Sistemi Immunitari Sistemi Immunitari Artificiali:Artificiali:

Metafora ed Metafora ed ApplicazioniApplicazioni

Dr. Mario PavoneDr. Mario Pavonempavone@dmi.unict.ithttp://www.dmi.unict.it/

~mpavone

Dr. Mario PavoneDr. Mario Pavonempavone@dmi.unict.ithttp://www.dmi.unict.it/

~mpavone

Sistemi Immunitari Naturali Sistemi Immunitari Naturali (1/3)(1/3)

» L’immunologiaimmunologia è lo studio dei meccanismi di difesa contro organismi portatori di malattie

» Il ruolo principale del sistema immunitario naturale è la protezione dell’organismo contro l’attacco di agenti agenti patogenipatogeni, o Antigeni (Ag),Antigeni (Ag), e l’eliminazione di cellule mal funzionanti o già infettate

» Il principale problema che il NIS deve affrontare è il riconoscimento di tali Agriconoscimento di tali Ag

» Le cellule si distinguono in selfself e nonselfnonself: il processo di distinguere un’entità self da una nonself è detta self-self-nonself discriminationnonself discrimination

» Le cellule immunologiche si generano e si sviluppano in due organi: midollo osseomidollo osseo e timotimo

» L’immunologiaimmunologia è lo studio dei meccanismi di difesa contro organismi portatori di malattie

» Il ruolo principale del sistema immunitario naturale è la protezione dell’organismo contro l’attacco di agenti agenti patogenipatogeni, o Antigeni (Ag),Antigeni (Ag), e l’eliminazione di cellule mal funzionanti o già infettate

» Il principale problema che il NIS deve affrontare è il riconoscimento di tali Agriconoscimento di tali Ag

» Le cellule si distinguono in selfself e nonselfnonself: il processo di distinguere un’entità self da una nonself è detta self-self-nonself discriminationnonself discrimination

» Le cellule immunologiche si generano e si sviluppano in due organi: midollo osseomidollo osseo e timotimo

Sistemi Immunitari Naturali Sistemi Immunitari Naturali (2/3)(2/3)

» Tra le cellule immunologiche vi sono i linfocitilinfociti (B cells e T cells) che sono specializzati principalmente nel specializzati principalmente nel riconoscimento degli agenti patogeniriconoscimento degli agenti patogeni (Ag).

» Sulla superficie cellulare dei linfociti B e T è presente un recettore (BCR e TCR)recettore (BCR e TCR) responsabile del responsabile del riconoscimento di Agriconoscimento di Ag. Il BCR viene detto anche Anticorpo (Ab).

» La caratteristica di una molecola di legarsi ad un antigene dà origine alla risposta immunitariarisposta immunitaria del sistema, cioè la reazione del sistema contro gli agenti patogenireazione del sistema contro gli agenti patogeni.

» Tra le cellule immunologiche vi sono i linfocitilinfociti (B cells e T cells) che sono specializzati principalmente nel specializzati principalmente nel riconoscimento degli agenti patogeniriconoscimento degli agenti patogeni (Ag).

» Sulla superficie cellulare dei linfociti B e T è presente un recettore (BCR e TCR)recettore (BCR e TCR) responsabile del responsabile del riconoscimento di Agriconoscimento di Ag. Il BCR viene detto anche Anticorpo (Ab).

» La caratteristica di una molecola di legarsi ad un antigene dà origine alla risposta immunitariarisposta immunitaria del sistema, cioè la reazione del sistema contro gli agenti patogenireazione del sistema contro gli agenti patogeni.

Sistemi Immunitari Naturali Sistemi Immunitari Naturali (3/3)(3/3)

» Ogni recettore presenta uno specifico shapeshape, con il quale può legarsi ad uno specifico Ag

» Il riconoscimento di un Ag è basato sulla complementarità complementarità dello shapedello shape

» Quando un cellula si lega ad un Ag, questa viene attivata per eseguire la risposta risposta immunitariaimmunitaria

» La risposta immunitaria viene prodotta quando il sistema quando il sistema immunitario riconosce una immunitario riconosce una molecola estraneamolecola estranea

» Un numero di molecole verranno prodotte (cloni)

» Ogni recettore presenta uno specifico shapeshape, con il quale può legarsi ad uno specifico Ag

» Il riconoscimento di un Ag è basato sulla complementarità complementarità dello shapedello shape

» Quando un cellula si lega ad un Ag, questa viene attivata per eseguire la risposta risposta immunitariaimmunitaria

» La risposta immunitaria viene prodotta quando il sistema quando il sistema immunitario riconosce una immunitario riconosce una molecola estraneamolecola estranea

» Un numero di molecole verranno prodotte (cloni)

Risposta ImmunitariaRisposta Immunitaria

Sistemi Immunitari Sistemi Immunitari Artificiali: i diversi Artificiali: i diversi

ApprocciApprocci» Clonal SelectionClonal Selection

proliferazione e differenziazioneproliferazione e differenziazione delle cellule che meglio riconoscono l’antigene

» Negative SelectionNegative Selection eliminazione delle T celluleeliminazione delle T cellule nel Timo, che

riconoscono le entità self

» Immune NetworksImmune Networks come interagiscono le cellulecome interagiscono le cellule di un sistema

immunitario tra di loro?

» Danger TheoryDanger Theory perché c’è una risposta immunitaria per le entità risposta immunitaria per le entità

self nociveself nocive e non per quelle nonself innocue ?

» Clonal SelectionClonal Selection proliferazione e differenziazioneproliferazione e differenziazione delle cellule

che meglio riconoscono l’antigene

» Negative SelectionNegative Selection eliminazione delle T celluleeliminazione delle T cellule nel Timo, che

riconoscono le entità self

» Immune NetworksImmune Networks come interagiscono le cellulecome interagiscono le cellule di un sistema

immunitario tra di loro?

» Danger TheoryDanger Theory perché c’è una risposta immunitaria per le entità risposta immunitaria per le entità

self nociveself nocive e non per quelle nonself innocue ?

Negative Selection (1/2)Negative Selection (1/2)

» È il processo che elimina tutte le T celluleprocesso che elimina tutte le T cellule i cui recettori sono in grado di riconoscere e legarsi con entità self dentro il Timo

» Blood Thymic BarrierBlood Thymic Barrier evita che tutte le entità nonself siano presenti all’interno del Timo

» Tutte le T cellule che non sono in grado di riconoscere ogni entità self diventa immunocompetentimmunocompetent, cioè in in grado di eseguire una risposta immunitariagrado di eseguire una risposta immunitaria

» Queste tipo di cellule vengono rilasciate nel sangue per “pattugliare” il corpo dalla presenza di agenti patogeni

» Tali cellule T (detectors) sono in grado di individuare ogni cambiamento nelle cellule self oppure ogni forma di entità nonself

» È il processo che elimina tutte le T celluleprocesso che elimina tutte le T cellule i cui recettori sono in grado di riconoscere e legarsi con entità self dentro il Timo

» Blood Thymic BarrierBlood Thymic Barrier evita che tutte le entità nonself siano presenti all’interno del Timo

» Tutte le T cellule che non sono in grado di riconoscere ogni entità self diventa immunocompetentimmunocompetent, cioè in in grado di eseguire una risposta immunitariagrado di eseguire una risposta immunitaria

» Queste tipo di cellule vengono rilasciate nel sangue per “pattugliare” il corpo dalla presenza di agenti patogeni

» Tali cellule T (detectors) sono in grado di individuare ogni cambiamento nelle cellule self oppure ogni forma di entità nonself

Negative Selection (2/2)Negative Selection (2/2)

Immune NetworksImmune Networks

» Gli anticorpi presentano porzioniporzioni dei loro recettori che possono essere che possono essere riconosciuti da altri riconosciuti da altri anticorpianticorpi

» Parte di un anticorpo (paratopeparatope) si legherà ad una parte di un antigene (epitopeepitope)

» Gli anticorpi presentano porzioniporzioni dei loro recettori che possono essere che possono essere riconosciuti da altri riconosciuti da altri anticorpianticorpi

» Parte di un anticorpo (paratopeparatope) si legherà ad una parte di un antigene (epitopeepitope)

» Anche gli anticorpi presentano “epitopes”“epitopes”, i quali possono legarsi ai paratope di altri anticorpilegarsi ai paratope di altri anticorpi

» Tutti gli anticorpi che presentano paratope attivi proliferanno

Danger Theory (1/2)Danger Theory (1/2)

» L’idea centrale della Danger Theory è che il sistema sistema immunitario non risponde alla presenza di entità immunitario non risponde alla presenza di entità nonself, ma al pericolononself, ma al pericolo

» Non c’è bisogno di “attaccare” ogni cosa che è estranea» Danger Theory è misurata dal danneggiamento della

cellule, indicato attraverso “segnali di pericolo”, inviati quando una cellula muore di morte non naturale

» La risposta immunitaria viene eseguita in un intorno (danger zonedanger zone) determinato dal danger signaldanger signal Danger signal stabilisce una zona di pericoloDanger signal stabilisce una zona di pericolo

» Tutte le B cellule in grado di legarsi ad Antigeni dentro la danger zone vengono stimolati per la proliferazione

» La Danger Theory può aiutare a studiare e capire il problema dei sistemi di intrusione (intrusion detection systems)

» L’idea centrale della Danger Theory è che il sistema sistema immunitario non risponde alla presenza di entità immunitario non risponde alla presenza di entità nonself, ma al pericolononself, ma al pericolo

» Non c’è bisogno di “attaccare” ogni cosa che è estranea» Danger Theory è misurata dal danneggiamento della

cellule, indicato attraverso “segnali di pericolo”, inviati quando una cellula muore di morte non naturale

» La risposta immunitaria viene eseguita in un intorno (danger zonedanger zone) determinato dal danger signaldanger signal Danger signal stabilisce una zona di pericoloDanger signal stabilisce una zona di pericolo

» Tutte le B cellule in grado di legarsi ad Antigeni dentro la danger zone vengono stimolati per la proliferazione

» La Danger Theory può aiutare a studiare e capire il problema dei sistemi di intrusione (intrusion detection systems)

Danger Theory (2/2)Danger Theory (2/2)

Clonal Selection

» Clonal Selection si concentra su come le B cellule si adattanoadattano per legarsi ed per legarsi ed eliminareeliminare le entità patogene

» Quando una B cellula si lega ad un antigene, questa inizierà a proliferarsi proliferarsi proporzionalmente alla sua proporzionalmente alla sua qualità di matchqualità di match

» Il processo in cui una B cellula si duplica/clona una volta legata ad un antigene è chiamato Espansione ClonaleEspansione Clonale

» Clonal Selection si concentra su come le B cellule si adattanoadattano per legarsi ed per legarsi ed eliminareeliminare le entità patogene

» Quando una B cellula si lega ad un antigene, questa inizierà a proliferarsi proliferarsi proporzionalmente alla sua proporzionalmente alla sua qualità di matchqualità di match

» Il processo in cui una B cellula si duplica/clona una volta legata ad un antigene è chiamato Espansione ClonaleEspansione Clonale

Principio della Selezione Principio della Selezione ClonaleClonale

QuickTime™ e undecompressore

sono necessari per visualizzare quest'immagine.

Affinity Maturation e Somatic Hypermutation

» L’affinità di una B cellula è il grado con cui si lega ad grado con cui si lega ad un antigeneun antigene più forte è l’affinità, più forte è il legamepiù forte è l’affinità, più forte è il legame

» Ogni recettore riconosce e si lega ad un antigene con differenti gradi di affinitàdifferenti gradi di affinità

» Affinity MaturationAffinity Maturation: durante la risposta immunitaria ogni cellula incrementa l’affinità dei recettori clonati

» Il cambiamento dello “shape” dei recettori è causato attraverso mutazionimutazioni

» Ogni clone è soggetto a Ipermutazioni somaticheIpermutazioni somatiche » Il tasso di Ipermutazione è inversamente inversamente

proporzionale all’affinitàproporzionale all’affinità di ogni recettore» Tale Ipermutazione aiuta a preservare alte affinità e

produrre diverse varianti del recettore selezionato

» L’affinità di una B cellula è il grado con cui si lega ad grado con cui si lega ad un antigeneun antigene più forte è l’affinità, più forte è il legamepiù forte è l’affinità, più forte è il legame

» Ogni recettore riconosce e si lega ad un antigene con differenti gradi di affinitàdifferenti gradi di affinità

» Affinity MaturationAffinity Maturation: durante la risposta immunitaria ogni cellula incrementa l’affinità dei recettori clonati

» Il cambiamento dello “shape” dei recettori è causato attraverso mutazionimutazioni

» Ogni clone è soggetto a Ipermutazioni somaticheIpermutazioni somatiche » Il tasso di Ipermutazione è inversamente inversamente

proporzionale all’affinitàproporzionale all’affinità di ogni recettore» Tale Ipermutazione aiuta a preservare alte affinità e

produrre diverse varianti del recettore selezionato

Teoria della Selezione Clonale

Clonal Selection Algorithms

» CSA sono basati sul principio di selezione clonale, per produrre metodi efficienti di ricerca e ottimizzazionemetodi efficienti di ricerca e ottimizzazione

» Espansione ClonaleEspansione Clonale produce una nuova popolazione di B cellulle con migliori valori di affinità

» IpermutazioneIpermutazione è vista come una procedura di ricerca locale che conduce ad una più veloce maturazione

» Strategia intelligente bottom-upStrategia intelligente bottom-up: le cellule e le molecole si adattano a livello locale per produrre un utile comportamento a livello globale

» Nei CSA l’antigene rappresenta il problema da affrontare; gli anticorpi rappresentano le soluzioni generate

» All’inizio della risposta immunitaria Ag-problem viene riconosciuto attraverso scarse soluzioni

» Alla fine della risposta immunitaria Ag-problem viene riconosciuto/risolto attraverso buone soluzioni

» CSA sono basati sul principio di selezione clonale, per produrre metodi efficienti di ricerca e ottimizzazionemetodi efficienti di ricerca e ottimizzazione

» Espansione ClonaleEspansione Clonale produce una nuova popolazione di B cellulle con migliori valori di affinità

» IpermutazioneIpermutazione è vista come una procedura di ricerca locale che conduce ad una più veloce maturazione

» Strategia intelligente bottom-upStrategia intelligente bottom-up: le cellule e le molecole si adattano a livello locale per produrre un utile comportamento a livello globale

» Nei CSA l’antigene rappresenta il problema da affrontare; gli anticorpi rappresentano le soluzioni generate

» All’inizio della risposta immunitaria Ag-problem viene riconosciuto attraverso scarse soluzioni

» Alla fine della risposta immunitaria Ag-problem viene riconosciuto/risolto attraverso buone soluzioni

Algoritmo Immunologicopseudo-codice

Evaluate P(0)

Initialize Population P(0)

Cloning

Hypermutations

Evaluate Aging

Select best alived individuals

(termination) P(t)

P(clo)

P(hyp)

P(hyp)P(t), P(hyp)

P(t+1)