Patologia generale Prof. Columbano LEZIONE 7 Giovedì 18 ottobre 2007

Riepilogo della lezione precedenteLa volta scorsa abbiamo visto tutti i mediatori chimici di origine cellulare, e cioè tutti quei mediatori che vengono prodotti all’interno delle cellule; questi sono diversi fra loro e hanno funzioni diverse: alcuni sono chemiotattici, come il leucotriene B4, altri sono vasopermeabilizzanti, altri ancora hanno effetto algogeno, ecc…Abbiamo definito i mediatori chimici come quel gruppo di sostanze prodotte durante la risposta infiammatoria che servono per guidare o per avviare una serie di processi che permettono a cellule specializzate, come i granulociti neutrofili e i monociti, di giungere al sito dove è presente l’agente flogogeno e di distruggerlo.

Mediatori di origine plasmaticaOggi descriveremo i mediatori chimici di origine plasmatica. Questi mediatori vengono prodotti a livello epatico e successivamente rilasciati in circolo in forma inattiva, e cioè come zimogeni: per questo motivo, per poter compiere un’attività enzimatica devono necessariamente essere attivati. I sistemi in grado di produrre mediatori chimici sono fondamentalmente quattro:

Sistema del Complemento Sistema delle Chinine Sistema della Coagulazione Sistema della Fibrinolisi

Sistema del complemento (immagine pag. 66 del Robbins)È costituito da circa 20 proteine plasmatiche (per questo si parla di sistema), di cui la maggior parte sono proteasi, che però circolano normalmente in forma inattiva; devono quindi subire dei tagli proteolitici per poter essere attivate e quindi per poter svolgere il loro ruolo di mediatori chimici (questo meccanismo ricorda quello delle caspasi, le quali, allo stesso modo, vengono secrete nella forma inattiva e assumono attività enzimatica dopo essere state clivate).Il sistema del complemento ha come funzione principale quella di dar luogo alla formazione del complesso di attacco alla membrana, che viene indicato con l’acronimo CAM (attenzione: non bisogna però confonderlo con le molecole di adesione cellulare, anch’esse indicate con CAM):vari frammenti del complemento si inseriscono sulla membrana della particella da distruggere formando un poro; come conseguenza la cellula non è più in grado di controllare i normali scambi ionici, infatti entrano grandi quantità di acqua e di ioni che portano la cellula alla morte.Oltre alla formazione del complesso di attacco alla membrana, l’attivazione di questo sistema fa si che, contemporaneamente, vengano generati anche altri mediatori chimici che non intervengono nella distruzione della cellula ma contribuiscono ad amplificare la risposta infiammatoria; questi mediatori sono:

- C3a e C5a (ma anche C4a) che contribuiscono all’aumento della permeabilità vascolare che, a sua volta, facilita la fuoriuscita di proteine e cellule;

- C5a che, oltre ad essere un vasopermeabilizzante, ha anche un’azione chemiotattica: mentre svolge questa funzione è inoltre in grado di attivare i leucociti (il processo di attivazione dei leucociti consiste nel loro cambiamento morfologico e in una esplosione ossidativa che porta alla formazione di numerose specie reattive dell’ossigeno, necessarie per uccidere l’agente flogogeno);

- C3b, che facilita il riconoscimento della particella che deve essere fagocitata attraverso una forte azione opsonizzante (opson infatti vuol dire condimento, e la sua azione è quella di “solleticare l’appetito del fagocita”).

Esistono tre vie di attivazione del complemento: Via classica Via alternativa Via della lectina legante il mannosio (è molto simile ala via classica, tranne nella sua fase

iniziale)

Via classicaViene attivata in seguito alla presenza del complesso antigene-anticorpo.Il primo frammento che viene attivato è il frammento C1, che è costituito da diverse sub unità e la sua forma ricorda un mazzo fiori rovesciato. Normalmente il frammento C1 circola in forma inattiva e viene attivato quando, per la presenza di un antigene estraneo, viene stimolata una reazione anticorpale che comporta la formazione di immunoglobuline che si legano all’antigene; l’esposizione dei complessi antigene-anticorpo sulla membrana dell’agente flogogeno richiamano il frammento C1 che si lega a questi stessi e attraverso una serie di reazioni viene attivato e acquisisce attività enzimatica nei confronti di un determinato target. (Possiamo immaginare il sistema del complemento come un sistema a cascata in cui c’è un primo attore che, nel momento in cui entra in scena, favorisce l’ingresso di un secondo attore, e questo fa la stessa cosa con un terzo, ecc…)La presenza del complesso antigene-anticorpo quindi porta all’attivazione del frammento C1; il C1 attacca un altro frammento inattivo del complemento, C4, e lo scinde in:

- C4a, più piccolo, ma con un’azione enzimatica più importante (in generale tutti i frammenti indicati con “a” sono dei frammenti molto piccoli ma molto reattivi); si comporta infatti da anafilotossina cioè è in grado di indurre vasopermeabilizzazione;

- C4b, più grande; questo viene trattenuto e, complessandosi con C2, forma l’enzima C3 convertasi, che agisce per l’appunto su C3.

La C3 convertasi cliva il frammento C3 in due componenti:- C3a, molto piccolo e molto reattivo, che si comporta come una anafilotossina ad azione

vasopermeabilizzante;- C3b di cui, una parte funge da opsonina, legandosi alla membrana dell’agente flogogeno, mentre

una parte si lega al complesso C3 convertasi formando il complesso C5 convertasi.Il complesso C5 convertasi agisce su C5 e lo scinde producendo:

- C5a, con azione vasopermeabilizzante e chemiotattica;- C5b.

Riassumendo: C4a anafilotossina C3a anafilotossina C3b opsonina C5a anafilotossina e mediatore chemiotattico

In questa fase si sono prodotti numerosi prodotti estremamente reattivi: da questo punto in poi invece il processo di attivazione è teso all’attivazione del complesso di attacco alla membrana; questo complesso infatti si forma aggiungendo al complesso che si è formato il C6, il C7, il C8 e numerosi frammenti del C9. Queste reazioni avvengono sulla membrana del batterio e portano alla formazione di pori che permettono la distruzione del batterio stesso.

Via alternativaÈ la modalità più antica di attivazione del complemento e, a differenza della via classica, non richiede la presenza del complesso antigene-anticorpo ma è invece attivata dalla presenza di componenti lipidiche delle membrane batteriche come il lipopolisaccaride (LPS). Il batterio dunque, nel momento in cui innesca una risposta da parte dell’organismo, attiva anche delle vie che servono, in ultima analisi, per distruggerlo.Il lipopolisaccaride agisce a valle del C1 (quindi il C1, il C4 e il C2 non sono coinvolti in questa via): infatti agisce direttamente sul C3 circolante trasformandolo in C3b; questo si lega al fattore B determinando l’intervento del fattore D, che ha azione proteolitica: infatti il fattore D interviene sul complesso C3bB, tagliando il frammento B in due frammenti, uno più piccolo e uno più grande.Da questo taglio si forma una C3 convertasi che, dal punto di vista enzimatico, ha le stesse funzioni della C3 convertasi presente nella via classica, ma dal punto di vista morfologico, le subunità che lo compongono sono diverse in quanto non sono presenti né il C4, né il C2; per distinguerla dalla precedente quindi questo enzima prende il nome di C3 convertasi bBb.In ogni caso, questa C3 convertasi agisce sul frammento C3 scindendolo nei frammenti C3a e C3b. Parte del frammento C3b si lega al complesso C3 convertasi formando la C5 convertasi; da questo punto la reazione

procede esattamente come nella via classica, tanto è vero che le reazioni che avvengono a valle della C5 convertasi, nell’insieme, prendono il nome di via comune.

Le differenze tra le due vie sono essenzialmente:- L’attivazione indipendente dalla presenza del complesso antigene-anticorpo- La formazione di due anafilotossine anziché tre, come avviene nella via classica; manca infatti il

frammento C4a.

Poiché il complemento, insieme al complesso di attacco alla membrana, genera delle anafilotossine particolarmente potenti che potrebbero causare danni anche alle cellule dell’ospite, sulle membrane di queste ultime esistono una serie di inibitori proteici che regolano questo sistema. Alcuni di questi inibitori sono

Per la via alternativa:- DAF, che è un fattore che accelera il decadimento, ad esempio dei sistemi che generano

anafilotossine; in particolare il DAF è una proteina di membrana in grado di inibire la formazione della C3 convertasi: si lega infatti al C3b impedendo che questo si leghi al complesso;

- Fattore H e MCP, che si comportano come il DAF;- DAF, fattore H e fattore CR1 che, non solo prevengono la formazione della C3 convertasi,

ma sono anche in grado di accelerare il decadimento della convertasi staccando il frammento piccolo Bb; in questo modo “spengono” la C3 convertasi quando è necessario bloccarne l’azione;

- Fattore I, che inattiva il C3 tagliandolo; Per la via classica:

- Inibitore del C1 (C1INH), che inibisce il complemento legandosi alle subunità del C1 e impedendo la sua attivazione: in questo modo garantisce che la risposta da parte del complemento non sia immediata, e questo può essere giustificato dal fatto che, ad esempio, non sia presente una quota importante di agenti microbici per scatenare una risposta veloce.

Esiste poi un inibitore comune alle due vie, e cioè l’inibitore del complesso di attacco alla membrana; questo prende il nome di cd59 o protectina ed è necessario affinché il CAM non vada a posizionarsi sulle membrane di cellule normali; è quindi un inibitore che conferisce una certa selettività al sistema del complemento, che altrimenti potrebbe attaccare anche le cellule normali.L’assenza di regolatori del sistema del complemento, in individui che presentano dei difetti genetici, determina la comparsa di alcune malattie, tra cui:

- L’emoglobinuria parossistica notturna, in cui si ha un’emolisi intravasale per un difetto del DAF;

- L’edema angioneurotico ereditario che è invece associato alla mancanza dell’inibitore di C1.

Sistema delle chinineÈ costituito da una serie di peptidi dotati di attività vasopermeabilizzante, che inducono vasodilatazione e sono responsabili del senso di dolore avvertito nel corso di un processo infiammatorio.Il sistema delle chinine, perché possa essere attivato, richiede l’attivazione del fattore XII di Hageman, un fattore importantissimo nel processo di coagulazione. Il fattore XII viene prodotto a livello epatico e liberato in circolo in forma inattiva: questo diventa attivo solo quando, ad esempio, si va incontro a traumi che comportano un danno vascolare; in un danno endoteliale infatti si ha l’esposizione del collagene sottoendoteliale, e questo determina l’attivazione del fattore XII a fattore XIIa (il fattore diventa quindi enzimaticamente attivo).Il fattore XIIa, a questo punto, agisce su un proenzima, la precallicreina, presente nel plasma: questa viene clivata e da origine alla sua forma enzimaticamente attiva, che prende il nome di callicreina.La callicreina, a sua volta, agisce sul chininogeno, una grossa molecola precursore delle chinine, e stacca da questo una porzione di 9 aminoacidi, che prende il nome di bradichinina e rappresenta la chinina attivata.La callicreina però, non solo produce chinine, ma agisce anche sulla C3 convertasi stimolandone l’attività, e portando quindi ad una enorme produzione di C3a e di C3b: questo dimostra che i diversi sistemi sono

collegati tra loro in modo da amplificare la risposta nel minor tempo possibile (infatti, se noi attivassimo 4 vie, e queste fossero semplicemente a cascata, dovremmo aspettare la fine di ogni processo per generare dei mediatori; in questo modo invece, s crea un sistema a network, in cui da un sistema si generano delle specie che amplificano la risposta anche degli altri sistemi).Un’altra cosa che fa la callicreina è quella di agire con a feedback positivo sul fattore XII di Hageman: Il fattore XII infatti, tagliando la precallicreina, genera callicreina che, a sua volta, porta ad un’attivazione del fattore XII, che produrrà altra callicreina; il messaggio viene in questo modo amplificato mediante queste reazioni che avvengono anche tra componenti della stessa catena.La bradichinina, che risulta essere il mediatore finale di questa catena, ha azione vasopermeabilizzante, vasodilatatrice, algogena, ecc…Poiché è un composto altamente reattivo e potenzialmente molto pericoloso, esistono dei sistemi di regolazione, costituiti da due enzimi:

- La chininasi I, inibisce totalmente l’azione della bradichinina staccandone l’ultimo aminoacido;

- La chininasi II, chiamata anche ACE, che stacca due aminoacidi dalla bradichinina con lo stesso effetto della chininasi I.

Sistema della coagulazioneÈ un sistema che ha come scopo principale quello di bloccare un’eventuale emorragia, dovuta a un trauma di tipo vascolare, creando dei “tappi”, costituiti principalmente da fibrina, in grado di bloccare la fuoriuscita di sangue dai vasi danneggiati. Nel far questo però, questo sistema genera anche dei mediatori chimici che intervengono nella risposta infiammatoria; inizieremo quindi a vedere come funziona questo sistema limitatamente a ciò che riguarda l’infiammazione acuta.Il sistema della coagulazione è un sistema di amplificazione sequenziale presente nel plasma, in cui vi sono delle transizioni da forme enzimaticamente inattive a forme attive: queste operano a cascata e consentono di aumentare rapidamente la concentrazione di componenti attive. Anche in questo caso, così come nel sistema del complemento, le reazioni che avvengono non sono semplicemente a cascata in quanto coinvolgono diverse vie: il fattore XII di Hageman, ad esempio, agendo sulla callicreina, attiva la via delle chinine, e la callicreina, a sua volta, interviene sulla C3 convertasi coinvolgendo anche il sistema del complemento.Il sistema della coagulazione può essere attivato mediante due vie:

Via intrinseca, in cui il Fattore XII svolge un ruolo fondamentale; Via estrinseca

La via intrinseca viene attivata in seguito ad un danno endoteliale che comporta l’esposizione del collagene sottoendoteliale: in questo caso il fattore XII, che fino a quel momento era metabolicamente inerte, acquisisce attività enzimatica e interviene sul fattore XI attivandolo a fattore XIa. Quest’ultimo attacca il fattore IX, producendo il fattore IXa che, in presenza del fattore VIII che aiuta la reazione, favorisce la transizione del fattore X dalla forma inattiva alla forma attiva. Il fattore Xa è il primo tra tutti questi fattori che ha un ruolo nella risposta infiammatoria in quanto, già di per sé, ha un’azione vasopermeabilizzante (tutti i passaggi precedenti non hanno molto a che fare con l’infiammazione, se non per il fatto che contribuiscono a generare questo fattore Xa).

La via estrinseca non richiede l’attivazione del fattore XII di Hageman, ma richiede invece l’esposizione di un fattore tissutale, rappresentato da una glicoproteina, che viene liberato in seguito a un danno e che, in presenza di ioni calcio, è in grado di agire sul fattore VII rendendolo attivo. Il fattore VIIa quindi agisce direttamente sul fattore X.

Anche in questo caso, così come per il complemento, sono presenti dei passaggi comuni alla via intrinseca e alla via estrinseca: queste due vie infatti convergono sul fattore X, che è appunto il primo dei fattori che ha un ruolo attivo nella risposta infiammatoria. Il sistema della coagulazione però ha come scopo principale quello di formare dei “tappi” che bloccano il flusso sanguigno quando è presente un’emorragia: il fattore Xa è quindi importantissimo anche per questo motivo. Esso infatti agisce sulla protrombina, dando luogo alla formazione di trombina, importante anch’essa nel processo infiammatorio in quanto, ad esempio, contribuisce al fenomeno di adesione dei

leucociti e dei granulociti alle cellule endoteliali: la trombina infatti stimola la degranulazione una classe di selettine, che migrano dal citoplasma sulla superficie delle cellule endoteliali facilitando l’aggancio dei granulociti neutrofili.La trombina inoltre, continuando nel processo della coagulazione, agisce sul fibrinogeno formando fibrina, che rappresenta l’obiettivo ultimo del sistema della coagulazione in quanto forma delle maglie che bloccano il processo emorragico.Nella demolizione del fibrinogeno, e quindi nella sua trasformazione in fibrina, si formano dei frammenti ad azione vasoattiva; alcuni di questi frammenti, oltre ad avere un’azione a livello dell’endotelio vascolare, hanno anche una forte azione chemiotattica. Questi frammenti fungono da mediatori e, insieme al C5a, al leucotriene B4 e ad altri, favoriscono la migrazione dei granulociti neutrofili nel sito flogogeno.

Ricapitolando… In questo sistema si sono quindi prodotti:

- Mediatori ad azione vasopermeabilizzante;- Mediatori ad azione chemiotattica;- Mediatori che favoriscono la migrazione dei granulociti facilitandone l’aggancio da parte

dell’endotelio e quindi favorendo il successivo processo di transmigrazione.

Il fattore XII di Hageman:- Da un lato attiva la produzione di chinine tramite la produzione di callicreina;- Da un altro attiva il sistema della coagulazione che, a sua volta, porta alla produzione di

mediatori chimici importanti nella risposta infiammatoria.

Anche per questo sistema esistono dei meccanismi di regolazione in quanto, dopo che il danno è stato riparato, non è più necessaria l’azione della trombina, altrimenti andremo incontro ad una enorme produzione di fibrina che aumenterebbe notevolmente il rischio di trombi.La trombina viene quindi bloccata attraverso due meccanismi:

- L’inattivazione per legame, in cui vengono prodotte sostanze in grado di competere col fibrinogeno per il legame alla trombina;

- La proteolisi, in cui la trombina viene tagliata e inattivata.

Per quanto riguarda la via intrinseca, il regolatore principale è l’antitrombina: questa è una proteina plasmatica in grado di legarsi in maniera covalente non solo alla trombina ma anche a una serie di fattori che precedono la formazione della trombina; in questo modo l’antitrombina regola tutta la cascata della coagulazione.Per quanto riguarda la via estrinseca l’antitrombina non è in grado di intervenire perché non sono presenti i componenti a cui legarsi, tipici della via intrinseca; questa via di regolazione si basa quindi su un’altra proteina plasmatica che prende il nome di trombomodulina: questa lega la trombina, ne modifica la struttura e la rende “riconoscibile” per la proteina C, che interviene tagliandola e rendendola inattiva.L’antitrombina e la trombomodulina sono quindi due potenti inibitori che servono per regolare il sistema della coagulazione e per inibire questo sistema quando non è più necessaria la produzione di componenti importanti per la deposizione di fibrina.

Sistema della fibrinolisi (o della Plasmina)Una volta che il sistema di coagulazione ha tamponato eventuali emorragie bisogna impedire che vi siano conseguenze dannose legate alla presenza di trombina:

- Un sistema di controllo consiste nell’impedire la formazione di altra fibrina;- L’altro sistema, cioè quello della fibrinolisi, consiste nell’eliminazione della fibrina che si era

già formata attraverso la generazione di plasmina che, essendo un enzima proteolitico, scinde le maglie di fibrina e quindi il coagulo.

La plasmina deriva da un precursore inattivo che prende il nome di plasminogeno; l’attivazione di questo enzima può avvenire mediante due vie:

Via intrinseca

Via estrinseca

Nella via intrinseca il fattore XIIa agisce su un precursore che prende il nome di proattivatore del plasminogeno che diventa attivo e, a sua volta, interviene sul plasminogeno (che ha anche un’azione chemio tattica) clivandolo e trasformandolo in plasmina. La plasmina ha diverse funzioni:

- scinde la fibrina in frammenti che hanno un’attività vasopermeabilizzante e chemiotattica;- contribuisce alla formazione di C3a intervenendo sulla C3 convertasi: facilita quindi la

produzione di anafilotossine che aumentano la permeabilità vascolare;- si comporta in un modo simile alla callicreina nella via di produzione delle chinine: viene

dapprima attivata dal fattore XII e successivamente agisce sul Fattore XII stesso rendendolo attivo e portando quindi alla produzione di altra plasmina.

Nella via estrinseca il plasminogeno è attivato da tutta una serie di sostanze diverse dal fattore XII di Hageman, come: enzimi batterici, trombina, callicreina, attivatori del plasminogeno; tutti questi fattori infatti sono in grado di agire direttamente sul plasminogeno generando plasmina.

L’attivazione della plasmina, così come tutti gli altri sistemi, è soggetta a regolazione; i principali regolatori di questa via sono:

- l’inibitore del C1, peculiare della via intrinseca, che blocca la reazione in cui si genera l’attivatore del plasminogeno, e quindi blocca anche la produzione di tutti i mediatori chimici che si formano a partire da questo punto;

- l’α2-antiplasmina, comune alla via intrinseca e alla via estrinseca, che agisce sulla reazione che porta all’attivazione della plasmina da parte del plasminogeno.

Ricapitolando… Le funzioni della plasmina sono:

- scindere la fibrina impedendo l’accumulo di coagulo;- generare anafilotossine dotate di attività vasoattiva e vasopermeabilizzante (come C3a);- generare frammenti di fibrina, in seguito alla demolizione di questa stessa, che hanno azione

chemiotattica;- attivare il fattore XII contribuendo a esasperare la risposta infiammatoria in quanto il fattore

di Hageman interviene su tre delle quattro vie che producono mediatori chimici di origine plasmatica.

Un ruolo importantissimo è svolto dal fattore XII che:- Viene attivato in seguito a danno vascolare;- Attiva la via delle chinine attivando la callicreina, che a sua volta interviene sul chininogeno

formando bradichinina; la callicreina attiva inoltre la via della fibrinolisi attraverso l’attivazione della plasmina;

- Attiva la via intrinseca della coagulazione determinando la produzione di una serie di fattori, alcuni dei quali sono direttamente correlati con l’infiammazione acuta (nonostante il compito fondamentale di questa via sia quello di produrre fibrina).