Concetti di base di Immunologia

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– Abbas-Lichtman: le basi dell’immunologia
– Pier-Lickzak-Wetzler: immunologia-infezione-immunità
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Concetti di base di Immunologia
Immunità
• Resistenza dell’individuo alle malattie, in
particolare a quelle infettive
• Due meccanismi principali di immunità:
– Adattativa: emerge durante la vita dell’individuo
ed in seguito all’esposizione ad un agente
infettivo, è specifica per quell’agente infettivo e
conferisce protezione immunitaria a successive
esposizioni allo stesso agente
– Innata: è immediata, non è specifica e non
conferisce protezione immunitaria
Antigeni
• Ogni sostanza che può stimolare qualsiasi tipo
di risposta immunitaria adattativa (p.es.
produzione di anticorpi) viene definita un
antigene
Sistema immune
• Insieme di cellule e molecole che effettua la risposta immunitaria
(innata o adattativa)
• Ha 4 compiti principali
– Riconoscimento immunologico: cioè deve fare da “sensore” e capire
che una infezione è in corso
• Cellule bianche del sangue (granulociti e macrofagi) per la risposta immune
innata
• Linfociti per la risposta immuni adattativa
– Eliminazione dell’agente che espone l’antigene
• Anticorpi, molecole del complemento, funzioni dei linfociti citotossici e delle
cellule della risposta innata
– Auto-regolazione: deve evitare che la risposta sia eccessiva
• Quando fallisce si hanno le malattie autoimmuni
– Proteggere l’individuo da successive esposizioni allo stesso antigene
• Tipica della immunità adattativa
Le cellule del sistema immune hanno
origine nel midollo osseo
• Sistema immune è costituito da leucociti, che
originano nel midollo osseo
• Tutte le cellule del sangue (incluso I leucociti)
originano da cellule staminali ematopoietiche
Cellule del sistema immune
Linea mieloide e risposta innata
• CMP (common myeloid progenitor) dà origine
a macrofagi, granulociti, mastociti, cellule
dendritiche, megacariociti ed eritrociti
• Le cellule della risposta innata derivano dal
CMP (nota: alcune cellule dendritiche
originano dal CLP)
Macrofagi
• Derivano dai monociti che circolano nel sangue continuamente e poi migrano nei
tessuti dove differenziano in macrofagi
• Insieme con I granulociti e le cellule dendritiche, costituiscono I fagociti del sistema
immune
• Svolgono funzioni sia nella risposta innata che in quella adattativa
• Fagocitosi di microrganismi nella risposta innata, eliminazione di patogeni
attaccati dalla risposta adattativa
• Presentano l’antigene alle cellule della risposta adattativa
• Oltre alla fagocitosi inducono la risposta infiammatoria e producono citochine
regolatorie
• Aldilà della funzione nell’immunità, sono spazzini generali dei nostri tessuti
Granulociti
• Vita più breve dei macrofagi (pochi giorni), e vengono prodotti in maniera regolata
aumentando durante episodi di infezione o infiammazione
• Fagociti anch’essi, svolgono un ruolo chiave nella risposta immune innata
• Inglobano molti microrganismi e poi li distruggono con le attività enzimatiche
degradative conservate nei granuli citoplasmatici
• Importanza chiara da immunodeficienze dove sono gravemente ridotti o assenti, con
infezioni batteriche graavi e frequenti
Basofili ed eosinofili
• Importanti primariamente nella difesa
contro I parassiti, troppo grandi per
essere fagocitati dai macrofagi e dai
neutrofili
• Coinvolti nelle reazioni allergiche, di cui
non parleremo nel corso di base
Mastociti
• Principalmente coinvolti in reazioni allergiche/infiammazione
• Proteggono le superfici interne del corpo contro microrganismi patogeni (vermi
parassiti, per esempio)
Cellule dendritiche
• Hanno prolungamenti come I dendriti delle cellule neuronali
• Migrano dal midollo osseo attraverso il sangue ai tessuti
• Effettuano fagocitosi e macropinocitosi (ingestione di liquido extracellulare con il suo
contenuto)
• Incontro con microrganismi: attivazione e maturazione con presentazione dell’antigene ai
linfociti T
• Le più importanti antigen-presenting cells (APCs)
• Svolgono ruolo di cerniera fra risposta innata ed adattativa
Linea linfoide
•
•
•
Origina dal common lymphoid progenitor (CLP)
Linfociti B e T (risposta adattativa)
Linfocita Natural Killer (risposta innata)
–
–
•
I linfociti B e T sono antigene-specifici
–
•
•
•
•
–
Linfociti B/T
Esprimono recettori antigenici sulla superficie cellulare che si originano con un complesso
meccanismo molecolare per garantire la variabilità necessaria per “captare” praticamente
tutti I segnali estranei antigenici
Prima di incontrare l’antigene sono piccole cellule inattive (dette “naïve”)
Dopo l’incontro con l’antigene avviene la maturazione dei linfociti in linfociti
“effettori” pienamente funzionali
Linfociti B: dopo che un antigene ha legato un antigene presente su queste cellule (Bcell receptor o BCR), il linfocita prolifera e matura in una plasmacellula e secerne
anticorpi (detti anche immunoglobuline o Ig) che sono la forma solubile del
recettore di superficie
Linfociti T: dopo che l’antigene lega il T-cell receptor (TCR) maturano in:
–
–
•
Cellule infettate da virus
Cellule tumorali
Linfociti T citotossici: in grado di uccidere le cellule infettate da virus o batteri intracellulari
Linfociti T helper: producono segnali (citochine) che stimolano le cellule B a produrre
anticorpi, ed I macrofagi per stimolare la loro attività
Linfociti T regolatori: sopprimono l’attività di altri linfociti e controllano e limitano la risposta
immune
Durante la risposta immune alcuni linfociti T e B diventato “cellule della memoria”,
essenziali per una risposta più efficiente e rapida quando lo stesso antigene si
ripresenta (principio alla base della vaccinazione, non discussa in questo corso di
base)
I tessuti linfoidi
•
•
•
Organi centrali
• Midollo osseo
• Organo dove maturano I
linfociti B
• Timo
• Organo dove maturano I
linfociti T
Dopo la loro maturazione negli organi
primari I linfociti entrano in circolo come
linfociti naïve, e circolano nei tessuti
linfoidi periferici dove entrano a contatto
con l’antigene
Organi periferici
• Linfonodi
• Milza
• Tessuti linfoidi mucosali
• Intestino
• Tratto aereo
• Mucosa urogenitale
• Etc.
La risposta immune innata
La prima linea di difesa
• In molti casi, I microrganismi potenzialmente
patogeni vengono eliminati molto
rapidamente dall’organismo grazie alla
risposta immune innata
• Anche la risposta innata riconosce e distingue
il “self” dal “non-self”, ma in maniera
semplificata dal momento che per riconoscere
il “non-self” utilizza un numero limitato di
recettori, I “pattern-recognition receptors”
I “pattern-recognition receptors” della
risposta immune innata
• I macrofagi, I neutrofili e le cellule dendritiche
riconoscono molecole semplici e pattern strutturali
molecolari presenti in molti microrganismi e detti
“pathogen-associated molecular patterns “ (PAMPs),
che non sono espressi dalle cellule del nostro corpo.
• I recettori per I PAMPs sono detti pattern-recognition
receptors (PRRs), e riconoscono:
–
–
–
–
Oligosaccaridi
Peptidoglicani
Lipopolisaccaridi
DNA non metilato (il DNA delle cellule umane è metilato
nella maggior parte dei residui CpG)
Le tre fasi della risposta ad un agente
infettivo
Prima fase
• Effettuata da molecole pre-esistenti
– Enzimi anti-microbici come il lisozima attaccano la
parete batterica
– Peptidi anti-microbici (defensine) lisano
direttamente le membrane batteriche
– Proteine del plasma (complemento) facilitano lisi
e fagocitosi da parte dei macrofagi
La funzione delle superfici epiteliali
• Cute e mucose sono una difesa molto importante
– Esempio: ferite molto più soggette ad infezioni
• Mucose producono muco che contiene molte
glicoproteine dette mucine, che riducono l’adesione
dei microrganismi alle cellule e facilitano la loro
espulsione dal battito delle cilia delle mucose epiteliali
– Malattie in cui la produzione del muco è alterata portano a
gravi infezioni
• Ruolo dei batteri commensali o microbiota. Sono
batteri che svolgono un ruolo anche positivo per
l’individuo che li ospita (simbiosi), e che producono
sostanze antimicrobiche (batteriocine, acido lattico)
Barriere di difesa epiteliali
Le molecole antimicrobiche prodotte
da epiteli-fagociti
• pH acido dello stomaco, acidi biliari, lipidi
presenti nel tratto gastrointestinale sono una
barriera chimica efficiente contro molti
microrganismi
• Enzimi anti-batterici che attaccano la parete
cellulare batterica
– Lisozima e fosfolipasi A2 (nelle lacrime, saliva,
prodotti dai fagociti)
Lisozima
• Peptidoglicano: polimero di
acetilglucosamina che si alterna a acido
acetilmuramico, il tutto rinforzato da
crosslinking peptidici
• Il lisozima è una glicosidasi che rompe
un legame glicosidico presente nel
peptidoglicano scindendo il loegame fra
I due zuccheri
• Per questo è più efficace contro I batteri
Gram-positivi, in cui il peptidoglicano è
esposto, rispetto ai batteri Gramnegativi in cui lo strato esterno è
rappresentato dal lipopolisaccaride
(LPS)
• L’esposizione della membrana lipidica
dopo distruzione del petidoglicano la
rende attaccabile dalla fosfolipasi A2,
Peptidi antimicrobici
• Prodotti da cellule epiteliali e fagociti, si
trovano nel fluido mucosale e nei tessuti
• Nei mammiferi ci sono tre classi principali:
– Defensine
– Catelicidine
– Istatine
Defensine
• Peptidi carichi di 30-40aa che presentano una regione
carica positivamente separata da una regione idrofobica
• In pochi minuti distruggono le membrane cellulari di
batteri, funghi e di alcuni virus, uccidendo il
microrganismo
• La regione idrofobica s’inserisce nella membrana
lipidica, quindi si forma un poro che fa perdere la
permeabilità cellulare
• Nei neutrofili le difensine sono immagazzinate nei granuli;
quando avviene la fagocitosi I granuli si fondono con le
vescicole fagocitiche ed aiutano ad uccidere I batteri
Il sistema del complemento nella
risposta innata
• Originariamente è stato identificato come una componente
della risposta adattativa, ma gioca un ruolo anche nella
risposta innata
• Costituito da circa 30 proteine prodotte per lo più dal
fegato
• In assenza di infezione, queste proteine circolano nel
sangue in forma inattiva
• In presenza di patogeni o di anticorpi legati ad agenti
patogeni abbiamo il processo di attivazione del
complemento
– 3 maniere diverse di attivazione del complemento
• L’attivazione avviene per proteolisi limitata, molte proteine
del complemento sono proteasi che attivano altre proteasi
Le proteine del complemento
• Proteine inattive sono indicate con una
lettera + numero: es. C1
• Prodotti delle reazioni proteolitiche di
attivazione sono indicati dall’aggiunta di una
lettera minuscola: es. C3a e C3b
• Il suffisso “b” indica la subunità più
grande
• Ci sono molte eccezioni!!!
Il complemento è un sistema di PRRs solubili e di molecole
effettrici che riconosce e distrugge microrganismi
I.
Riconoscimento
(varie modalità)
II.
Attivazione di
C3
III. Fase effettrice
I fase
• Attivazione via lectine: MBL (mannose-binding lectin) o ficoline riconoscono
carboidrati presenti sulla superficie esterna del microrganismo patogeno
• Attivazione “classica”: C1 (che comprende una PRR –C1q- e delle proteasi –C1r e
C1s) riconosce un microrganismo direttamente o anticorpi che legano un
microrganismo
• Attivazione “alternativa”: spontanea idrolisi della componente C3, che insieme ad
altri fattori della via alternativa si lega direttamente alle superfici dei
microrganismi
II fase
•
Nella fase precedente si genera una attività di C3 convertasi (varia in funzione del pathway di
attivazione), che cliva C3 per generare:
• C3b, componente chiave che si lega in maniera covalente alla superficie dei microrganismi ed
agisce come opsonina, cioè facilita il riconoscimento del bersaglio da parte dei fagociti (che
hanno recettori per C3b ed altre componenti del complemento)
• il legame covalente avviene grazie ad alcuni residui che vengono esposti solo dopo il
clivaggio di C3 in C3b
• C3a, che viene rilasciato ed induce infiammazione
III fase
• Reclutamento di fagociti, opsonizzazione
• C3b+C3convertasi -> C5 convertasi che libera C5a (pro-infiammazione) e C5b che
inizia gli eventi finali dell’attivazione del complemento, in cui con altre proteine forma
il membrane-attack complex, che crea un poro nella membrana cellulare e così causa
lisi cellulare
Regolazione del complemento
• Le componenti del complemento una volta
attive devono essere legate alla superficie dei
patogeni, altrimenti vengono rapidamente
inattivate
• Esistono inoltre molte proteine regolatorie che
impediscono l’attivazione inappropriata
– Cellule che stanno morendo possono attivare il
complemento, e questo facilita la loro rimozione
Seconda fase
• Le cellule della risposta immune riconoscono I
PAMPs e vengono attivate, mettendo in atto
molti meccanismi di eliminazione dell’agente
patogeno
• Se ciò riesce, si ha risoluzione dell’infezione
senza memoria
Le cellule della risposta immune innata
e la “pattern recognition”
• PRRs (pattern recognition receptor) sono divisi
in 4 gruppi:
– Recettori solubili (come MBL)
– Recettori dei fagociti membrana-associati
– Recettori di segnalazione membrana-associati
– Recettori di segnalazione citoplasmatici
Diversità dei recettori fra immunità
innata ed adattativa
I fagociti
• Quando I microrganismi passano la barriera
epiteliale, si trovano a dover affrontare
l’attacco dei fagociti
• 3 classi
– Macrofagi
– Granulociti
– Cellule dendritiche
Macrofagi
• I Monociti (sangue circolante) migrano nei
tessuti e maturano in macrofagi
– I macrofagi hanno avuto vari nomi a seconda del
tessuto (microglia nel sistema nervoso, cellule di
Kupfer nel fegato…)
• Sono particolarmente abbondanti nel
connettivo dei vari organi
Granulociti e cellule dendritiche
• Granulociti
– Neutrofili
• Maggiore potenziale fagocitario
– Eosinofili e Basofili
• Cellule dendritiche
– Convenzionali: fagocitano ma il loro ruolo principale non è
l’eliminazione degli agenti patogeni ma quello di
processare molecole provenienti dal patogeno per
generare antigeni peptidici in grado di stimolare la risposta
immune adattativa dei linfociti T
– Plasmocitoidi: produttori di citochine (interferoni)
antivirali, considerate come facenti parte della risposta
innata
Riconoscimento degli agenti patogeni
• I fagociti esprimono diversi
recettori di superficie in grado di
riconoscere agenti patogeni
direttamente, o mediante
riconoscimento del
complemento
• Tra questi recettori alcune
lectine in grado di riconoscere
carboidrati batterici, ed altri
recettori per lipidi e lipoproteine
batteriche
Fagocitosi
• Il patogeno viene inglobato all’interno del
fagocita dopo una invaginazione della
membrana plasmatica, a formare una
vescicola che contiene il patogeno detta
fagosoma
• Il fagosoma si acidifica e questo porta già
alla morte di molti patogeni
• A questo punto c’è la fusione con I lisosomi
(nei granulociti con I granuli che
contengono varie molecole antimicrobiche)
a formare il fagolisosoma che porta all
distruzione dei microrganismi
• Importante è anche la produzione di ROS
ed altre molecole ossidanti dai fagociti
(vedi dopo)
• Nelle cellule dendritiche I patogeni
possono essere anche captati in maniera
aspecifica per macropinocitosi
Recettori per il signaling intracellulare
• Oltre ai recettori per la fagocitosi, le cellule della risposta innata presentano anche
recettori della superfamiglia GPCR (G-protein coupled receptor) che hanno funzione di
signaling
• Recettore fMet-Leu-Phe (fMLP ) riconosce un particolare aminoacido (formilmetionina) che è presente nei batteri ma non nelle cellule eucariotiche, il recettore
quindi “sente” la presenza dei batteri e stimola la migrazione dei macrofagi e neutrofili
verso la regione con la massima concentrazione di peptidi contenenti questo
aminoacido
• Oltre alla migrazione verso l’agente patogeno l’attivazione di fMLP induce anche la
produzione di molecole antimicrobiche, incluso I ROS (“burst” respiratorio)
Recettori per il signaling intracellulare
Il burst respiratorio
Burst respiratorio
• Nei neutrofili non attivati, le subunità dell’enzima
NADPH ossidasi sono localizzate in compartimenti
cellulari diversi
– Granuli
– Citoplasma
• Dopo l’attivazione di fMLP-Rac2, le subunità si
riassemblano sulla superficie del fagolisosoma
• NADPH trasferisce un elettrone dal FAD (suo cofattore)
all’ossigeno a formare superossido, che attraverso altre
reazioni contribuisce all’attivazione di altri enzimi del
fagolisosoma ed al killing dei patogeni (conversione in
acqua ossigenata ed ipoclorito)
Interazione patogeno-ospite:
Reazione infiammatoria
• L’infiammazione:
– Favorisce il reclutamento di cellule immuni
(neutrofili, macrofagi) dal sangue al sito di
infiammazione
– Favorisce coagulo locale che “blocca” l’infezione
– Favorisce il riparo del tessuto danneggiato
Segue capitolo sull’infiammazione
Terza fase
• Se le prime due linee di difesa effettuate nelle
prime due fasi non sono sufficienti e la
infezione continua, inizia la risposta immune
adattativa