Il Sistema Immunitario

AMCI San Miniato Etica delle Vaccinzaioni

Prof. Mario Milco D'Elios 1

Convegno Convegno A.M.C.IA.M.C.I16 aprile 2016, San Miniato16 aprile 2016, San Miniato

Come funzionano i VacciniCome funzionano i Vaccini

Mario Milco D'Elios

Università di Firenze [email protected]

Il Sistema ImmunitarioIl Sistema Immunitario

FunzioneFunzione: : difesadifesa daldal mondomondo esternoesterno((patogenipatogeni) e ) e conservazioneconservazione delladella identitidentitààdelldell’’ individuoindividuo..

NelNel corsocorso delldell’’ evoluzioneevoluzione sisi sonosono sviluppatesviluppatemolteplicimolteplici modalitmodalitàà didi difesadifesa cheche consentonoconsentonoagliagli organismiorganismi didi riconoscerericonoscere eded eliminareeliminare ciòciòcheche èèestraneoestraneo..

La La difesadifesa dalledalle infezioniinfezioni sisi basabasa susumeccanismimeccanismi didi tipotipo innatoinnato e e acquisitaacquisita chechecomprendonocomprendono elementielementi cellularicellulari e e umoraliumoraliliberiliberi nelnel sierosiero e e neinei liquidiliquidi corporeicorporei..

Il Sistema ImmunitarioIl Sistema ImmunitarioLL’’ immunitimmunitàà ““innatainnata”” èè la prima linea di difesa la prima linea di difesa costituita da meccanismi presenti gicostituita da meccanismi presenti giààprima prima delldell’’ invasione del patogeno e comprende:invasione del patogeno e comprende:–– ContinuitContinuitààdella barriere epiteliali e della barriere epiteliali e mucosalimucosali–– La via alternativa del complementoLa via alternativa del complemento–– Funzione fagocitaria espressa da macrofagi e neutrofili.Funzione fagocitaria espressa da macrofagi e neutrofili.–– Le cellule Le cellule ““ naturalnatural killerkiller””

LL’’ immunitimmunitàà ““acquisitaacquisita”” èè altamente altamente specificaspecifica per per ll’’ antigene, richiede alcuni giorni per essere operativa antigene, richiede alcuni giorni per essere operativa e comprende:e comprende:–– I linfociti T, le cellule presentanti lI linfociti T, le cellule presentanti l’’ antigene antigene

e la risposta e la risposta cellulocellulo--mediatamediata–– I I linfociti linfociti B, le plasmacelluleB, le plasmacellule e la risposta umorale e la risposta umorale

((gli anticorpigli anticorpi))–– La via classica del complementoLa via classica del complemento

immunità adottivaimmunità adottivauna volta che arriva un antigene i B proliferano e si una volta che arriva un antigene i B proliferano e si differenziano in plasmacellule secernenti anticorpidifferenziano in plasmacellule secernenti anticorpi



immunità adottivaimmunità adottivaattivazione attivazione dei linfociti Bdei linfociti B e produzione di anticorpie produzione di anticorpi

immunità immunità acquisitaacquisitagli anticorpi gli anticorpi

immunità umoraleimmunità umorale

immunità immunità acquisitaacquisitagli anticorpi gli anticorpi


immunità immunità acqusitaacqusitagli anticorpi gli anticorpi




Risposta anticorpale primaria e Risposta anticorpale primaria e secondariasecondaria

L’affinità così come la quantità di anticorpo aumentano ripetendo le immunizzazioni.



immunità acquisitagli anticorpi

Attacchi di morbillo e memoria immunologica

Su quale principio si basa la vaccinazione?

L’organismo viene esposto a materiale biologico che rappresenta/mima

l’agente infettivo cosicché il sistema immunitario monta la resistenza ad un dato patogeno e acquista MEMORIA di esso, senza aver sperimentato una

reale infezione e la conseguente malattia.

VaccinoVaccino

Preparato contenente materiale costituito da microrganismi o parti di essi, opportunamente trattato, in modo da perdere le proprietà infettive ma non quelle antigene, per essere utilizzato nel conferimento di immunità attiva al soggetto cui viene somministrato. L'immunità deriva dalla stimolazione, nel soggetto ricevente, alla produzione di anticorpi neutralizzanti il microrganismo stesso.

I requisiti essenziali sono: innocuità, efficacia, facilità di somministrazione, basso costo di produzione.

I vaccini si distinguono in tre tipi, legati alle modalità di creazione:vaccini da germi vivi / attenuati vaccini da germi uccisi vaccini da prodotti microbicivaccini a DNA



Memoria immunologica e vaccinazione• Infezioni naturali:

1a infezione � memoria �2a infezionerisposta lenta risposta veloceil patogeno si moltiplica il patogeno è eliminatosintomi/malattia no malattia

• Vaccinazione � memoria�infezione naturaleno malattia risposta veloce

il patogeno è eliminatono malattia

Quale malattia scomparsa con vaccinazione? Vaiolo

Il vaiolo è una malattia contagiosa di origine virale che nel 30 per cento deicasi risulta fatale. L'ultimo caso ufficiale di vaiolo nel mondo è statodiagnosticato nel 1977 in Somalia e l’Organizzazione Mondiale della Sanitàha dichiarato eradicata questa malattia nel 1980.

Non esiste un trattamento specifico per il vaiolo e l'unico modo di prevenirlo è lavaccinazione. Data l’eliminazione della malattia, la vaccinazione obbligatoria èstata sospesa a partire dagli anni ‘80 in tutti i paesi. Riserve del virus sonomantenute ufficialmente solo in due laboratori in condizioni di stretta sicurezza:uno negli Stati Uniti e uno in Russia.

Ci sono due forme cliniche di vaiolo. Le più comune è quella causata dal virusVariola major che si manifesta con febbri elevate e con la comparsa di pustoleulceranti su tutto il corpo. Esistono quattro tipi di vaiolo di questo genere: quelloordinario (più del 90 per cento dei casi), una forma lieve che a volte si sviluppasu persone preventivamente vaccinate, quello piatto (detto anche maligno) equello emorragico, raro ma molto grave. Meno grave, con una mortalità sotto l’1per cento, è la forma di vaiolo causata dal virus Variola minor

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TETANO: MORBOSITA’ IN ITALIA DAL 1955 AL 1996



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DIFTERITE: MORBOSITA’ IN ITALIA DAL 1925 AL 2000

2000

Vacc. obbligatoria

Epidemia di difterite nella Epidemia di difterite nella Federazione Russa nel 1995Federazione Russa nel 1995

Nel 1994 sono statinotificati nellaFederazione Russa47.628 casi di Difteritee nel 1995 50.412. NelComplesso, dall’iniziodell’epidemia al 16Agosto 1996 si sonoregistrati più di125.000 casi con 4.000decessi.

Nel 2014 la difterite è stata notificata in molti stati, il più interessato l’India, con

migliaia di casi, i più vicini a noi Belgio, Olanda, Spagna, Germania

PertossePertosse

� 1906- Bordet e Gengou isolano la Bordetella pertussis

� 1939- Kendrick ottimizza il vaccino inattivato

� 1974Sato mette a punto un vaccino acellulare

� 1983Rappuoli ottiene un mutante non tossico di Bordetella

PT9k/129G



Albert Sabin (1906-1993)

1906- Nasce a Bialystok, in Polonia, Albert Sabin, dalla sua terra lo scienziato dovrà emigrare per sfuggire alla persecuzione dei nazisti

1943-46- Durante la guerra, Sabin si dedicherà a studi sui vaccini contro la dengue e l’encefalite giapponese

1947-50- Tornato in Usa svilupperài suoi studi per ottimmizzare un vaccino contro la polio.

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POLIOMIELITE: MORBOSITA’ IN ITALIA DAL 1925 AL 2000

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Vacc. di massa con OPVVacc. di massa con OPV

POLIOMIELITE



Paesi che non hanno mai eliminato la polio

Paesi che hanno eliminato la polio

Come si genera la varietà del repertorio anticorpale?

Configurazione dei loci delle catene pesanti e leggere nell’uomo nella linea germinale

Le catene κ, λ e le catene pesanti sono codificate da loci genici separati su differenti cromosomi. Tutte le regioni costanti delle catene pesanti sono codificate a livello del locus delle catene pesanti (a valle di µ)

Questo processo di ricombinazione avviene nel midollo osseo



L’espressione della catena pesante µ o δ dipende dal tipo di processing dell’RNA Stesso

trascritto primario

Differente processamento dei trascritti

IgM ed IgD sono coespresse sulla maggioranza delle cellule B naive

ψ = pseudogene

Organizzazione della regione genica codificante per la porzione costante della

catena pesante

~200,000 bp

Nota: Cµ è sempre prima di Cδ

Quanti sono i possibili siti di legame per l’antigene differenti?

40V X 5J = 200 catene leggere κ30V X 4J = 120 catene leggereλ

Totale di 320 differenti catene leggere

65V X 27D X 6J = ~10000 catene pesanti

10,000H X 320L = 3200000 differenti siti di legame per l’antigene

Igs e TCR a confronto

Mutazioni somatiche puntiformi possono contribuire ulteriormente alla potenziale diversità nel repertorio anticorpale; in particolare contribuiscono alla maturazione dell’affinità (vedi oltre).



Sommario della vita di una cellula B

Nel midollo osseo, in assenza di antigeni, la cellula B riarrangia i geni per le Ig (pannello1). Quelle cellule B con un BCR che lega antigeni self muoiono nel midollo osseo (panello 2).Cellule B che non riconoscono antigeni nel midollo osseo, possono uscire (sono cellule B naïve). Se legano l’antigene in periferia, possono essere attivate, proliferare e differenziare (pannello 3 e 4).

Cellule B attivate diventano PLASMACELLULE e CELLULE DELLA MEMORIA.

(delezione clonale)

La modalità di attivazione delle cellule B dipende dall’antigene, se T-dipendente o T-

indipendente.

E’ sempre comunque richiesto il cross-linking del recettore BCR.

Thymus-dependent antigen (TD antigen)

Thymus-independent antigen (TI antigen)

Gli antigeni TI-1 attivano le cellule B attraverso:

1. Binding al BCR (segnale 1)

2. Binding ad altri recettori della superficie cellulare della cellula B (segnale 2).

Es: peptidoglicano si lega al BCR e al TLR2.

Gli antigeni TI-2 realizzano un estensivo cross-linking dei BCR

fornendo così sia segnale 1 che 2.Es: polisaccaridi o proteine con epitopi

ripetuti.

TI-1 La risposta anticorpale nei confrontidi antigeni T-indipendentigeneralmente ha le seguenticaratteristiche:

1. Non si formano cellule memoria.

2. Non si ha switch isotipico.

3. Non si verificano mutazionisomatiche.



Per l’attivazione delle cellule B da parte degli antigeni T-dipendenti, sono necessari due tipi

di processi:

1. Interazione dell’antigene con i recettori Igdelle cellule B (i BCR).

2. Una volta che l’antigene è legato al BCR, essoviene internalizzato, degradato, combinato conuna molecola di MHC II e presentato sullasuperficie a cellule T helper.

3. Ricezione di segnali di stimolazione provenientidalle cellule Th-antigene specifiche (che hannogià subito l’attivazione da parte di celluledendritiche) cui le cellule B presentanol’antigene.

Le cellule B e lecellule T devonoriconoscereepitopi dellostesso complessomolecolare perpoter interagirefra loro, ma nonnecessariamentegli stessi epitopi.Ma l’epitopo chela cellula Bpresenta alla Thdeve essere lostesso che questaha visto sulladendritica.

!Ricorda! Le cellule B possono vedere sia epitopi sequenziali che conformazionali, mentre le cellule T solo sequenziali.

• TEORIA DELLA SELEZIONE CLONALE– L’organismo produce un grande pool di cellule B

diverse fra loro.– L’incontro con l’antigene stimola solo le cellule B

che sono in grado di riconoscerlo e di legarvisi. – Le cellule B stimolate proliferano producendo un

clone di cellule B (tutte le cellule del clone hanno Ig di superficie che riconoscono lo stesso epitopo antigenico).

– Il clone di cellule B si differenzia a dare due popolazioni cellulari:Le PLASMACELLULE (che secernono anticorpi)Le CELLULE DELLA MEMORIA.

La teoria della selezione clonale è il principio dell’immunità adattativa e riguarda anche i

linfociti T.

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OCCURS IN BONE MARROW

STEM CELL

µ IgH HEAVY CHAIN EXPRESSED

NAIVE

REPERTOIREANTIGEN-INDEPENDENT DEVELOPMENT

PRE-B CELL

IgM and IgD EXPRESSEDMATURE “NAIVE” B CELL

κ OR λ IgL LIGHT CHAIN EXPRESSED

IMMATURE “NAIVE” B CELLIgM EXPRESSED

µ

OCCURS IN LYMPHNODES & SPLEEN

MEMORY & PLASMA CELLS

ANTIGEN-DEPENDENT DEVELOPMENT

ADAPTIVE

REPERTOIRE

MATURE “NAIVE” B CELLIgM and IgD EXPRESSED

“ACTIVATED” B CELL

CLASS SWITCH & DIFFERENTIATION

IgG, IgA , IgE EXPRESSED

ANTIGEN + T CELL HELP

MA COME AVVIENE IN DETTAGLIO MA COME AVVIENE IN DETTAGLIO L’ATTIVAZIONE DI CELLULE B?L’ATTIVAZIONE DI CELLULE B?

"CAPPING"ANTIGEN

B CELLS

INTERNALIZATION / ANTIGEN

PROCESSING / PRESENTATION

class II

MHC +

PEPTIDE

B7

ACTIVATION

DENDRITIC CELL

B7

Th0 CELL

TCR

CD4

IL-2

CD28

T CELL

"ACTIVATED" Th1/2 CELL

Th2

Th1/2

CD4

TCR

CD28

Più in dettaglio……

BCR

BCR cross-linking= segnale 1

A seguito del cross-linking del BCRla cellula B aumenta espressione di B7 ed MHC-II

EFFECTOR FUNCTIONCLASS SWITCHING: CHANGE ANTIBODY

SOMATIC HYPERMUTATION:ADAPT V REGION & ALTER ANTIGEN BINDING

CYTOKINES

IFN-γ, IL-4 & IL-5

Th1/2 cell

B cell

B7

CD28

DOVE AVVIENE TUTTO QUESTO?

CD40L

CD40

Interazione CD40L/CD40= segnale 2

La T cell che riconosce MHCII-peptide inizia ad esprimere CD40L e a rilasciare citochine. Il CD40L legandosi a CD40 fornisce il segnale 2 alla B cell che inizia ad esprimere recettori per citochine.

Alcune cellule B dopo essere state attivate dalle cellule T (dando luogo ad un focus primario nella T-cell zone), lasciano quest’ area e vanno in circolo dove rilasciano anticorpi IgM (queste cellule muoiono dopo pochi giorni per apoptosi). Altre invece si spostano verso la B-cell zone.

Ci troviamo nella milza o nei linfonodi.



Centrocita è una cellula B;centroblasto è una cellula B in divisione.

I centri germinativi contengono soprattutto cellule B ma anche un 10% di cellule T.

I centri germinativi della B-cell zone (GC) in linfonodi e milza contengono cellule B, cellule T e cellule dendritiche follicolari.

1. Ipermutazione somatica con conseguente maturazione dell’affinità.

2. Switch isotipico (cambio di classe di anticorpo mantenendo invariata la specificità di legame all’antigene).

Nei centri germinativi, le cellule B già attivate vanno incontro a:

IPERMUTAZIONE SOMATICAIPERMUTAZIONE SOMATICA

Il fenomeno di ipermutazione somatica (introduzione di mutazioni puntiformi nella regione V delle catene pesanti e leggere) si verifica nei centri germinativi in cellule B proliferanti derivanti da cellule B che hanno già riconosciuto l’antigene. Il risultato saranno cellule con idiotipi che legheranno l’antigene uguale, peggio o meglio rispetto agli idiotipi originali.

Avviene solo quando cellule B riconoscono antigeni e ricevono segnali da cellule T attivate.

Dopo la ipermutazione somatica, le cellule B con recettori ad alta affinità sono selezionati positivamente in seguito al legame dell’antigene e ricevono segnali da linfociti helper specifici. Questi ultimi sostengono la proliferazione ed il differenziamento delle cellule B in cellule effettrici anticorpo-secernenti (plasmacellule) che migrano nel midollo osseo, ed in cellule della memoria, alcune circolanti ed altre che rimangono nei linfonodi /milza.

IPERMUTAZIONE SOMATICAIPERMUTAZIONE SOMATICA



Da dove origina l’antigene che sostiene il centro germinativo?

• Sembra verosimile che patogeni vivi continuino a produrre antigeni finché non vengono eliminati dalla risposta immunitaria, dopo di che il centro germinativo decade.

• L’immunizzazione con antigeni proteici di solito provoca un rilascio lento e per lungo tempo degli antigeni, cioè mima la situazione che si instaura con i patogeni vivi.

SWITCH ISOTIPICO:la produzione di isotipi diversi da µ e δ avviene per splicing genico

E’ il tipo di processing che subisce il trascritto primario che dà una forma o l’altra.

Same Same primary primary transcripttranscript

Quando una cellula B diventa plasmacellula perde i recettori di membrana (Ig di superficie) ed inizia a secernere gli anticorpi solubili con la stessa specificità di quelli di membrana.

Dalle Ig di Dalle Ig di membrana alle Ig membrana alle Ig

secretesecrete



Focus primario

Centro germinativo molte cellule proliferanti (centroblasti)

Formazione di celule memoria

Le cellule B attivate nei foci primari possono:

1. Diventare immediatamente plasmacellule e quindi dare una prima liberazione di anticorpi in circolo (in genere IgM).

2. Migrare nella zona B di linfonodi o milza e dare origine ai centri germinativi in cui vanno incontro a ipermutazione somatica e switch isotipico. Il risultato è che le cellule B attivate e specifiche per un dato antigene subiscono, se il loro recettore Ig è diventato più affine all’antigene, una selezione positiva. In seguito poi allo switch isotipico acquisiscono anche la capacità di produrre anticorpi diversi da IgM o IgD (es. IgG). Queste cellule B differenziano in cellule secernenti anticorpi (plasmacellule) ed in cellule B della memoria. La maggioranza delle plasmacellule sopravvivono da pochi giorni a poche settimane. Le cellule B della memoria durano anni.

RICAPITOLANDO….

Vedi figura successiva

Le cellule B che sopravvivono ed escono dal centro germinativo diventano plasmacellule o cellule memoria.



Le cellule B della memoria mantengono i cambiamenti che hanno acquisito nei centri germinativi (switch di classe ed ipermutazioni somatiche). Per questo motivo con una seconda esposizione dello stesso antigene si avranno subito anticorpi IgG ad alta affinità e molto più rapidamente.

Le cellule della memoria potranno dopo l’incontro con l’antigene andare incontro nuovamente ad eventi di ipermutazione somatica con conseguente ulteriore miglioramento dell’affinità

Questione aperta: Le cellule B memoria, richiedono per sopravvivere la persistenza dell’antigene oppure sono cellule a lunga vita indipendentemente dall’antigene?

Summary of the life of a lymphocyte

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SELEZIONE ANTIGENICA ED ESPANSIONE CLONALE

Il Sistema Immunitario

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