2个等位基因,它们的cDNA序列之间有4个碱基不同,其中外显子1第42位置上的碱基取代决定HNA-2系统的抗原特异性。
虽然HNA-3抗原早在1964年就被检测出来,但是直到2009年由2组研究人员,分别通过对HNA-3a/b个体DNA测序和基因组SNP扫描,以及对HNA-3抗原糖蛋白序列分析等不同途径,发现胆碱输送类蛋白2(CTL2)分子携带HNA-3抗原[165,166]。该蛋白分子由SLC44A2基因编码。HNA-3基因cDNA含有2118个碱基,编码706个氨基酸。外显子7中的1个单核苷酸取代产生HNA-3系统的多态性。
整合蛋白补体组分受体3(CR3)的αM链(CD11B)携带HNA-4a抗原,受控于ITGAM基因。该基因cDNA含有3456个碱基,编码1152个氨基酸。外显子3中的1个单核苷酸取代产生HNA-4系统的多态性。
淋巴细胞功能相关抗原(LFA-1)分子αL亚基(CD11A)携带HNA-5a抗原,受控于ITGAL基因。该基因cDNA含有3510个碱基,编码1170个氨基酸。外显子21中的1个单核苷酸取代产生HNA-4系统的多态性。
由于HNA多态性分子基础都已经阐明,因此可以采用DNA作为检材做HNA基因分型[167-169]。所检测的SNP位点如表3-28所示。
检测粒细胞抗体方法甚多,但都不尽完善。一般是使用新鲜制备的配组粒细胞和受检血清试验[177]。常用方法有:①粒细胞凝集试验:粒细胞和受检血清在30℃孵育后观察粒细胞是否凝集。该方法可靠,可以检测所有HNA系统抗原,但敏感性较低。HNA-3系统抗原只能被该方法鉴定;②粒细胞免疫荧光试验:粒细胞表面上的粒细胞抗体,可以被荧光标记的抗人IgG第2抗体所检测。在荧光显微镜下,观察粒细胞荧光的状况来判断是否结合抗体;③流式细胞计数:使用流式细胞计数仪替代荧光显微镜,来评估粒细胞是否结合抗体;④混合反相凝集作用:从粒细胞抽提制备HNA抗原,然后包被在Terasaki微量试验板U型孔中,受检血清与孔中粒细胞抽提物孵育。使用抗人IgG致敏的山羊红细胞检测结合的粒细胞抗体。可以检测HNA-1a、1b、2a和3a抗体;⑤单克隆抗体免疫固定试验:受检血清先和粒细胞结合,然后与特异性的小鼠抗人中性粒细胞糖蛋白单克隆抗体反应,洗涤去除未结合的抗体后溶解细胞,获取可溶性糖蛋白和单克隆抗体复合物。该复合物可以被与固定在反应板孔底的小鼠抗IgG抗体“捕捉”,然后使用碱性磷酸酶标记的抗人IgG抗体以及相应底物,通过显色反应鉴定是否存在抗体,以及粒细胞糖蛋白的类型。可以检测HNA-1、2、4和5系统的抗体。由于该技术使用的是抗人中性粒细胞糖蛋白单克隆抗体,所以即便受检血清中含有HLA抗体,也不会干扰鉴定结果。
鉴定HNA抗体的特异性,需要一组HNA特异性已知的标准粒细胞配组,根据与受检血清反应格局来指定抗体特异性。这个方法需要新鲜制备的粒细胞悬液,而且受检血清样品中的HLA抗体可能干扰鉴定结果。为了克服这些局限性,可以采用稳定表达HNA的细胞株来代替“标准粒细胞”。其制备原理是采用基因克隆技术,将HNA基因克隆到反转录病毒载体,然后转染到不表达HNA和HLA的细胞株中,制备成稳定表达HNA的细胞株。目前已成功制备出表达HNA以及CD36抗原的细胞株,使用流式细胞计数仪检测抗体[178]。
其临床意义是:①母亲体内同种免疫产生的中性粒细胞抗体,可以破坏胎儿血液循环系统中的粒细胞,导致新生儿粒细胞减少症。已报告的病例涉及HNA-1a,HNA-1b,HNA-1c,HNA-2a,HNA-3a和HNA-4a等抗体;②粒细胞抗体还可以造成自身免疫中性粒细胞减少症,药物诱发中性粒细胞减少症,以及骨髓移植后移植物被排斥;③在临床输血中,粒细胞抗体除了可以引起发热性非溶血性输血反应外,还可以造成TRALI[179]。大多数免疫性TRALI与HLA抗体和HNA抗体相关。已报道涉及TRALI的HNA抗体有HNA-1a,HNA-1b,HNA-2a和HNA-3a抗体,其中以HNA-3a抗体最为常见。为了预防抗体介导的TRALI,ISBT“粒细胞免疫生物学工作小组”建议筛选供血者的HNA抗体以及HLA-Ⅰ类和HLA-Ⅱ类抗体[179],并推荐联合使用粒细胞免疫荧光试验和粒细胞凝集试验来检测粒细胞抗体。
在妊娠过程中,孕妇和胎儿之间通过血液循环系统进行血液交流。胎儿所携带的遗传基因有一半来自父亲,因此胎儿细胞表现的来自父亲的抗原,对母亲免疫系统来说是外来物,由此可以引起母体的同种免疫反应,产生抗胎儿细胞表面抗原的抗体和特异性免疫记忆细胞。在以后再次怀孕时,如果胎儿携带致敏抗原,母体记忆细胞可以引起更强的反应。产生的抗体包括红细胞血型抗体、HLA抗体、HNA抗体以及HPA等抗体。其中IgG类型的抗体可以造成胎儿和新生儿的一些疾病,比如新生儿溶血病[10,13]、新生儿同种免疫粒细胞减少症[180]、新生儿同种免疫血小板减少症等[181]。使用PCR基因扩增技术发现,胎儿淋巴细胞可以稳定地留在母体达几十年,反之母亲的淋巴细胞也可以长期留在子女体内,形成微嵌合现象。一些自身免疫性疾病被认为与该微嵌合相关[182]。
由于母子红细胞血型不配合的妊娠,或是经输血等同种免疫作用产生红细胞抗体的孕妇,其血液中IgG类型的抗体,可以进入胎儿血液循环系统而破坏胎儿的红细胞,导致新生儿溶血病。严重者可以造成胎儿水肿,早产或死胎。根据致病抗体特异性,最常见的是ABO血型和Rh血型不相容产生的新生儿溶血病。其他已报告的可造成新生儿溶血病的还有Kell、Kidd、Duffy、MNS、Lutheran、Diego、Colton、Dombrock和LW等血型系统[27,32]。
由于母子ABO血型不合妊娠的机会较高,故产生此病机会较大。其中多见于O型孕妇和A型胎儿,母体含有较高效价的IgG抗A抗体。ABO新生儿溶血病症状一般较轻,出生后接受蓝光照射治疗即可。严重时可使用AB型供者血浆和ABO同型洗涤红细胞做换血治疗。
在Rh新生儿溶血病中,以母子RhD抗原不合最为常见。如果RhD阴性孕妇无妊娠或输血史,第1胎RhD阳性胎儿不会受害,因母体内无Rh抗体。但是在妊娠期间以及分娩时,RhD阳性胎儿红细胞进入母体会刺激母体产生抗D抗体。该抗体可以造成第2胎RhD阳性胎儿产生新生儿溶血病。Rh血型系统的其他C,c,E,e抗原也会造成Rh新生儿溶血病[10,13]。Rh新生儿溶血病症状通常比ABO新生儿溶血病严重,多需要换血治疗。为了避免RhD阴性初产妇被RhD阳性孩子红细胞所致敏,可以在分娩72小时内注射抗RhD免疫球蛋白,可防止产生RhD抗体。
主要的诊断项目有:①使用红细胞凝集试验检测母亲血清中的IgG抗体特异性以及效价,对新生儿溶血病产前诊断提供间接信息;②早期鉴定胎儿血型,有助于评估发生新生儿溶血病的风险;③检测胎儿生物学父亲血型基因型,预测胎儿发病风险。比如父亲为RHD基因纯合子,他的孩子必定为RhD阳性;而RHD基因杂合子父亲的孩子,有一半机会不是RhD阳性。
胎儿血型鉴定对新生儿溶血病的产前诊断有重要意义。过去一般是在产前抽取羊水,再从中取得胎儿细胞做血型鉴定。抽取羊水是一种有危险性的临床手术,不易被产妇接受。近年来发现在妊娠期以及产后3天内,母亲血浆中含有游离的胎儿DNA。从母亲血浆或血清中提取胎儿DNA,使用高敏感度的实时PCR扩增等技术,可以鉴定胎儿的血型。该技术不受母亲血液可能残留以前妊娠胎儿的淋巴细胞的干扰[183,184]。这个无创伤胎儿血型产前鉴定技术,不仅可以鉴定胎儿Rh血型,而且可以同时鉴定胎儿性别[185]。目前已成功地鉴定了胎儿ABO、RhD、Rh CE、Kell和Duffy血型基因[186-188]。此技术也被用于产前检测胎儿HPA型[189]。使用二代测序技术,成功地从母体血浆游离胎儿DNA检测出21三体综合征[190],该测序技术也被用于鉴定胎儿血型[191]。
在使用基因分型技术鉴定胎儿RHD基因时应该注意,由于不同种族的RHD基因结构不尽相同,相应的基因分型方法也有所不同。比如在白种人中,RhD阴性个体主要是由于缺失整个RHD基因。而在东方人中,RhD阴性个体除了缺失整个RHD基因外,也可以是缺失RHD基因中的某些外显子,或RHD基因中的点突变等多种机制[85]。
在输血传染疾病被基本控制之后,与同种免疫应答相关的输血不良反应成为临床输血的主要问题。从免疫学角度看,同种异体输血或同种异基因输血(allogeneic blood transfusion)是一种同种免疫作用。无论输注全血还是输注血液成分,受者和供者的免疫活性细胞都会将对方识别为外来物,进而引发人体的免疫应答。其结果不仅有产生同种抗体的潜在风险,而且影响到人体的免疫平衡,产生一系列免疫并发症。使用去除白细胞血液和经过洗涤的新鲜红细胞制剂,以及使用男性血浆,可以有效地减少与输血相关的免疫并发症[192,193]。本节概要介绍临床输血的免疫应答及其对受血者免疫学方面的负面效应,更详细地描述可见本书其他章节。
全血主要由红细胞、白细胞、血小板等有形成分,以及血浆等无形成分组成。血浆除了含有水、电解质、酶、激素和血浆蛋白之外,还含有细胞因子和可溶性HLA等生物活性物质。全血不仅具有免疫原性,而且还含有免疫活性细胞和免疫相关分子,因此可以直接参与并影响受者的免疫应答。输注全血产生的免疫应答表现出以下多种结果。
人体血液成分结构的遗传变异体被称为遗传标记。在免疫血液学领域,遗传标记以及相应的遗传多态性,被定义为由抗体检测出来的、符合孟德尔遗传定律的抗原。目前在几乎所有的血液成分中都检测出遗传标记,提示它们都具有免疫原性。表3-29是到2016年10月的统计资料。除了同卵双生子外,没有2个人的基因组是完全相同的,这就注定在同种异体输血中,供者和受者之间大部分基因产物是不匹配的,因此尽管患者接受ABO和RhD血型匹配的全血输注,仍然有被其他血液成分抗原致敏的风险。
发热反应是最常见的输血不良反应,通常指非败血症和非溶血性输血反应所引起的、输血后3小时内基础体温升高1℃或以上的反应,它对患者无显著伤害。多次输血患者的发热反应主要与患者产生的HLA抗体相关。血小板和红细胞在储存期间释放的,或血浆中原本存在的细胞因子和其他生物调节物,也可能导致产生发热反应。比如血浆中的补体蛋白C3C5在储存期间产生了过敏毒素C3a和C5a,输注后可以促进激肽原的激活和释放缓激肽,引起发热反应。使用去除白细胞的储存血液可以减少发热反应。
输血过敏反应发生率约1%~3%,其临床症状表现不一,最常见的是荨麻疹、弥漫性荨麻疹、皮疹、广泛性瘙痒等。这些过敏反应一般是暂时性的,通常认为是由供者血浆中的可溶性抗原所引起,不会造成持久性伤害。严重的过敏性输血反应发生率极低,表现为支气管痉挛,喘鸣,低血压和胃肠道不适等全身过敏症状,可能威胁到生命。过敏反应机制主要有两种,Ⅰ型过敏反应是由IgE介导的针对外来蛋白质的免疫反应;另一种是由补体介导的内源性过敏毒素而产生,比如补体活化过程中产生的、具有炎症介质作用活性的C3a、C4a和C5a片段。IgA缺乏个体带有高效价抗IgA抗体,这些抗体可以激活补体并发生过敏反应,因此遇到这类过敏反应的个体,应该考虑是否属于IgA缺乏。
急性溶血反应定义为在输血后24小时内发生,是由受者体内针对供者红细胞抗原的同种抗体所引起。延迟性溶血反应通常发生在输血后24小时至7天之间,被认为是由先前输血获得的抗红细胞抗体所引起。如果误输ABO血型不匹配的血液,输入红细胞与受者体内ABO天然抗体结合,将发生溶血性输血反应,严重者危及生命。接受多次输血、器官移植和造血干细胞移植的患者,以及经产妇或孕妇,都有可能产生ABO血型以外的红细胞同种抗体,如果他们接受携带相应抗原的血液,也可以产生溶血性输血反应,其中以RhD抗体最为常见。
如果供者血液中含有白细胞抗体,该抗体可以激活受者肺的中性粒细胞,活化的粒细胞破坏自身肺内皮细胞,产生输血相关急性肺损伤(TRALI)。通常在输血后6小时之内发生,典型症状是急性呼吸窘迫,低氧血症,低血压。根据发病机制,TRALI分为“免疫型”和“非免疫型”等2类。大多数免疫型TRALI,是由于输注的全血、血浆、红细胞和浓缩血小板悬液等血液制剂中的HLA抗体,或HNA抗体所引起。预防办法之一是避免采用女性供者血浆,因为有妊娠史的妇女产生HLA和HNA抗体的机会比较高。非免疫型TRALI是由血浆中的脂质、细胞因子等生物活性物质所引起[194,195]。
早在20世纪80年代就发现,尸体肾移植患者在移植前接受输血有较好的移植结果。Opelz等分析了1360例尸体供者肾脏移植,发现移植前输血数量增加与改善移植生存明显相关,并将移植前输血,作为改善尸体肾移植的治疗方案[196]。临床资料和动物试验表明,同种异体输血可以对受者产生免疫抑制作用,从而改变受者对感染和肿瘤抗原的反应能力,这个概念基本上获得认可。一般认为输血相关免疫调节(transfusion related immunomodulation,TRIM)与输注的同种异体白细胞密切相关,但其确切机制尚不清楚。发生TRIM涉及同种异体单核细胞、白细胞衍生的可溶性物质,或可溶性HLA多肽等多种因素。输注储存前去除白细胞的血液和洗涤后的红细胞悬液,可以有效地减少输血免疫调节作用[197]。
输血对受者免疫系统的影响,观察到如下一些现象:①促进Th2细胞生产细胞因子,因此提高体液免疫应答;降低Th1细胞生产细胞因子,减弱细胞免疫应答,从而影响到Th1/Th2的免疫平衡;②在体外混合淋巴细胞培养试验中,细胞免疫刺激反应降低,对可溶性抗原的增殖反应降低;③在体外试验中,CD8+T细胞数量和抑制功能增加,CD4+辅助T细胞数量减少,自然杀伤细胞数量和活性下降,细胞介导的细胞毒性细胞减少;④T调节细胞的数量增加;⑤输注的可溶性HLA-Ⅰ类抗原和CD40L抗原,以及储存的血小板浓缩物的上清液,可以以某种方式诱导TRIM[198]。
输血相关移植物抗宿主病(TA-GVHD)是输血引起的最严重并发症之一,病死率高达90%以上。如果受者接受HLA不匹配的全血或白细胞输注,受者免疫系统可以识别供者淋巴细胞为外来物而加以排斥。如果受者和供者的HLA匹配,受者免疫系统不能识别供者为外来物,使供者的免疫活性细胞得以在患者体内生存和增殖,并将患者的组织器官和细胞作为“非己”而进行攻击破坏,产生移植物抗宿主病,这类似于组织器官移植和造血干细胞移植中常见的GVHD。TA-GVHD极其罕见,其主要症状为发热,肝功能障碍,皮疹,腹泻和全血细胞减少。在患者使用亲属血液输血时,由于患者与亲属的HLA匹配程度较高,发生TA-GVHD的风险也高。预防办法之一是使用γ射线处理灭活供者的免疫活性细胞。
自1981年Gantt发现围术期同种异体输血与切除治疗恶性肿瘤患者的复发率升高相关后[199],有大量的回顾性研究报告。可能是由于标本的异质性,得到的结果不尽相同,甚至有相互矛盾的结果。目前比较一致的看法包括:①输血影响手术治疗癌症患者的血细胞比容[200];②输血与手术后结肠癌复发率升高相关[201,202];③输注红细胞浓缩液对手术后癌症患者预后有负面影响[203,204];④血小板制剂和血浆含有多种血细胞衍生物,输注后对癌症患者有负面影响[205]。虽然目前对围术期输血是否降低癌症患者的免疫反应能力尚无定论,但是输血的负面影响基本被认可,因此对这类疾病患者的输血阈值应谨慎处理,尽量避免不必要的输血[206]。
输血相关微嵌合作用(transfusion associated microchimerism)是指携带不同遗传基因的细胞,共同存在于同一个宿主的血液循环中。在接受大量异体输血的患者中,大约10%的受者血液含有供者细胞,而且可持续几十年之久。在接受骨髓移植的患者和正常妊娠妇女的血液中,也可以检出来自骨髓供者和孕妇胎儿的细胞。虽然理论上微嵌合体有发生移植物抗宿主病,或自身免疫或炎性疾病的风险,但其真实的临床意义尚不明了[207]。
输血后紫癜是罕见的输血并发症,通常在输血后5~10天出现紫癜、出鼻血、胃肠道出血和血小板减少等症状。主要是由于患者体内血小板抗体与输入的或自身的血小板抗原相互反应所致。一般采用静脉注射免疫球蛋白治疗,对于有输血后紫癜史的患者,避免使用血小板抗原阳性的血液制剂。
低血压输血反应(hypotensive transfusion reactions)可在发生在输血期间,可能是由于凝血级联途径被激活而产生缓激肽,导致血压下降。在正常生理情况下,缓激肽被血管紧张素转化酶所分解代谢,因此服用血管紧张素转换酶抑制剂的患者,有增加低血压输血反应的风险。
在临床输血配型中,目前国内只要求ABO血型和Rh血型中的D抗原相容,基本上不考虑其他血型是否匹配的问题。如果患者体内带有红细胞血型抗体,在输血前交叉配型中可以检测出来,然后根据抗体的特异性选择匹配血液输注。但是对于初次接受输血的患者,如果接受ABO血型或RhD抗原以外的不匹配血液,面临产生同种抗体的风险。受者对不匹配血型抗原的免疫应答能力,个体之间差异很大,而且与红细胞表面抗原数量、免疫原性以及受者HLA-Ⅱ类分子等多种因素相关。表3-30是一些主要血型抗原在红细胞表面上的位点数量。此外,随机输注红细胞产生红细胞抗体的机会,与随机人群血型不匹配的比例有关。不匹配比例越低,产生抗体的机会越低。比如中国人的Kell表型几乎全部为K-k+,因此在中国人之间随机输血产生抗K抗体机会几乎为零。
一些小型研究观察到输注红细胞有助于晚期癌症患者症状缓解,但是一些大样本研究显示围术期红细胞输注可能有免疫抑制作用,导致术后并发症、感染率和复发率增加,降低无复发生存率。在结肠直肠癌肝转移、食管癌、胃癌、肝细胞癌、泌尿道上皮恶性肿瘤、晚期卵巢癌、宫颈癌、口腔和口咽鳞状细胞癌等患者中,观察到红细胞输注的负面影响,而且发现输血次数越多预后越差。但是也有结果相反的报告,目前对于红细胞输注是否有免疫抑制作用尚存争议[206]。
红细胞在储存期间会发生结构和生理变化,被统称为储存损伤。有一些报告显示接受储存2到3周以上的红细胞的患者,特别是心脏手术的患者更容易发生输血不良反应[208-211]。Cholette等发现输注长时间存储红细胞与术后医院感染率增加相关,即便输注洗涤过的陈旧红细胞也增加感染率[212]。但是也有报告显示,红细胞存储持续时间的长短与输注不良反应无关[213]。Steiner等发现在接受复杂心脏手术的12岁或以上的患者中,没有发现输注储存10天或更短的红细胞优于储存21天或更长时间的红细胞[214]。
血小板表面除了ABH等红细胞抗原之外,还有携带CD36,CD109,HLA以及血小板特有的HPA,接受血小板输注的受者都有产生相应抗体的风险。如果供者血小板制剂中含有同种抗体,可以造成受者不同程度的输血反应,甚至危及生命。
血小板携带ABH,Ii,Lewis和P抗原,未检测出Rh,Duffy,Kidd,Kell和Lutheran抗原。血小板上ABH物质的量在个体之间存在差异,A抗原数量高于B抗原。输注ABO不相容的血小板影响血小板恢复,因此临床血小板输注要求ABO血型匹配[215,216]。
血小板糖蛋白4(GPⅣ)是血小板表面主要糖蛋白,是血小板反应蛋白(thrombospondin)受体,在细胞分化抗原命名中被称为CD36抗原。缺乏CD36抗原的个体可以产生抗CD36抗体。CD36同种抗体与血小板输注无效相关,可以造成输血相关急性肺损伤,以及胎儿水肿等疾病[217-219]。
血小板表面CD109是α2-巨球蛋白/补体基因家族的成员,它携带血小板特异性抗原HPA-15a和HPA-15b。与大多数血小板特异性抗原不同,这2个等位基因都高度表达,但是它们的免疫原性较低,抗HPA-15a或抗HPA-15b抗体罕见[220,221]。
血小板表面携带大量HLA-Ⅰ类抗原,接受血小板输注的受者可以产生HLA抗体,并可能导致血小板输注无效。输注去除白细胞的ABO匹配血小板,可以减少血小板输注无效[222-225]。如果输注的血小板制剂含有HLA或特异性HNA抗体,可能发生输血相关急性肺损伤。
目前使用血清学方法已经检测出35个特异性HPA,相应抗体来自接受输血患者、新生儿同种免疫血小板减少症患儿母亲或血小板输注无效患者。输注HLA匹配的亲属或无关供者血小板,仍然有将近20%的患者发生血小板输注无效,这与血小板特异性HPA抗体相关[226]。在已经产生HLA抗体的受者中,大约25%同时产生HPA抗体[227]。
血小板输注是治疗恶性血液病的方法之一。随机试验表明,预防性血小板输注可以减轻急性髓性白血病患者的出血,但是多达75%的患者还是遇到出血问题[228]。近年来发现血小板可能是促炎症的免疫调节剂[229],主要基于如下一些认识:①血小板衍生的脂质与TRALI相关;②血小板也是免疫细胞,因为血小板制剂上清液中的IL-6,IL-27,可溶性CD40L和OX40L与发热反应密切相关,而且可溶性CD40L还与TRALI密切相关;③血小板输注是促炎症的,而且可能促血栓形成;④抗A抗体和抗B可以结合ABO不匹配的受者或供者血小板和可溶性抗原,这有损止血作用,增加了出血;⑤储存的血小板上清液含有可能损害宿主对肿瘤反应的生物活性物质,比如血管内皮生长因子(VEGF)和转化生长因子TGF-b1等。
肿瘤细胞可以激活自体的和输入的血小板,吸引到肿瘤部位的血小板微粒(platelet microparticle,PMP)可以释放血管内皮生长因子、血小板衍生生长因子和转化生长因子β等物质,这有利于肿瘤生长和增殖[230]。血小板还能够帮助肿瘤细胞的侵袭,迁移和外渗扩散,形成远处转移[206,231]。因此对化疗诱导血小板减少症的恶性肿瘤患者,是否采用围术期血小板输注需要仔细评估[232]。
粒细胞浓缩物制剂含有大量具有免疫活性的T淋巴细胞,对于接受粒细胞输注的受者,特别是准备做同种异体移植手术的受者,容易发生TA-GVHD。为了避免TA-GVHD,粒细胞浓缩物使用前通常需要接受25Gy的γ射线辐照,以抑制淋巴细胞的增殖能力[233]。选择和受者白细胞抗原匹配的供者,可以达到较好的效果,一般不需要做粒细胞交叉配型。虽然引起临床问题的不总是HLA抗体[234],但是对于已经被HLA致敏的受者,不宜输注随机供者的粒细胞。在这种情况下,应该使用受者的血清和供者白细胞或粒细胞做交叉配型试验,选择匹配的供者[235]。粒细胞浓缩物也会污染红细胞,通过沉降处理可以降低红细胞污染。对被红细胞致敏的儿童患者输注含有红细胞的粒细胞制剂,未发现溶血现象[236]。
新鲜冷冻血浆(FFP)含有非常丰富的来自多种血液细胞的微粒(microparticle,MP),其中70%~90%是由血小板产生的微粒(platelet microparticle,PMP)。血浆中MP的水平可以影响细胞刺激的平衡、细胞增殖和死亡,具有输血相关免疫调节作用。PMP具有完整的血小板膜蛋白和膜脂质等膜结构,输入人体后仍然能发挥其生物学功能,比如可以诱导血栓形成,也可以作为肿瘤启动子直接刺激肿瘤生长和扩散[206]。因此输注FFP产生的免疫并发症高于其他血液成分[237]。使用有机溶剂和去污剂处理的血浆(SD血浆)可以降低免疫并发症的风险,故有人认为SD血浆比FFP更安全[238]。与血浆输注相关的不良反应主要有如下几种。
接受血浆输注受者可能发生过敏性输血反应(allergic transfusion reactions,ATR)。轻度ATR仅限于荨麻疹、瘙痒、皮肤发红等症状。速发型超敏反应表现出支气管痉挛、血管性水肿或低血压等全身症状,严重者可以发生过敏性休克。常见的皮肤过敏反应是IgE介导的,一些严重的过敏反应也可以由IgE介导,涉及补体成分片段,类胰蛋白酶,细胞因子,白三烯和血小板激活因子。过敏性休克一般归因于抗IgA抗体。
FFP输注指南要求给予患者输注ABO匹配的FFP,如果输注ABO不相容的FFP可能造成溶血性输血反应,特别是使用含有高效价抗A或抗B抗体的血浆。FFP输注发生的溶血反应程度,比输注ABO不相容红细胞造成的溶血性输血反应为轻。
在欧洲一般要求每升FFP制剂含有的红细胞少于6.0×109,美国没有相应标准。血浆制剂内残留的红细胞和红细胞碎片,可以导致红细胞同种异体免疫作用,但是发生率很低。已经有输注FFP后产生抗D,抗E,抗Jka和抗Fya抗体的报道。对RhD阴性患者,不需要提供RhD阴性血浆。
FFP制剂被认为是不含有细胞的,但是一些研究显示血浆污染大量的白细胞,每个单位血浆可以含有(1~3)×106个白细胞。虽然经过冰冻保存,融化后仍然有一小部分白细胞存活,而且即使死亡的白细胞也仍然携带HLA抗原分子。它们可以刺激受者发生免疫应答,导致产生输注白细胞相关的并发症,如非溶血性发热性输血反应,TA-GVHD以及产生白细胞同种抗体。在制备FFP前去除白细胞,有助于减少这类并发症。
免疫机制发生的TRALI,是由供者的HLA抗体或中性粒细胞HNA抗体所介导[239-242]。非免疫机制发生的TRALI,与血液储存期间产生的溶血磷脂酰胆碱、非极性脂质、CD40配体、细胞因子等生物活性物质相关[243-246]。根据美国FDA统计资料,在2003年TRALI是输血相关死亡的主要原因,涉及的最常见血液制剂是FFP。大多数严重和致命的TRALI是抗体介导的,其中将近80%是由于HLA抗体造成的。由于胎母免疫作用使相当比例的经产妇携带HLA抗体,避免TRALI的策略之一是停止使用从经产妇或有妊娠史妇女制备的血浆。荷兰实施使用男性血浆后,TRALI病例减少33%[247]。
输液相关循环负荷过重(transfusion associated circulatory overload,TACO)被定义为在输血的6小时内发生的急性静脉性肺水肿,其症状为急性呼吸窘迫、缺氧和肺水肿,类似于TRALI。尽管两者有不同的发病机制,但是临床上难以区分。输注血浆的体积以及快速输注,被确定为发生TACO的危险因素。此外,左心室功能障碍,以及输注FFP时要求使用抗凝血逆转剂的数量,被认为是发生TACO的预测因子[248]。
输注血浆和其他血液成分可能对手术癌症患者产生副作用,成为近年来人们关注的议题。接受手术治疗的癌症患者,在手术过程中或手术后通常需要输注血液制品。对于出现凝血障碍的患者一般输注FFP,冷沉淀物或血小板。血浆中的凝血因子有助于凝血,但是含有大量从激活或凋亡血细胞表面脱落的微粒。在体外制备血浆的离心处理或单采血浆过程中也可以产生微粒,释放肿瘤启动子和细胞因子,特别在长期储存的血液中更为明显。微粒具有双层磷脂结构,表达多种膜受体,暴露的磷脂酰丝氨酸具有凝血活性,并且它们可以携带脂质、生长因子、微小RNA以及线粒体等生物活性分子,在细胞之间穿梭[249]。因此输注血浆可能对手术癌症患者有副作用[206],两项荟萃分析表明,输注血液制品与结肠直肠癌手术后的无复发生存期和总生存期相关[250]。在其他类型的癌症患者中是否也存在这种关联,有待进一步研究。虽然现今的血浆输注比过去更安全,但必须意识到血浆输注伴随的潜在危险,减少输血相关死亡的策略之一是避免不必要的输血。
(赵桐茂)
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