Immunopatologia 

1. Trapianti e rigetto

Il  trapianto  è  un  intervento  di  chirurgia  che prevede  la  sostituzione  di  una  componente  di un  organismo  vivente  (tessuto,  organo  od insiemi  complessi),  in  quanto  malfunzionante, con l'omologa, funzionante, espiantata da altro individuo. 

Trapianto: definizione (1)

Si identificano quindi due fasi ed individui coinvolti:

1. il prelievo del tessuto/organo/sistema da un soggetto detto donatore 2. il successivo trapianto della stessa parte su di un soggetto detto ricevente 

Trapianto: definizione (2)

Tipi di trapianto• Isotrapianto (detto anche autotrapianto): Trapianto 

di  tessuto  da  uno  stesso  individuo  (es.  cute  da  un distretto all’altro dello stesso soggetto)  

• Omotrapianto: trapianto  di  tessuto  od  organo  fra  2 individui identici (gemelli monovulari)

• Allotrapianto:    trapianto  di  tessuto  od  organo  fra  2 individui della stessa specie ma non identici (90% dei trapianti eseguiti in clinica)

• Xenotrapianto:  trapianto di  tessuto od organo tra 2 individui di specie diversa (es. maiale vs uomo).

Trapianti nella pratica clinica

• Cornea• Rene• Cuore• Polmone o cuore/polmone• Fegato• Midollo osseo• Cute• Osso, cartilagini, vasi sanguigni, insiemi complessi 

(arti).

•I  meccanismi  di  identificazione,  distinzione  e  reazione  da  parte  di  un singolo  organismo/individuo  delle  proprie  cellule  e  tessuti  rispetto  a quelli  di  altri,  sia  della  stessa  specie  che  di  specie  diverse,  sono largamente  presenti  sin  dai  phylum  più  bassi  della  scala  evolutiva  e vanno comunemente sotto il nome  di istocompatibilità. •Alla loro base ci sono per lo più molecole espresse sulla superficie delle cellule  che  permettono  il  riconoscimento  reciproco  alle  cellule  dello stesso individuo senza reazioni avverse.•Sono determinate geneticamente (geni di istocompatibilità, i sistemi di istocompatibilità) •Il  mancato  riconoscimento  da  parte  di  questi  sistemi  molecolari  porta all’attivazione di una serie di meccanismi che determinano la distruzione della sostanza/cellula/tessuto•Rappresentano  quindi  il  limite  da  superare  per  l’attecchimento  di qualsiasi trapiato  e la base molecolare del rigetto del trapianto stesso

Sistemi molecolari di riconoscimento individuale e rigetto dei trapianti

Basi genetiche ed immunologiche del rigetto dei trapianti

Studi nei modelli animali

La pelle di un topo inbred trapiantata in un altro topo dello stesso ceppo non comporta rigetto

TrapiantoAccettato

Basi genetiche del rigetto dei trapianti (1)Studi su topi inbred – Ogni individuo inbred ha lo stesso set di geni

Donatore: ceppo A Ricevente: ceppo A

Donatore: ceppo B Ricevente: ceppo A

TrapiantoRigettato

La pelle di un topo inbred trapiantata in un altro topo di ceppo diverso determina rigetto del trapianto

Ibridi F1(un set di alleli da ciascun genitore)

A x B

I topi del ceppo F1 (A x B) sono immunologicamente tolleranti sia al trapianto da parte di A che di B

Ceppiparentali

A BX

A x B

Trapianto accettato

A B

La pelle dei ceppi F1 (A x B) porta antigeni che sono riconosciuti come estranei dai ceppi parentali

Basi genetiche del rigetto dei trapianti (2)Studi su topi ibridi F1 – Ogni individuo F1 porta le variati geniche di entrambi gli inbred

Trapianto rigettato

6 mesi

Il rigetto dei trapianti e’ dovuto ad una risposta immune antigene-specifica con memoria immunologica

Basi Immunologiche del rigetto dei trapianti

Rigetto primario della cute es. 10 giorni

Rigetto secondario della cute es. 3 giorni

Rigetto primario della cute es. 10 giorni

Topo naive

LyTrasferimento dei linfociti

dal topo primed

Sommario “ad interim”Osservazioni dai modelli animali

Il trapianto di pelle tra diversi ceppi di topi mostra che il rigetto o l’accettazione e’ dipendente dalla genetica di ciascun ceppo:

L’autotrapianto o l’isotrapianto non viene mai rigettatoL’allotrapianto viene sempre rigettato

Il rigetto e’ una forma di immunita’ specifica con memoria

Il rigetto dei trapianti nell’uomo

Genetica del rigetto del trapianto nell’uomoGenetica del rigetto del trapianto nell’uomo(sistemi clinicamente rilevanti) (sistemi clinicamente rilevanti)

Genotipo Fenotipo Presenza anticorpi naturali

OO O Anti-A, -B

AA o AO A Anti-B

BB o BO B Anti-A

AB AB Assenti

A. Sistema ABO

B. Sistema Maggiore di Istocompatibilità (Human Leukocyte Antigen – HLA)

Geni del HLA di classe I e II Ereditarietà dei geni del HLA in una famiglia

• Tre loci HLA classe I – (HLA-A, HLA-B, e HLA-C), – un individuo può esprimere fino a sei differenti molecole HLA class I

• (per ogni antigene ci saranno quelli derivati dalla madre e dal padre).

• Tre loci HLA classe II – HLA-DR, HLA-DP e HLA-DQ, – un individuo può esprimere fino a sei differenti molecole HLA class II

• (per ogni antigene ci saranno quelli derivati dalla madre e dal padre).

• In altre parole 12 possibili differenti loci. 

• Polimorfismo: più di 600 peossibili alleli per ogni antigene (626 per HLA-B, 470 per DRB e 349 per HLA-A).

Genetica del rigetto del trapianto nell’uomoGenetica del rigetto del trapianto nell’uomoB. Sistema Maggiore di Istocompatibilità (Human Leukocyte Antigen – HLA)

Rilevanza dei sistemi ABO ed HLA nei diversi trapiantiRilevanza dei sistemi ABO ed HLA nei diversi trapianti

ABO HLA Altro

Cornea Non necessario Non necessario

Rene ABO compatibili HLA matching; mismatch di HLA classe II più rilevante che di HLA classe I 

Assenza di anticorpi contro HLA classe I

Cuore ABO compatibili HLA matching non richiesto ma studi retrospettivi indicano importanza di HLA classe II

Preferenziale assenza di anticorpi contro HLA classe I

Polmone o cuore/polmone

ABO compatibili HLA matching non richiesto ma studi retrospettivi indicano importanza di HLA classe II

Preferenziale assenza di anticorpi contro HLA classe I

Fegato ABO compatibili HLA matching classe I

Midollo osseo ABO compatibili HLA matching (solo HLA identici preferenzialmente od almeno un HLA aploidentico) 

Assenza di anticorpi contro HLA classe I e II (solo per donatori non familiari)

Indagini pre-trapianto per stabilire l’istocompatibilita’ Indagini pre-trapianto per stabilire l’istocompatibilita’ donatore-riceventedonatore-ricevente

• Determinazione del gruppo sanguigno ABO• Tipizzazione HLA-A, -B, -C, -DR (-DQ e –DP) ad alta risoluzione

(Identificazione in banca dati soggetti riceventi del/i soggetti compatibili in caso di allotrapianto tra non familiari). Più alto è il numero delle non compatibilità (mismatched) più elevata la

probabilità di rigetto.

• Presenza nel ricevente di anticorpi contro il donatore

Influenza della tipizzazione MHC sulla Influenza della tipizzazione MHC sulla sopravvivenza del trapiantosopravvivenza del trapianto

Da RI Lechler “HLA and diseases”, 1998

Rigetto del trapiantoRigetto del trapianto

Si parla di rigetto quando il sistema immunitario di  un  paziente  che  è  stato  sottoposto  a trapianto  attacca  il  nuovo  organo, riconoscendolo come non-self.

Timing del rigetto di trapiantoTiming del rigetto di trapianto

Il rigetto puo’ avvenire in momenti diversi dopo il trapianto. In base al tempo in cui avviene il rigetto, che puo’ orientare sul meccanismo di rigetto, possiamo distingure:

• Rigetto iperacuto (da qualche minuto a poche ore)• Rigetto acuto (da qualche giorno a poche settimane)• Rigetto cronico (dopo alcuni mesi fino a diversi anni dopo)

Rigetto iperacuto

• Rapido

• Risulta  dalla  presenza  di  anticorpi  circolanti  preformati  contro  gli antigeni  dei  gruppi  sanguigni  ABO  od  allo  antigeni  sulle  cellule endoteliali

• Determina  attivazione  del  complemento    trombosi/danno vascolare  ischemia  rigetto

• Irreversibile

• Molto raro se il test di cross-matching e’ negativo

Nel trapianto iperacuto, anticorpi preformati reattivi contro l’endotelio vascolare attivano il complemento e deterninano una rapida trombosi intravascolare e necrosi della parete dei vasi

A. Rigetto iperacuto di un allo trapianto di rene con danno endoteliale, sono visibili piastrine e trombi di trombina, e una iniziale infiltrazione di neutrofili nel glomerulo

Meccanismi immunologici del rigetto iperacutoMeccanismi immunologici del rigetto iperacuto

Rigetto acuto• Da 3 giorni a sei mesi dopo il trapianto• ~90% sono cellulo mediati e di piu’ semplice 

trattamento• 5-10% sono anticorpo mediati• Rigetto Vascolare acuto: IgG per Allo-Ags sulle cellule 

endotelialilisi direttanecrosi del vaso• Ricetto Cellulare acuto: citotossicita’ mediata da 

linfociti T/macrofagi necrosi del parenchima• Sintomi spesso presenti e dovuti al rilascio di citochine 

(TNF, IL-1 & 2, etc.)

B Rigetto Acuto di un rene con cellule infiammatorie nel tessuto connettivo intorno ai tubuli e tra le cellule epiteliali dei tubuli.

Nel rigetto acuto, linfociti CD8+ reattivi per alloantigeni sulle cellule endoteliali e parenchimali mediano il danno verso questo tipo di cellule. Inoltre anticorpi alloreattivi formati dopo il trapianto possono contribuire al danno vascolare.

C Rigetto Acuto di un rene con una reazione infiammatoria distruttiva dell’endotelio di un arteria.

Meccanismi immunologici del rigetto acutoMeccanismi immunologici del rigetto acuto

Rigetto Cronico

• Avviene gradualmente nell’arco di mesi od anni • E’  caratterizzato  da  una  fibrosi  progressiva  e  perdita 

della struttura e funzione dell’organo trapiantato• L’eziologia e’ probabilmente multifattoriale: 

meccanismi  immuni  (Ab  e  cellulo-mediata)  &  non-immuni,

tossicita’  ai  farmaci,  ischemia  cronica,  ripetuti attacchi di rigetto acuto

D. Rigetto Cronico in un trapianto di rene con ateriosclerosi del trapianto. Il lume del vaso e’ sostituto da un accumulo di cellule di muscolo liscio e da tessuto connettivo dell’intima del vaso.

Nel rigetto cronico con l’aterosclerosi del trapianto, il danno alle pareti dei comporta la proliferazione dell’intima dei muscoli lisci e la proliferazione cellulare della lamina. Queste lesioni sono causate dalla reazione cronica di tipo DTH verso alloantigeni delle pareti dei vasi.

Meccanismi immunologici del rigetto cronicoMeccanismi immunologici del rigetto cronico

Meccanismi immunologici del rigetto di Meccanismi immunologici del rigetto di trapiantotrapianto

Riconoscimento diretto degli alloantigeniRiconoscimento diretto degli alloantigeni

Riconoscimento indiretto degli alloantigeniRiconoscimento indiretto degli alloantigeni

Basi molecolari del riconoscimento diretto delle Basi molecolari del riconoscimento diretto delle molecole MHC allogenichemolecole MHC allogeniche

(NORMALE)(NORMALE)

Basi molecolari del riconoscimento diretto delle Basi molecolari del riconoscimento diretto delle molecole MHC allogeniche. molecole MHC allogeniche.

Le cellule T riconoscono con bassa affinità le Le cellule T riconoscono con bassa affinità le MHC allogeniche che sono numerose sulle MHC allogeniche che sono numerose sulle

cellule del trapianto. cellule del trapianto.

Basi molecolari del riconoscimento: le MHC Basi molecolari del riconoscimento: le MHC allogeniche possono presentare peptidi self allogeniche possono presentare peptidi self

derivati dalla proteine dell’ospite ed il derivati dalla proteine dell’ospite ed il complesso MHC-Allo Pept-Self attiva i linfociti Tcomplesso MHC-Allo Pept-Self attiva i linfociti T

Prevenzione e trattamento del rigetto di trapianto

• Riduzione dell’immunogenicità del trapianto

• Soppressione della risposta immunitaria del ricevente

• Induzione di tolleranza nel ricevente

Terapia immunosoppressoria nel trapianto e Terapia immunosoppressoria nel trapianto e complicazionicomplicazioni

L’introduzione della terapia con immunosoppressori ha largamente aumentato la sopravvivenza post trapianto riducendo il rischio di rigetto.

Rimango numerosi complicazioni all’uso degli immunosopressori, soprattutto per la conseguente aumentata suscettibilita’ alle infezioni

OKT3, Thymoglobulin

cyclosporine, tacrolimus

Glucocorticoids

Zenapax, Simulect

Rapamune

Cellcept, azathioprine

Cellular Proliferation

Progression into Cell Cycle

IL-2 Receptor

IL-2

IL-2 Gene Promotion

Dephosphorylation of NFAT

Activated Calcineurin

T Cell Receptor

Alloantigen

Influenza della ciclosporina sulla sopravvivenza Influenza della ciclosporina sulla sopravvivenza del trapaintodel trapainto

IFNγ

IL-4

DC

IL-2

Treg

Th

IL-10

TGF-β

Self-response Not-self response

Treg

IFN

IL-4

DC

IL-2

Th

IL-6

CD4+CD25+ Foxp3+ Regulatory T cells

Attività regolatoria:

In vivo: •Prevenzione di disordini autoimmuni•Induzione della tolleranza ad allo-antigeni•Inibizione del rigetto dei tumori

In vitro: •Inibizione dell’attivazione delle cellule T

Lo sviluppo di terapie basate sull’induzione della tolleranza che possano sostituire l’usodi immunosoppressori (responsabili a lungo andare di tumori e infezioni) costituisce uno dei principali obiettivi della ricerca sui trapianti.

Numerose evidenze dimostrano l’associazione tra la presenza di una cospicua popolazionedi cellule Treg e l’induzione della tolleranza al trapianto

Infectious tolerance : trasferimento della tolleranza da parte delle Treg di un ospite tollerante alle cellule T di un altro ricevente ( le Treg conferiscono capacità soppresoriealle CD25+Foxp3- convertendole in CD25+Foxp3+)

Treg in trasplantation

Deplezione CD25 post-trapianto conversione tolleranza in rigetto cronico e rigetto cronico in acuto.

Due tipi di presentazione nel trapianto

Pathway diretto: presentazione da parte delle cellule del trapianto.Pathway indiretto: presentazione da parte delle cellule dell’ospite.

Studi in vivo dimostrano l’importanza della presentazione indiretta nell’induzione della tolleranza.

Sakaguchi 2005 Traslantation Proceedings

Studio condotto su pazienti pediatrici LTX non trattati con immunosoppressori da almeno 6 mesi (CTRL= age matched healty children e LTX trattati con immunosopp.)

CD4+CD25high in PBMC dei LTX senza immunosoppressori

CD4 ricevente poco responsive a Allo-Ags donatore comparate a 3rd

Treg ????

Deplezione Treg: CD4 proliferano di più ma sono sempre ipo-resp. a Allo-Ags donatore

Le Treg non sono responsabili dell’ipo-resp

Le Treg sopprimono la risposta in modo donor-specifico e quindi nel sito del trapiantoprevengono il rigetto in assenza di immunosoppressori

CD25+ e CD25- del riceventeincubate per 7gg con PBMCs irradiatidel donatore

Il trapianto di midollo e la graft versus host disease

Trapianto di midollo

A. Immunoricostituzione del paziente trapiantato di midollo

Graft Versus Host Disease (GVHD) (1)

La malattia del trapianto contro l’ospite (graft versus host disease -  GVHD) è la forma di rigetto nel trapianto di midollo. Per il tipo di trapianto, le cellule immunitarie derivate dal midollo del donatore, forniscono una risposta esagerata aggredendo il sistema immuntario della persona, riconoscendolo come corpo estraneo. Si manifesta più di frequente in trapianti di midollo tra non familiari, ma è frequente anche in soggetti che hanno ricevuto il midollo da consanguinei diversi solo per antigeni minori di istocompatibilita’.

Poiche’  nel  trapianto  di  midollo  vi  è  una  fase  di immunoricostituzione che precede comunque sempre la GVHD si osservano due forme:

La  forma  acuta  della  GVHD  che  si  osserva  nei  primi  100 giorni  del  trapianto,  si  manifesta  con  morte  delle  cellule epiteliali  di  cute,  fegato  e  tratto  gastrointestinale  con sintomi  correlati  come  diarrea,  emorragia,  ittero  ed eruzioni  cutanee.  Se  la  morte  cellulare  è  molto  estesa, questa GVHD può essere mortale per il paziente trapiantatoLa  forma  cronica  invece  se  decorre  dopo  tale  periodo. Essa  è  caratterizzata  da  fibrosi  e  atrofia  degli  stessi  organi colpiti  anche  dalla  GHVD  acuta,  senza  evidente  morte cellulare acuta. Può inoltre coinvolgere i polmoni causando obliterazione delle vie aree e può essere fatale. 

Graft Versus Host Disease (GVHD) (2)

Meccanismi alla base della GVHD (1)Si  possono  distinguere  5  fasi  tra  di  loro  sovrapposte  nello 

sviluppo della GVHD1.  Il  trattamento  radioterapico  di  condizionamento 

pretrapianto di midollo puo’ determinare danno tissutale.2. A questo segue una fase di attivazione della risposta contro 

le  proteine  dei  tessuti  danneggiati  da  parte  dei  linfociti  del donatore.

¾. Ne consegue una proliferazione dei  linfociti T e di  richiamo di altre cellule infiammatorie

5.  I  linfociti  T  citotossici  attaccano  le  cellule  dell’ospite causando danno tissutale.

Meccanismi alla base della GVHD (2)