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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