Immunologia

Principi fondamentali

Introduzione all’immunologia

Immunologia: studio degli eventibiologici, chimici e fisici concernenti ifenomeni immunologici

Immune - “protetto da…” o “nonsoggetto a…”

Sistema immune – complesso dibarriere, cellule e composti chimici checi proteggono contro gli agenti infettivie le cellule tumorali

Tipi di difese immunitarie

Innata (costitutiva)– Tempo rapido di risposta– Principalmente non-specifica (azione contro diversi

organismi)– Non richiede un contatto precedente– Non funziona meglio a seguito di successivi contatti

Acquisita (adattativa)– Necessita di giorni/settimane per svilupparsi– Principalmente specifica (per certuni organismi)– Necessita di una sorta di allenamento precedente

Interazioni tra difese specifiche edaspecifiche

Difese aspecifiche(cute, mucose, cellule NK

fagocitosi, complemento, interferoni)

Difese specifiche(anticorpi, linfociti T e B)

Citochine, Chemochine

Tre linee di difesa

1) barriere all’ingresso– Principalmente aspecifiche e innate

2) cellule protettive e prodotti chimici– Entrano in gioco quando vengono meno le prime– Principalmente aspecifiche e innate

3) anticorpi e cellule citotossiche– Forniscono un’immunità durevole dopo il primo

contatto– Principalmente acquisite e specifiche

1a linea: barriere all’infezione

Barriere fisiche

– pelle (cellule cheratinizzate)• Difficili da digerire da parte dei microbi,

ricambiate continuamente

– epitelio delle mucose interne• Produzione di uno strato mucoso imbrigliante• Utilizzo di ciglia che sospingono il materiale

all’esterno

– tosse, starnuto, deglutizione

– azione dilavante dei fluidi (sudore, lacrime, urine)

Barriere chimiche

– pH acido dello stomaco, pelle, vagina

– Azione idrolitica: enzimi proteolitici nel trattogastro-intestinale

– Lisozima: degradazione del peptidoglicano

– Lattoferrina: legame ioni ferro

– Defensine: provocano fori nella membrana batt.

1a linea: barriere all’infezione

Quando c’è lesione delle barriere:2a linea di difesa

Infiammazione: forze accelleranti le reazioni, richiamo di popolazioni cellulari

Fagocitosi: rimozione e uccisione dei microbi

Complemento: uccisione diretta di alcuni microbi, cooperazione alla fagocitosi

Interferoni: azione antivirale aspecifica, attivazione dei macrofagi

Infiammazione

Reazione all’evento traumatico a dannodei tessuti– Ferita di origine fisica o chimica

– Invasione da parte di un microrganismo

– Reazione allergica

Fondamentale nell’immunità acquisita– Risposta protettiva globale

– Possibile causa di danno tissutale e malattia

Citochine e chemochine:un ruolo fondamentale nella risposta

infiammatoria

Citochine: messaggeri chimici intercellulari(meccanismo ormone-simile)

Chemochine: formano gradienti diconcentrazione per guidare la migrazionecellulare

Spesso agiscono sinergisticamente comeregolatori cellulari

Principali citochine infiammatorie

Tumor necrosis factor-α (TNF-α)

Interleuchina-1 (IL-1)

– Prodotta da macrofagi e cellule endoteliali

– Aumenta la permeabilità vascolare

– Promuove la formazione di coaguli

– Induce la febbre

– Aumenta la fagocitosi (neutrofili)

Benefici dell’infiammazione

Richiama i componenti necessari alla risposta

L’afflusso di fluidi diluisce i prodotti batterici

La fibrina intrappola i batteri (prevenzionedella diffusione)

I neutrofili fagocitano e uccidono i batteri

La febbre La febbre è la reazione ai componenti batterici

– TNFα e IL-1 aumentano il setting ipotalamico

Effetti positivi dello stato febbrile– Inibisce la crescita– Diminuisce la disponibilità di ferro– Stimola le reazioni immunitarie

Effetti negativi dello stato febbrile (T>40°C)

– Danno tissutale

Antipiretici (aspirina, acetaminofeni)– Abbassamento temp., contrasto dei benefici

Controllo dell’infiammazione

Formazione di pus– Costituizione: neutrofili morti, detriti cellulari,

batteri– Elevata viscosità: DNA dai neutrofili

Conclusione del processo infiammatorio– Macrofagi “ripuliscono” i siti

– Tessuto riparato o sostituito da tessutocicatriziale

– A volte l’infiammazione diviene cronica

Il riconoscimento del patogeno

LectinaRecettori RGD (Arg-Gly-Asp)Interazioni idrofobichePAMP (pathogen-associated-molecular

pattern) → PRR (pattern recognitionreceptor)

Il riconoscimento del patogeno -TLR

– Derivanti dai monociti

– Largamente distribuiti nei tessuti

– Cellule circolanti (sentinella)

– Liberano citochine infiammatorie di richiamo per altrifagociti (IL-1)

– Importanti nei processi di maturazione e presentazione antigenica

Le cellule della 2a linea di difesaMacrofagi

Le cellule della 2a linea di difesaNeutrofili

– Leucociti polimorfonucleati (PMN) o granulociti

– Globuli bianchi a vita breve

– Fagocitosi “generica” di microbi extracellulari

– Uccisione intracellulare:non ossidativa (enzimi idrolitici o AnMP)

ossidativa (HOCl e ione superossido)

– La conta dei neutrofili aumenta in corso d’infezione

– Pazienti neutropenici sono più suscettibili (anche alleinfezioni opportunistiche)

Linfociti importanti contro:– Infezioni virali– Patogeni batterici intracellulari

Aderiscono e uccidono le cellule dell’ospiteinfettate– Riconoscimento di molecole estranee sulla

membrana– Rilascio di granuli tossici=morte cellula dell’ospite– Secrezione di interferone gamma=attivazione

macrofagi

Le cellule della 2a linea di difesalinfociti-NK (natural killer)

Cooperazione Macrofagi – cellule NK

IFN- γ

IL-12

IFN-γ

IFN- γ

IL-12IL-12

Cellula NK

Batteri nelmacrofago

Il macrofagoattivato uccide I

batteriintracellulari

Fagocitosi – Arrivare al sito (1)

Diapedesi – fuoriuscita da circolo sanguigno– Adesione alla parete dei vasi mediata dalle

citochine

– Infiltrazione delle cellule tra le serrate giunzioniendoteliali

Chemotassi – migrazione al sito d’infiammazione– I fagociti seguono il gradiente [chemochine] – Arrivo al punto interessato

Fagocitosi – Arrivare al sito (2)

Fagocitosi – Meccanismo

Formazione di pseudopodi– Riconoscimento dei batteri mediante recettori

– Internalizzazione in fagosomi

– Favorita dall’opsonizzazione

Fagocitosi – Meccanismo Fusione fagosoma/lisosoma

– Formazione del fagolisosoma– Uccisione di alcuni microbi mediante HOCl (da

Cl, perossido di idrogeno, basso pH emieloperossidasi)

– Produzione di forme reattive dell’ossigeno

Fagocitosi – Meccanismo

Uccisione e digestione

– Esposizione a composti del cloro e dell’azoto

– Attacco da parte di enzimi degradativi e dicomposti ad azione antibatterica (defensine)

Fagocitosi – Meccanismo

Rilascio di detriti cellulari

Sistema complementare

Importante difesa aspecifica– Entra in gioco sia nella risposta innata che in

quella acquisita– Costituito da ca. 20 proteine ematiche– Sintesi: epatica e globuli bianchi

Cascata di reazioni enzimatiche– “complementa” l’azione degli anticorpi– Coadiuva la distruzione di batteri ed alcuni virus

I 3 Stadi della cascata di reazioni

Inizio delle reazioniAmplificazione – effetto cascataAttacco delle membrane – uccisione microbi

Vie di attivazione (1)

Via classica: rapida* ed efficiente– Inizia quando l’anticorpo lega il microbo– Fa parte della risposta acquisita– Componenti di partenza: C1, C2, C4

Delle lectine: usa gli stessi componenti della viaclassica– Assenza di anticorpi (risposta innata)– Inizia al legame delle lectine (proteine sieriche) al

mannano (glicoproteine batteriche)

Classica e lectinica

Via alternativa – lenta, meno efficiente– Assenza di anticorpi– Protezione agli stadi iniziali dell’infezione

– Componenti di partenza: B, D, properdina

– Legame alla superficie batterica– Il legame promuove la cascata di reazioni del

complemento

Vie di attivazione (2)

I 3 Stadi della cascata di reazioni

Riassumendo il sistemacomplementare…

…coadiuva l’inizio della risposta infiammatoria

…richiama neutrofili e macrofagi

…opsonizza i microbi per la fagocitosi

…uccide direttamente alcuni microbi

Gli interferoni

Interferon γ: attivatore dei macrofagi

Interferoni di tipo 1 (α e β)– Secreti da parte di molte cellule– Risposta all’infezione virale– Protezione di cellule vicine

Attività antivirale degli interferoni α e β

Specificità– Riconoscimento e risposte a singoli microbi– Programmata per ottimizzare la difesa tipo-

specifica

Al primo incontro necessita di gg/settimane

Determina la memoria immunologica– rapida ed efficace risposta agli incontri

successivi

3a linea di difesa- Il sistemaimmunitario acquisito (adattativo)

Tipi di immunità acquisite

Umorale: microbi extracellulari– Mediata da anticorpi secreti nei fluidi– Anticorpi prodotti dai linfociti B– Neutralizza, elimina microbi e tossine

Cellulo-mediata: microbi intracellulari– Mediata da linfociti T– Difesa contro microbi intracellulari– Elimina cellule ospite infette o prepara i fagociti per

il killing

“Attori” nella risposta acquisita (1)

Macrofago – l’informatore– Fagocita e uccide i microbi– Funge da APC

Cellula dendritica- il raccoglitore– Cattura gli antigeni– Trasporto ai linfonodi

– Presentazione alle cellule T

T Helper (Th) – l’orchestratore– Le più abbondanti– Assistono le reazioni delle cellule B, e

di altre cellule T– Portano il marker CD4

T Soppressore – la regolativa– Inibisce altri linfociti– Aiutano aprevenire risposte anomale

“Attori” nella risposta acquisita (2)

T Citotossiche (Tc)– le assassine– Contro infezioni intracellulari

– Istruite dalle APC e Th

– Uccidono cellule infettate dell’ospite– Portano il marker CD8

B – le fabbriche di anticorpi– Ricevono istruzioni dalle Th

– Le più efficaci contro infezioniextracellulari

“Attori” nella risposta acquisita (3)

T della memoriaB della memoria

– Funzionalmente quiescenti– durature– Assistono nell’immunità a lungo

termine

I vendicatori

“Attori” nella risposta acquisita (4)

Il campo di gioco

Quattro comparti corporei sono implicati

Grande interscambio e comunicazione

Comunicazione tra comparti

Struttura base dell’anticorpo monomerico(Ab)

Molecola proteica

– 4 catene - 2 pesanti, 2leggere

– Unite da ponti S–S

– Regioni flessibili

– Il frammento Fabcontiene 2 siti dilegame all’Ag

– La regione Fc lega Ifagociti e ilcomplemento

Funzioni dell’ Ab (1)

Opsonizzazione– L’ Ab si lega alla superficie microbica mediante il Fab– I fagociti riconoscono l’Fc, ingerendo il microbo– Particolarmente importante per i batteri capsulati

Neutralizzazione– L’ Ab si lega alle tossine microbiche– Si previene il legame della tossina ai recettori

specifici dell’ospite– Blocco del legame dei virus alla cellula ospite

Attivazione del complemento– Metodo efficiente per l’inizio della cascata del

Complemento– Opsonizzazione e complesso di attacco alla membrana

Intrappolano i microbi nel muco– La porzione Fc delle IgA secrete legano la mucina

Agglutinazione– Collega tra loro cellule batteriche e si formano così

degli aggregati

Funzioni dell’ Ab (2)

Tipi di Ab:le classi anticorpali differiscono…

…nella struttura– Principalmente nella porzione Fc– Nel numero di monomeri funzionali– Molecole accessorie ne influenzano l’azione

…nel tempo di produzione durante larisposta

…nella localizzazione all’interno del corpo

Immunoglobuline G - IgG

– Le più abbondanti

– monomeriche

– opsonizzano

– neutralizzano

– fissano il complemento

– agglutinano

– le sole a passare la placenta

– 4 sottotipi (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4)

Immunoglobuline M (IgM)

– Le più grandi – pentameri

– I monomeri collegati da catene J

– Neutralizzano bene

– Le migliori nell’attivaz. del compl.

– Da sole non opsonizzano bene

– I primi Ab ad apparire dopo infezione

– Utili ai fini diagnostici

Immunoglobuline A (IgA e sIgA)

– IgA – monomeri a bassa conc. nel sangue e nei tessuti

– sIgA – dimeri uniti da catene J + porzioni secretorie

– sIgA importanti nelle difese sulle superfici mucose

– Intrappolano i microbi nel muco

– Non attivano il complem., opsonine deboli

– Secrete nel latte materno

Immunoglobuline E (IgE)

Monomeri - struttura simile alle IgG

L’Fc lega i basofili, le mast cellule, non ifagociti

Coinvolti nella risposta allergica

Protettivi contro le infezioni elmintiche deltratto G.I.

Altri concetti riferiti alle risposte Ab

Titolo: misura della concentrazioneanticorpale

Affinità: forza di legame Ag-Ab

Risposta primaria- prima esposizioe all’Ag

Risposta secondaria– Risposta ripetuta dopo esposizioni successive– Denominata anche: anamnestica o “booster”

Risposte primaria e secondaria

1-6 settimane 1-2 settimane

Cosa sono gli antigeni (Ag)

– Così denominati poichè generano anticorpi

– Implicati nella risposta immune

– Stimolano le risposte cellulo-mediate e umorali

– Vengono riconosciuti come estranei

– Anche denominati “immunogeni”

Caratteristiche degli Ag

Epitopo – parte di un Ag che è “riconoscibile”

Antigenicità o immunogenicità– Misura della capacità stimolante– Data da dimensioni, forma, composizione chimica

Le molecole complesse sono gli Ag “migliori”– Le proteine sono particolarmente immunogene– Discreta immunogenicità di lipoproteine e

glicoproteine

Riconoscimento dell’Ag da parte deilinfociti

Ciascuna cellula T o B è specifica per unepitopo dell’Ag– Inizialmente poche cellule ampio spettro di

specificità– Ciascuna possiede recettori di superficie

antigene-specifici

L’Ag si lega a specifiche cellule pre-programmate– Stimolando la divisione cellulare– Attivando cellule per l’azione specifica

Attivazione linfocitaria:necessità di un doppio segnale

Proliferazione = nuovi linfociti

Molecole co-stimolatorie(microbiche o immunologiche)

Epitopo dell’Agmicrobico

Segnale 1

Segnale 2

Recettori linfocitari

Cellule B: anticorpi– Molte molecole riconosciute

– Solubili o associati a cellule

– Forniscono risposta umorale

– Princip. patogeni extracell.

Cellule T: TCR (T-cell recepror)– Solo i peptidi

– Associati a cellule

– Forniscono risposta cellulo-med.

– Princip. patogeni intracell.

Marker di superfice legano gli Ag specificità

Sviluppo del repertorio immunitario

I recettori delle cellule B e T debbono avere– Regioni variabili per la specificità di ciascun antigene– Regioni conservate per gli stimoli comuni

La variabilità deve soddisfare ~109 epitopi– Utilizzo della ricombinazione genica nelle cellule germinali– Cambiamento di nucleotidi alle giunzioni di ricombinazione– I linfociti in maturazione sono continuamente monitorati

Le cellule T sono selezionate per riconoscere lemolecole del MHC

I complessi maggiori diistocompatibilità (MHC)

Proteine che legano gli Ag sulla superficiedelle cellule dell’ospite– Mostrano gli antigeni peptidici alle cellule T

– Uniche per ciascun individuo, le stesse pertutte le cellule di uno stesso individuo

Due tipi – MHC I e MHC II

Cellule presentanti l’Ag (APC)

I microbi vengono degradati in epitopi dalleAPC

APC: macrofagi, cellule dendritiche (nel t.linfatico), cellule B

L’APC “presenta” gli Ag alle cellule T(mediazione del MHC)

Cattura degli Ag proteici ad operadelle DC

La superficie degli epiteli ricche in DC– I recettori di superficie riconoscono i microbi– Specializzazione nel processamento di Ag

microbici– Migrazione verso I linfonodi

All’ interno dei linfonodi– Catturano Ag negli spazi tissutali, linfa, sangue– Presentano Ag alle cellule T nelle molecole MHC

Recettori dei linfociti T specifici perAg trattenuti nelle proteine MHC

APC forniscono anche I secondisegnali alle cellule T

Ag = segnale 1

I microbi stimolano i 2° segnali delle APC– Molecole co-stimolatrici di superficie– citochine (p.es. IL-12)

Le cellule T si dividono e maturano– Producono le proprie citochine (p.es. IL-2) – Le Th inoltre inducono altre funzioni delle

cellule immunitarie

L’Ag nel MHC I stimola le Tc

MHC I prodotte da tutte le cellule (eccettoeritrociti)

Legano l’Ag generato nel citoplasma cellulare

Ag + MHC I sulla superficie cellulare stimolale Tc

Innesco dell’uccisione di cellule anormali– Infettate con organismi intracellulari– Mutate in cellule tumorali

Riconoscimento dell’Ag ecostimolazione per l’attivazione delle Tc

Le Tc legano l’Ag nel sito delle MHC I– La MHC I lega il marker CD8 delle Tc– Se lo fa su un’APC infetta, l’ APC invia il 2° segnale

– Se lo fa su altre cellule, la Th manda il 2° segnale

Le Tc si attivano– Si dividono– Migrano al sito dell’infezione per eradicarla– Alcune divengono Tc della memoria

L’uccisione di cellule infette daparte delle Tc

Le Tc attivate uccidono:– Cellule infette che mostrano Ag virali + MHC I – Granuli prodotti dalle Tc penetrano nelle cellule infette– Si sormano pori nelle membrane e viene indotta l’apoptosi

L’Ag nel MHC II stimola le Th

Le molecole del MHC II si trovano solo:– macrofagi, cellule B– APC specializzate (p.es DC)– Importante contro microbi extracellulari o tossine

Gli Ag processati nei fagolisosomi delle APC– Si legano ai siti sulle molecole MHC II– La MHC II lega il marker CD4 delle Th

– Risposta anticorpale, fagocitosi e killing

– Alcune divengono Th della memoria

Se i macrofagi arrivano ma non riescono aduccidere– I macrofagi stimolano le Th mediante IL-12– Le Th antigene-specifiche producono IFN γ– Questo aiuta i macrofagi ad uccidere I microbi

intracellulari

Le Th guidano l’attività killer deimacrofagi

Le Th stimolano le Tc e le B

Le Th producono citochine (p.e. IL-2)– Stimolano così le Tc ad un’attività killer migliore– Stimolano così le B ad iniziare la produzione di

anticorpi

Ag riconosciuti dai linfociti B

Gli Anticorpi (Ab) sono utilizzati come molecolerecettore– Riconoscono una gran varietà di Ag

– Gli Ag possono essere proteine, polisaccaridi, lipidi– Non richiedono modificazioni o le MHC

Il riconoscimento dell’Ag non è molto regolato– Avviene più spesso nella milza e nei linfonodi– Aiutato dal legame di antigeni opsonizzati alle DC

Segnali per l’attivazione dei linfociti B

1° segnale: legame al recettore anticorpale– Il legame di >1 molecola Ag sulla superficie delle cellule B– Il legame di epitopi ripetitivi all’interno di una singola

molecola Ag

2° segnale: si può avere in modi differenti– Attacco del fattore C3d al microbo– Intervento delle Th per la risposta alle proteine (tossine)

Interazione Cellula B – Th per larisposta alle proteine (1)

B e T specifiche perlo stesso Ag

B agisce da APCper stimolare le Th

La Th fornisce il 2°segnale per la B

La B si divide eproduce anticorpi

Intervento delle Th necessario alle B:– Modificazione del tipo di Ab in produzione– Produzione di Ab che legano meglio l’antigene– Produzione di cellule della memoria

Cellule B della memoria:– Non secernenti Ab– Possono dividersi rapidamente e quindi

iniziare a produrre Ab quando riesposte allostesso Ag

Interazione Cellula B – Th per la rispostaalle proteine (2)

Risposta T-indipendente delle celluleB a polisaccaridi e lipidi microbici

I batteri incapsulati rappresentano un problema– Richiedono Ab anti-capsulari per l’opsonizzazione– polisaccaridi e lipidi non sono buoni Ag

I polisaccaridi possono reagire direttamentecon le cellule B– Causano il legame di molti recettori– Promuovono la produzione di Ab senza Th– Non inducono memoria cellulare

Vaccinazione

Stimolazione dell’immunità per somministrazionedi microrganismi o di loro parti in una forma cehnon dà luogo a malattia

Un buon vaccino produce livelli elevati diimmunità, con efficacia a lungo termine

Possono essere necessarie più sommiistrazioniripetute a distanza di tempo

Immunizzazione passiva

Somministrazione di anticorpi preformati inun ospite diverso:– Inizialmente da animali: effetti collaterali tossici

– Anticorpi umani: migliori, meno immunogenici– Gamma globuline umane– Globuline immunitarie specifiche