Anti-alpha-Gal antibodies to predict nosocomial pneumonia

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

Unlike most other mammals, humans have lost the ability to express alpha-1.3-galactosyltransferase (α1.3GT) due to mutations in the GGTA1 gene thereby underlying inability of human cells to synthesize Gala1–3Galb1–4GlcNAc-terminated glycans (αGal), also present in bacterial and viral glycopolymers. The latter are not only highly immunogenic to humans, but also cause an immediate immune response due to pre-existing antibodies to them resulting in local complement hyperactivation followed by an immunoadjuvant effect. Such properties of antibodies against αGal are manifested in hyperacute rejection reactions during xenotransplantation, and are also used to increase the immunogenicity of vaccines against tumors and to develop methods for regenerating nervous system cells. The presence of pre-existing anti-αGal antibodies in human body is commonly associated with protection against bacterial and viral infectious diseases. However, in addition to mediating immune responses, these antibodies have been shown to block activation of the alternative complement pathway, reducing blood bactericidal activity and contributing to development of antibody-dependent enhancement of infection. It is known that blocking activity of anti-αGal antibodies increases blood bactericidal activity against some Gram-negative bacteria. We assumed that this pattern of anti-αGal antibodies could be used for prognostic purposes. Materials and methods. In a pilot study with patients showing sequelae of severe brain damage (n = 70) without clinical signs of pneumonia, plasma samples collected on the day of hospitalization were used to quantitate anti-αGal antibodies using 96-well plates covered with αGal antigen. Results. The presence of high anti-αGal antibody levels in patients significantly predicted a high risk of nosocomial (hospital-acquired) pneumonia. For the first time, the presented results demonstrate the high potential for quantification of anti-αGal antibodies for early stratification of patients at risk of developing nosocomial pneumonia in order to personalize treatment, and also warrant the feasibility of translational studies assessing αGal antibody blockade potential.

Full Text

Введение

В эпоху олигоцена, около 30 млн лет назад, произошли эволюционные процессы, разделившие отряд приматов с выделением ветви, в которую вошли узконосые приматы Старого света, включая предков человекообразных обезьян — гоминоидов. Геном представителей этой ветви, в отличие от других млекопитающих, претерпел серии мутаций гена GGTA1, кодирующего фермент альфа-1,3-галактозилтрансферазу (α1,3GT), что привело к неспособности синтезировать гликаны с Galα1–3Galβ1–4GlcNAc терминацией (aGal), широко распространенный в составе гликополимеров млекопитающих, бактерий и вирусов [1]. В результате для человека и обезьян Старого света антигены, содержащие α-Gal, приобрели высокоиммуногенный характер вследствие отсутствия иммунологической толерантности к этому эпитопу. Антитела классов IgG и IgM (продукт В1-лимфоцитов), распознающие остатки αGal, широко и постоянно представлены в сыворотке человека [9]. Считается, что в первую очередь они синтезируются в ответ на стимуляцию микробиотой кишечника, экспрессирующей распространенные среди грамположительных и грамотрицательных бактерий гены α1,3GT [8].

Анти-αGal участвуют в острых реакциях отторжения ксенотрансплантатов [13], что послужило основой для разработки иммуногенных противоопухолевых вакцин с αGal-экспрессирующими опухолевыми клетками. Такие клеточные вакцины, будучи трансфицированы геном GGTA1, индуцируют воспалительный ответ, усиливающий иммуногенность опухоли. Клинические испытания при раке предстательной железы и поджелудочной железы подтвердили безопасность, иммуногенность и противоопухолевую активность вакцин [7, 12]. Механизм их повышенной иммуногенности связывают с активацией провоспалительных факторов, в том числе с активностью хемокинов, в результате локальной активации комплемента в месте вакцинации при взаимодействии αGal-экспрессирующих вакцин с предсуществующими αGal антителами.

Немногочисленные, но убедительные исследования указывают на высокий потенциал вклада иммунных реакций, обусловленных различными классами αGal-специфических антител, в контроль инфекционных заболеваний, в список которых, помимо малярии, туберкулеза, лейшманиоза, входят заболевания, вызванные вирусами, экспрессирующими на своей поверхности эпитопы αGal — ретровирус С-типа, вирусы Синдбис, везикулярного стоматита, ВИЧ, кори, лимфоцитарного хориоменингита, парамиксовирусы, SARS-CoV-2, а также бактериями — S. pneumoniae, N. meniningitis [2, 5]. Считается, что потеря функционирования гена GGTA1 в процессе эволюции гоминид и человека обеспечила дополнительные преимущества в борьбе с инфекционными угрозами, тем более — в условиях повышенной необходимости миграции вследствие меняющегося климата. Использование нокаутной модели (GGTA1–/–) выявило новый механизм такого преимущества: показано, что существенный вклад в устойчивость GGTA1–/– мышей к экспериментальному сепсису вносит повышенная способность антител нокаутных мышей взаимодействовать с Fc рецепторами фагоцитирующих клеток и усиливать рекрутирование нейтрофилов в зону воспаления [15].

Тем не менее человек остается более уязвимым к сепсису чем GGTA1-положительные приматы, что предположительно, связано с последствиями взаимодействия αGal антител с эпитопами некоторых бактерий человека. В лаборатории Uri Galili была обнаружена способность антител человека к αGal блокировать активацию альтернативного пути комплемента при взаимодействии с липополисахаридом грамотрицательных бактерий [6]. При связывании тех же антител с капсульным полисахаридом других штаммов наблюдали усиление комплемент-зависимого лизиса бактерии. Предполагается, что чувствительность к лизису зависит от участка связывания антител с эпитопом на бактерии. Интересно, что такая способность была подтверждена в отношении αGal IgA (но не IgG) антител, блокирующих комплемент-зависимый лизис при связывании c фимбриями возбудителя менингита N. meningitidis [5]. Отсутствие способности связывать комплемент оказалась выраженной у значительной (до 30%) части репертуара антител, распознающих гликаны бактерий и человека [14]. Блокада αGal-антител растворимым Galα1–3Galβ1–4GlcNAc гликополимером приводила к защите GGTA1-нокаутированных мышей при заражении грамотрицательными бактериями, увеличивая бактерицидную активность крови против E. coli, K. pneumoniae и P. aeruginosa [10].

Таким образом, антитела против αGal, подобно двуликому Янусу, регулируют систему инфекционной защиты, обеспечивая ее баланс.

Мы предположили, что такое свойство антител к αGal может быть использовано с прогностической целью, ожидая, что избыток блокирующих антител, способных ингибировать антибактериальную активность (в том числе — комплемент-зависимую бактерицидность) крови, способствует развитию инфекции, в первую очередь у пациентов с высоким риском развития инфекционных осложнений.

Материалы и методы

Для проверки предположения. на клинической базе Федерального научно-клинического центра реаниматологии и реабилитологии (ФНКЦ РР) было проведено обсервационное выборочное исследование (решение этического комитета ФНКЦ РР, протокол № 2.2.18 от 20.12.2018), в которое включили 70 пациентов с отдаленными последствиями тяжелых повреждений головного мозга (инсульты), госпитализированных без признаков пневмонии, давших информированное согласие на участие в исследованиях. Все пациенты поступили из других лечебных учреждений и находились в продленном или хроническом критических состояниях, требующих применения методов интенсивного лечения. Выбор таких пациентов для исследования был обусловлен высоким риском развития у них тяжелой нозокомиальной пневмонии (НП, вызываемой антибиотикорезистентными бактериями), а впоследствии — сепсиса. По результатам госпитализации, из 70 пациентов 29 (40%) в период с 5 по 28 дни госпитализации заболели НП. Преимущественными возбудителями были грамотрицательные бактерии, среди которых наиболее часто выявляли K. pneumoniae. Группы заболевших и устойчивых к НП были сопоставимы по полу и возрасту. Забор венозной крови осуществляли в первые сутки после поступления в отделение. Полученная плазма крови до анализа хранилась при температуре –80°C. Определение концентрации исследуемых показателей проводили методом ИФА с использованием трисахарида Galα1–3Galβ1–4GlcNAc, конъюгированного с полиакриламидом (PAA). В качестве вторичных антител использовали IgG козы против Ig(G+M+A) человека, конъюгированные с пероксидазой (SouthernBiotech, США). Результаты измерений выражали в относительных единицах, рассчитанных после вычитания значений, полученных после инкубации образцов плазмы только с PAA (фон), путем деления на значения положительного контроля. Положительным контролем служил коммерческий комплексный иммуноглобулиновый препарат (КИП), представляющий собой нормальный иммуноглобулин человека (IgG+IgA+IgM). Измерения проводили в трех разведениях образца (в 40, 80 и 160 раз), по два повтора в каждом. Статистическую обработку данных осуществляли с помощью программного обеспечения STATISTICA 10 (StatSoft Inc., США), Microsoft Excel (Microsoft, США), SigmaPlot, версия 15 (Systat, США). Результаты представляли в виде среднего значения и стандартного отклонения, либо медианы и межквартильного интервала. В случаях, когда распределение переменных отличалось от нормального, сравнение показателей между двумя группами проводили с использованием U-критерия Манна–Уитни, точного теста Фишера и ANOVA (Kruskal–Wallis One Way, метод Dunn). При расчетах относительного риска (ОР) и отношения шансов (ОШ) указывали 95% доверительные интервалы (ДИ). Уровень статистической значимости считали достоверным при p < 0,05.

Результаты

Результаты показали, что определение содержания антител против αGal в день госпитализации, то есть за 5–28 дней до появления первых клинических признаков НП, является кандидатным биомаркером риска развития заболевания (рис., А).

 

Рисунок. Антитела против αGal в прогнозе нозокомиальной пневмонии

Figure. Anti-αGal antibodies for predicting nosocomial pneumonia

Примечание. А. Значения относительного содержания αGal-антител в плазме крови (медианы, квартили Q1; Q3, а также минимальные и максимальные значения). Темно-серые столбцы — относительное содержание антител к αGal у пациентов, предрасположенных к развитию поздней внутрибольничной пневмонии). Светло-серые столбцы — относительное содержание антител к αGal у пациентов, резистентных к развитию внутрибольничной пневмонии. Значимость различий: ANOVA-Kruskal–Wallis One Way. Б. Результаты оценки информативности определения относительного уровня антител среди пациентов с высоким (превышающим контрольные значения используемого стандарта, принятого за единицу, темные столбцы) и низким содержанием αGal антител (отношение значений оптической плотности анти-αGal к контрольному стандарту менее 1, светлые столбцы). * — ANOVA, ** — точный тест Фишера.

Note. A. Relative levels of αGal antibodies in blood plasma (medians, quartiles Q1; Q3, and minimum–maximum values). Dark gray bars indicate relative anti-αGal antibody levels in patients predisposed to developing late-onset hospital-acquired pneumonia. Light gray bars indicate relative anti-αGal antibody levels in patients resistant to developing hospital-acquired pneumonia. Statistical significance was assessed using the Kruskal–Wallis One-Way ANOVA. B. Results of the predictive value assessment for determining relative αGal antibody levels among patients with high antibody content (exceeding the control values of the reference standard, set as 1.0; dark bars) and low αGal antibody content (ratio of anti-αGal optical density values to the control standard <1.0; light bars). * — ANOVA, ** — Fisher's exact test.

 

На рис. А видно, что для пациентов, которые оказались устойчивыми к развитию НП, был характерен низкий уровень антител (светло-серые столбцы), тогда как высокий уровень антител против αGal в первые сутки госпитализации наблюдали у пациентов, у которых впоследствии (в течение 5–28 дней от поступления в клинику) диагностировали НП (темно-серые столбцы). Доля пациентов с пневмонией была значимо выше среди пациентов с высоким уровнем αGal (рис., Б). Значения ОР при высоком уровне антител против αGal составили 3,542 (95%ДИ: 2,092–5,996), а ОШ — 21,9 (95%ДИ: 4,48 to 71,93).

По-видимому, высокий уровень антител против αGal способствует выраженной блокаде бактерицидного ответа пациента на грамотрицательные возбудители НП.

Обсуждение

Представленные результаты впервые выявили высокий клинический потенциал применения количественного определения содержания антител против αGal для уточнения прогноза развития НП для последующей стратификации пациентов по риску ее развития с целью ранней персонализации профилактических и лечебных мероприятий. Своевременное проведение таких мероприятий может иметь особое значение при ишемическом инсульте, при котором довольно часто (до 22%) развивается инсульт-ассоциированная пневмония с высокой летальностью, доходящей в некоторых когортах пациентов до 42% [4]. Предлагаемое в качестве предиктора НП определение в крови антител против αGal дополнит разрабатываемые клинические предикторы жизнеугрожающих состояний в группах высокого риска (ишемический инсульт, длительная госпитализация) [3, 11].

Разработка ранних, клинически доступных предикторов НП на основе антител против aGal смогла бы помочь осуществлению персонализированных подходов к профилактической антибактериальной терапии, что в конечном итоге внесло бы вклад в снижение частоты возникновения жизнеугрожающей НП в группах высокого риска и обеспечило бы снижение смертности.

×

About the authors

Vladimir M. Pisarev

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitation of the Ministry of Education and Science; Central Research Institute of Epidemiology of the Federal Service for Surveillance on Consumer Rights Protection and Human Wellbeing (Rospotrebnadzor)

Author for correspondence.
Email: vpisarev@gmail.com

DSc (Medicine), Professor, Head of the Laboratory of Molecular Mechanisms of Critical Conditions, V.A. Negovsky Research Institute of General Reanimatology, Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitation of the Ministry of Education and Science; Leading Researcher, Laboratory of Healthcare-Associated Infections, Central Research Institute of Epidemiology of the Federal Service for Surveillance on Consumer Rights Protection and Human Wellbeing (Rospotrebnadzor)

Russian Federation, Moscow; Moscow

A. A. Tarlycheva

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitation of the Ministry of Education and Science

Email: vpisarev@gmail.com

Researcher, Laboratory of Molecular Mechanisms of Critical Conditions, V.A. Negovsky Research Institute of General Reanimatology

Russian Federation, Moscow

M. V. Petrova

Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitation of the Ministry of Education and Science; People’s Friendship University

Email: vpisarev@gmail.com

DSc (Medicine), Professor, Deputy Director for Scientific and Clinical Work, Federal Scientific and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitation of the Ministry of Education and Science; Head of the Department of Anesthesiology and Reanimatology, Medical Institute, Peoples' Friendship University of Russia (RUDN)

Russian Federation, Moscow; Moscow

N. V. Bovin

Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: vpisarev@gmail.com

DSc (Chemistry), Professor, Head of the Department of Chemical Biology of Glycans and Lipids, Head and Head Researcher of the Laboratory of Carbohydrates

Russian Federation, Moscow

P. S. Obukhova

Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences; National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology named after Academician V.I. Kulakov

Email: vpisarev@gmail.com

PhD (Chemistry), Researcher, Laboratory of Carbohydrates, Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences; Senior Researcher, Research Department of the Institute of Systems Immunology, National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology named after Academician V.I. Kulakov, Ministry of Health of the Russian Federation

Russian Federation, Moscow; Moscow

N. V. Shilova

Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences; National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology named after Academician V.I. Kulakov

Email: vpisarev@gmail.com

PhD (Chemistry), Senior Researcher of the Laboratory of Carbohydrates, and Associate Professor in Postgraduate Studies Department, Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences; Senior Researcher, Research Department of the Institute of Systems Immunology, National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology named after Academician V.I. Kulakov, Ministry of Health of the Russian Federation

Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. Galili U., Rachmilewitz E.A., Peleg A., Flechner I. A unique natural human IgG antibody with anti-alpha-galactosyl specificity. J. Exp. Med., 1984, vol. 160, no. 5, pp. 1519–1531. doi: 10.1084/jem.160.5.1519
  2. Bernth Jensen J.M., Skeldal S., Petersen M.S., Møller B.K., Hoffmann S., Jensenius J.C., Skov Sørensen U.B., Thiel S. The human natural anti-α Gal antibody targets common pathogens by broad-spectrum polyreactivity. Immunology, 2021, vol. 162, no. 4, pp. 434–451. doi: 10.1111/imm.13297
  3. Fetlam D.L., Chumachenko A.G., Vyazmina M.D., Kuzovlev A.N., Moroz V.V., Pisarev V.M. Prognostic markers of acute suppurative lung disease. Gen. Reanimatol., 2024, vol. 20, no. 2, pp. 14–28. doi: 10.15360/1813-9779-2024-2-14-28
  4. Gerasimova M.A. Contribution of pneumonia in maintaining a high mortality from stroke and their consequences (Literature Review). Human Ecology, 2020, no. 2, pp. 51–57. doi: 10.33396/1728-0869-2020-2-51-57 (In Russ.)
  5. Hamadeh R.M., Estabrook M.M., Zhou P., Jarvis G.A., Griffiss J.M. Anti-Gal binds to pili of Neisseria meningitidis: the immunoglobulin A isotype blocks complement-mediated killing. Infect. Immun., 1995, vol. 63, no. 12, pp. 4900–4906. doi: 10.1128/iai.63.12.4900-4906.1995
  6. Hamadeh R.M., Jarvis G.A., Galili U., Mandrell R.E., Zhou P., Griffiss J.M. Human natural anti-Gal IgG regulates alternative complement pathway activation on bacterial surfaces. J. Clin. Invest., 1992, vol. 89, no. 4, pp. 1223–1235. doi: 10.1172/JCI115706
  7. Hemstreet G.P. 3rd, Rossi G.R., Pisarev V.M., Enke C.A., Helfner L., Hauke R.J., Tennant L., Ramsey W.J., Vahanian N.N., Link C.J. Cellular immunotherapy study of prostate cancer patients and resulting IgG responses to peptide epitopes predicted from prostate tumor-associated autoantigens. J. Immunother., 2013, vol. 36, no. 1, pp. 57–65. doi: 10.1097/CJI.0b013e3182780abc
  8. Montassier E., Al-Ghalith G.A., Mathé C., Le Bastard Q., Douillard V., Garnier A., Guimon R., Raimondeau B., Touchefeu Y., Duchalais E., Vince N., Limou S., Gourraud P.A., Laplaud D.A., Nicot A.B., Soulillou J.P., Berthelot L. Distribution of bacterial α1,3-galactosyltransferase genes in the human gut microbiome. Front. Immunol., 2020, vol. 10: 3000. doi: 10.3389/fimmu.2019.03000
  9. Obukhova P., Rieben R., Bovin N.V. Normal human serum contains high levels of anti-Gal α1-4GlcNAc antibodies. Xenotransplantation, 2007, vol. 14, no. 6, pp. 627–635. doi: 10.1111/j.1399-3089.2007.00436.x
  10. Olivera-Ardid S., Bello-Gil D., Perez-Cruz M., Costa C., Camoez M., Dominguez M.A., Ferrero-Alves Y., Vaquero J.M., Khasbiullina N., Shilova N.V., Bovin N.V., Mañez R. Removal of natural anti-α Gal antibodies elicits protective immunity against Gram-negative bacterial infections. Front. Immunol., 2023, vol. 14: 1232924. doi: 10.3389/fimmu.2023.1232924
  11. Pisarev V.M., Chumachenko A.G., Kalov A.R., Ilyichev A.V., Zakharchenko V.E., Petrova M.V. Informativeness of Immunological Predictors of Prolonged and Chronic Critical Illness Outcome is Limited by Patient’s Genotype. Gen. Reanimatol., 2025, vol. 21, no. 6, pp. 22–34. doi: 10.15360/1813-9779-2025-6-2599
  12. Rossi G.R., Mautino M.R., Awwad D.Z., Husske K., Lejukole H., Koenigsfeld M., Ramsey W.J., Vahanian N., Link C.J. Allogeneic melanoma vaccine expressing alphaGal epitopes induces antitumor immunity to autologous antigens in mice without signs of toxicity. J. Immunother., 2008, vol. 31, no. 6, pp. 545–554. doi: 10.1097/CJI.0b013e31817d2f45
  13. Senage T., Paul A., Le Tourneau T., Fellah-Hebia I., Vadori M., Bashir S., Galiñanes M., Bottio T., Gerosa G., Evangelista A., Badano L.P., Nassi A., Costa C., Cesare G., Manji R.A., Cueff de Monchy C., Piriou N., Capoulade R., Serfaty J.M., Guimbretière G., Dantan E., Ruiz-Majoral A., Coste du Fou G., Leviatan Ben-Arye S., Govani L., Yehuda S., Bachar Abramovitch S., Amon R., Reuven E.M., Atiya-Nasagi Y., Yu H., Iop L., Casós K., Kuguel S.G., Blasco-Lucas A., Permanyer E., Sbraga F., Llatjós R., Moreno-Gonzalez G., Sánchez-Martínez M., Breimer M.E., Holgersson J., Teneberg S., Pascual-Gilabert M., Nonell-Canals A., Takeuchi Y., Chen X., Mañez R., Roussel J.C., Soulillou J.P., Cozzi E., Padler-Karavani V. The role of antibody responses against glycans in bioprosthetic heart valve calcification and deterioration. Nat. Med., 2022, vol. 28, no. 2, pp. 283–294. doi: 10.1038/s41591-022-01682-w
  14. Shilova N., Nokel A., Lipatnikov A., Khasbiullina N., Knirel Y., Baidakova L., Tuzikov A., Khaidukov S., Obukhova P., Henry S., Shoibonov B., Salimov E., Rieben R., Bovin N. Some Human Anti-Glycan Antibodies Lack the Ability to Activate the Complement System. Antibodies, 2024, vol. 13, no. 4: 105. doi: 10.3390/antib13040105
  15. Singh S., Thompson J.A., Yilmaz B., Li H., Weis S., Sobral D., Truglio M., Aires da Silva F., Aguiar S., Carlos A.R., Rebelo S., Cardoso S., Gjini E., Nuñez G., Soares M.P. Loss of αGal during primate evolution enhanced antibody-effector function and resistance to bacterial sepsis. Cell Host Microbe, 2021, vol. 29, no. 3, pp. 347–361. doi: 10.1016/j.chom.2020.12.017

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure. Anti-αGal antibodies for predicting nosocomial pneumonia Note. A. Relative levels of αGal antibodies in blood plasma (medians, quartiles Q1; Q3, and minimum–maximum values). Dark gray bars indicate relative anti-αGal antibody levels in patients predisposed to developing late-onset hospital-acquired pneumonia. Light gray bars indicate relative anti-αGal antibody levels in patients resistant to developing hospital-acquired pneumonia. Statistical significance was assessed using the Kruskal–Wallis One-Way ANOVA. B. Results of the predictive value assessment for determining relative αGal antibody levels among patients with high antibody content (exceeding the control values of the reference standard, set as 1.0; dark bars) and low αGal antibody content (ratio of anti-αGal optical density values to the control standard <1.0; light bars). * — ANOVA, ** — Fisher's exact test.

Download (136KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2026 Pisarev V.M., Tarlycheva A.A., Petrova M.V., Bovin N.V., Obukhova P.S., Shilova N.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 64788 от 02.02.2016.