Miễn dịch chéo là gì? Cơ chế hoạt động và những hạn chế

Miễn dịch chéo là khả năng một kháng thể nhận biết, liên kết với epitope trên các kháng nguyên khác nhau có cùng cấu trúc. Phản ứng miễn dịch chéo đóng vai trò then chốt trong việc hình thành các phản ứng miễn dịch chống lại mầm bệnh biến đổi liên tục. Các đặc tính cấu trúc và hóa học của kháng nguyên cùng với tính đặc hiệu của tế bào miễn dịch sẽ chi phối khả năng miễn dịch chéo. Hiểu được cơ chế miễn dịch chéo có ý nghĩa quan trọng đối với việc phát triển vắc xin, sinh bệnh học và xét nghiệm chẩn đoán.

Miễn dịch chéo là gì?

Miễn dịch chéo là khả năng miễn dịch giữa các kháng nguyên có cùng cấu trúc ba chiều (epitope) cho phép kháng thể của một kháng nguyên nhận ra kháng nguyên khác. Cụ thể hơn, phản ứng miễn dịch chéo xảy ra khi một kháng thể chống lại một kháng nguyên cụ thể liên kết thành công với một kháng nguyên khác có cùng epitope. (1)

Epitope, hay còn gọi là yếu tố quyết định kháng nguyên, là vị trí cấu trúc trên một phân tử kháng nguyên có thể phản ứng với một kiểu cấu trúc hóa học của phân tử kháng thể hoặc phân tử thụ thể trong máu hoặc trên tế bào miễn dịch. Một kháng nguyên có thể có một hoặc nhiều epitope, phân tử kháng nguyên càng lớn thì càng có nhiều epitope. Do có nhiều epitope nên kháng nguyên có thể tạo miễn dịch chéo giữa các kháng nguyên có cùng epitope, ngoài ra, 1 epitope cũng có thể có 2 kháng thể phản ứng đặc hiệu.

Cơ chế hoạt động của miễn dịch chéo

Miễn dịch chéo có thể phát sinh dựa trên một trong hai cơ chế: (1) các epitope được chia sẻ trên các kháng nguyên đa hóa trị, hoặc (2) sự tương đồng về hình dạng của các epitope.

1. Trong trường hợp các epitope được chia sẻ trên các kháng nguyên đa hóa trị

Kháng thể phải liên kết với cùng ái lực. Kháng nguyên đa hóa trị là những kháng nguyên có nhiều epitope trên bề mặt để kháng thể có thể gắn kết ở nhiều vị trí. Nếu hai kháng nguyên có chung các epitope giống nhau, nghĩa là chúng có các vùng có trình tự axit amin hoặc cấu trúc hóa học giống nhau, chúng có thể được nhận biết bởi cùng các kháng thể. Khi đó, phản ứng miễn dịch chéo sẽ khởi phát.

Ví dụ virus cúm mùa có khả năng trôi dạt kháng nguyên, tức là chúng liên tục có thể biến đổi nhỏ trên protein bề mặt hemagglutinin (HA) và neuraminidase (NA). Bất chấp những thay đổi này, một số epitope trên các protein này vẫn được bảo tồn ở các chủng virus cúm khác nhau. Có thể kể đến virus cúm chủng H1N1 và H3N2.

Mặc dù chúng có các protein HA khác nhau nhưng chúng có chung một số epitope. Nếu một người được chủng ngừa chủng H1N1 và sau đó tiếp xúc với chủng H3N2, các kháng thể được tạo ra chống lại các epitope chung trên chủng H1N1 cũng có thể nhận biết và liên kết với các epitope trên chủng H3N2. Epitope chung này cho phép phản ứng miễn dịch chéo, tạo ra sự bảo vệ ở một mức độ nhất định chống lại chủng H3N2 mặc dù tiêm vắc xin chống chủng H1N1.

2. Trong trường hợp có sự tương đồng về hình dạng của các epitope

Kháng thể sẽ liên kết với ái lực kém hơn. Hình dạng của các epitope không chỉ được xác định bởi trình tự axit amin mà còn bởi cấu trúc hoặc hình dạng ba chiều của chúng. Ngay cả khi hai kháng nguyên có trình tự axit amin chính khác nhau, chúng có thể gấp lại thành các hình dạng ba chiều giống nhau, biểu hiện các epitope có cấu hình tương tự nhau.

Trong trường hợp này, các kháng thể được tạo ra để chống lại một kháng nguyên có thể nhận biết và liên kết với epitope trên kháng nguyên kia do hình dạng tương tự nhau, mặc dù có sự khác biệt về trình tự axit amin.

Ví dụ virus Zika và virus sốt xuất huyết là hai loại flavivirus riêng biệt có thể gây ra các triệu chứng tương tự nhau, chẳng hạn như sốt và phát ban. Mặc dù có sự khác biệt về trình tự axit amin chính, chúng có một số vùng trên protein bề mặt, gấp lại thành các hình dạng ba chiều tương tự, biểu hiện các epitope có cấu hình tương tự. Các kháng thể được tạo ra chống lại virus Zika do nhiễm trùng hoặc tiêm chủng cũng có thể nhận biết và liên kết với các epitope có hình dạng tương tự trên virus sốt xuất huyết, dẫn đến phản ứng miễn dịch chéo.

Các yếu tố liên quan đến miễn dịch chéo

1. Sự giống nhau về cấu trúc giữa các kháng nguyên

Sự giống nhau về cấu trúc giữa các kháng nguyên tạo điều kiện cho phản ứng miễn dịch chéo bằng cách cho phép các kháng thể hoặc tế bào T được hình thành chống lại một kháng nguyên cụ thể nhận biết và liên kết với một kháng nguyên khác có cấu trúc tương tự.

Kháng thể hoặc tế bào T nhận biết các epitope trên kháng nguyên. Nếu hai kháng nguyên có cấu trúc tương tự nhau, chúng có thể biểu hiện các epitope có hình dạng hoặc tính chất hóa học giống nhau. Sự giống nhau này cho phép các kháng thể được hình thành để chống lại một kháng nguyên nhận biết và liên kết với các epitope trên kháng nguyên còn lại.

Ngay cả khi hai kháng nguyên có trình tự axit amin khác nhau, chúng có thể gấp lại thành các hình dạng ba chiều giống nhau, biểu hiện các epitope có cấu hình tương tự nhau. Sự giống nhau về hình dạng này dẫn đến phản ứng miễn dịch chéo.

Ái lực liên kết của kháng thể với các epitope của các kháng nguyên khác nhau có thể khác nhau, với một số kháng thể thể hiện sự liên kết mạnh hơn với kháng nguyên ban đầu và liên kết yếu hơn với kháng nguyên liên quan. Tuy nhiên, ngay cả những tương tác liên kết yếu cũng có thể góp phần gây ra phản ứng miễn dịch chéo và đóng một vai trò trong phản ứng miễn dịch.

2. Loại miễn dịch có tác động đến khả năng miễn dịch chéo

Cả miễn dịch tự nhiên và miễn dịch nhân tạo đều có thể tác động đến phản ứng miễn dịch chéo, nhưng chúng khác nhau về mức độ nhận biết, nguồn ghi nhớ miễn dịch, tính đặc hiệu của phản ứng miễn dịch và khả năng kiểm soát phản ứng miễn dịch chéo.

Miễn dịch tự nhiên có được thông qua tiếp xúc với mầm bệnh trong môi trường và có thể nhận biết rộng hơn các kháng nguyên. Hệ thống miễn dịch tự nhiên có thể nhận ra nhiều loại kháng nguyên từ các mầm bệnh khác nhau, góp phần thúc đẩy phản ứng miễn dịch chéo. Độ đặc hiệu miễn dịch tự nhiên có thể khác nhau tùy thuộc vào lịch sử phơi nhiễm của từng cá nhân với các mầm bệnh khác nhau.

Miễn dịch nhân tạo được hình thành thông qua tiêm chủng thường có tính đặc hiệu cao hơn miễn dịch tự nhiên. Vắc xin được thiết kế để nhắm mục tiêu vào các mầm bệnh hoặc thành phần kháng nguyên cụ thể, dẫn đến phản ứng miễn dịch tập trung hơn. Không giống với khả năng miễn dịch tự nhiên, phản ứng miễn dịch chéo do tiêm chủng có thể dễ dự đoán và kiểm soát hơn.

Bằng cách đưa các kháng nguyên hoặc epitope từ các mầm bệnh liên quan vào vắc xin, các nhà nghiên cứu có thể thiết kế vắc xin mang lại khả năng bảo vệ chéo chống lại nhiều chủng hoặc biến thể của mầm bệnh.

⇒ Tìm hiểu thêm: Cơ chế hoạt động của vắc xin khi được tiêm vào cơ thể người

Ứng dụng của miễn dịch chéo trong y học

Miễn dịch chéo thúc đẩy quá trình phát triển vắc xin, tăng cường đáp ứng miễn dịch và mở rộng khả năng bảo vệ chống lại các mầm bệnh khác nhau, góp phần đáng kể vào nỗ lực y tế công cộng nhằm chống lại các bệnh truyền nhiễm

Phòng ngừa bệnh truyền nhiễm: lợi ích chính của miễn dịch chéo là cung cấp khả năng miễn dịch bảo vệ đối với các mầm bệnh liên quan. Khi một kháng thể lưu hành nhận ra mầm bệnh mà hệ miễn dịch đã tiếp xúc trước đó, nhờ trí nhớ miễn dịch mà nó sẽ tạo ra phản ứng miễn dịch nhanh chóng và nhắm mục tiêu tiêu diệt mầm bệnh.

Miễn dịch chéo cho phép cùng một kháng thể nhận biết và kích thích phản ứng miễn dịch mạnh mẽ tương tự đối với một kháng nguyên có liên quan chặt chẽ nhưng chưa từng tiếp xúc trước đây. Bằng cách này, một kháng thể ít đặc hiệu hơn sẽ cung cấp khả năng miễn dịch phổ rộng mặc dù có sự biến đổi kháng nguyên ở mầm bệnh. Ví dụ như việc tiêm vắc xin phế cầu phòng viêm phổi do phế cầu khuẩn có khả năng tạo miễn dịch chéo không đặc hiệu với virus Sars-CoV-2 gây bệnh Covid-19. (2)

Thúc đẩy quá trình phát triển vắc xin: hiểu được cơ chế miễn dịch chéo giúp các nhà nghiên cứu phát triển được các loại vắc xin phòng ngừa cho những chủng virus mới. Bằng cách khai thác khả năng nhận biết các kháng nguyên tương tự của hệ thống miễn dịch, các nhà nghiên cứu xác định các kháng nguyên từ các mầm bệnh liên quan gây ra phản ứng miễn dịch tương tự như mầm bệnh mục tiêu, làm tăng cơ hội phát triển một loại vắc xin có hiệu quả rộng hơn, mang lại sự bảo vệ đối với những mầm bệnh có liên quan chặt chẽ với mầm bệnh mục tiêu.

Tuy nhiên, một thách thức lớn đặt ra đó là làm thế nào để xác định các kháng nguyên kích hoạt phản ứng chéo mà không gây ra phản ứng tự miễn dịch hoặc tăng khả năng gây bệnh, điều này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải lựa chọn và mô tả đặc tính cẩn thận trong quá trình phát triển vắc xin.

⇒ Tìm hiểu thêm: 12 cách tăng cường hệ miễn dịch cho cơ thể hiệu quả

Các khuyết điểm của miễn dịch chéo

Phản ứng miễn dịch chéo có thể không cung cấp sự bảo vệ toàn diện chống lại tất cả các chủng hoặc biến thể của mầm bệnh. Mặc dù phản ứng miễn dịch chéo ở một mức độ nào đó có thể chống lại các mầm bệnh liên quan nhưng không đủ để có thể ngăn ngừa tuyệt đối nhiễm trùng hoặc bệnh do các chủng hoặc biến thể khác nhau gây ra.

Ngoài ra, các phản ứng miễn dịch chéo thiếu tính đặc hiệu, dẫn đến việc phản ứng với các kháng nguyên không gây bệnh hoặc vô hại. Sự kích hoạt không đặc hiệu này của hệ thống miễn dịch có thể dẫn đến tình trạng viêm, tổn thương mô hoặc phản ứng dị ứng không cần thiết.

Trong một số trường hợp, miễn dịch chéo có thể tăng cường khả năng gây bệnh của các mầm bệnh liên quan. Các kháng thể hoặc tế bào T được tạo ra để đáp ứng với một mầm bệnh có thể vô tình tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập hoặc nhân lên của các mầm bệnh có liên quan chặt chẽ, làm trầm trọng thêm mức độ nghiêm trọng của bệnh.

Trong lĩnh vực y tế dự phòng, miễn dịch chéo có thể được ví như là một yếu tố then chốt trong việc thiết kế các chiến lược tiêm chủng hiệu quả. Bằng cách khai thác phản ứng miễn dịch chéo, vắc xin có thể được thiết kế để tạo ra khả năng miễn dịch rộng rãi và lâu dài chống lại nhiều chủng hoặc biến thể của mầm bệnh. Cách tiếp cận này không chỉ nâng cao hiệu quả của vắc xin mà còn góp phần vào nỗ lực toàn cầu trong phòng ngừa và kiểm soát dịch bệnh.

Việc phát triển vắc xin tạo ra phản ứng miễn dịch mạnh mẽ và chống được nhiều mầm bệnh vẫn là một con đường đầy hứa hẹn để giảm thiểu gánh nặng bệnh truyền nhiễm trên toàn thế giới. Do đó, hiểu biết và khai thác sức mạnh của phản ứng miễn dịch chéo đóng vai trò là thiết yếu trong việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng và thúc đẩy khả năng phục hồi trước các mối đe dọa truyền nhiễm mới nổi.