infiammazione e tumore: obiettivo della lezione

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1 infiammazione e tumore: obiettivo della lezione introduzione all INFIAMMAZIONE introduzione alla TUMORIGENESI il legame tra infiammazione e cancro esempi

2 Risposta immunitaria La reazione del nostro organismo a un agente estraneo o patogeno Innata Immediata contro un vasto repertorio di agenti patogeni Non genera risposta immunitaria a lungo termine e memoria immunologica Non è specifica, ma è pre-esistente in ogni individuo Acquisita Si sviluppa nel corso della vita come adattamento a uno specifico patogeno Risposta immunitaria specifica contro un particolare agente patogeno e può determinare la memoria immunologica a lungo termine

3 attori

4 Prima linea di difesa Siamo costantemente esposti a patogeni, ma abbiamo una efficace barriera chimica e fisica: Epitelio: pelle, intestino, polmoni, apparato genitale, cavita orale

5 Se il patogeno penetra la barriera = risposta in 3 fasi

6 INFIAMMAZIONE La risposta dei tessuti connettivi vascolarizzati a un danno cellulare derivato agenti endogeni/esogeni

7 Macrofagi e cellule dendritiche sono le prime cellule reclutate per la nostra difesa: Riconoscono il patogeno e rilasciano mediatori: - inizia la risposta innata - si pongono le basi la risposta adattativa

8 Patogeno - dendritiche

9 L'Infiammazione contribuisce all'acquisizione di numerose "capacitá distintive" dei tumori fornendo al microambiente tumorale molecole biologicamente attive Fattori di crescita che mantengono la proliferazione cellulare Fattori di sopravvivenza che inibiscono la morte cellulare Fattori pro-angiogenici che favoriscono lo sviluppo di nuovi vasi Molecole in grado di indurre danno al DNA: mutagenesi Attivitá enzimatiche di alterazione della matrice extracellulare (invasione / metastasi) segnali che inducono plasticitá tissutale (EMT)

10 Hallmarks of cancer, cell 2000 and 2011, Hanahan and Weinberg

11 Il fenomeno dell infiammazione -Fasi dell infiammazione: -eventi vascolari -eventi cellulari: reclutamento e attivazione dei leucociti Le molecole che ci permettono di sentire e reagire all agente patogeno: -induttori/mediatori dell infiammazione Infiammazione = fonte di danno?

12 INFIAMMAZIONE La risposta dei tessuti connettivi vascolarizzati a un danno cellulare derivato agenti endogeni/esogeni coinvolgimento dei vasi Passaggio di fluido e leucociti dai vasi allo spazio extra-vascolare. Scopo: Eliminare la fonte del danno Riparare il tessuto danneggiato - Rigenerazione del tessuto con cellule dello stesso tipo - Sostituzione con tessuto connettivo: fibrosi (cicatrice)

13 Apparente paradosso Infiammazione é un essenziale processo protettivo per eliminare la fonte del danno e le conseguenze Infiammazione é potenzialmente dannosa: -Ipersensibilità a punture insetti, tossine, farmaci -Malattia croniche -Cicatrici; sfiguranti, ostruzione intestinali, problemi articolari - cancro?

14 attori

15 INFIAMMAZIONE Acuta: breve durata (minuti-ore-giorni) edema emigrazione leucociti (neutrofili) Cronica lunga durata infiltrato linfociti e macrofagi angiogenesi fibrosi - necrosi

16 fasi Infezione batterica Attivazione Recettori su macrofagi/cell dendritiche Rilascio di mediatori dell infiammazione Richiamo liquido e leucociti (neutrofili) dal sangue (essudato) Attivazione dei neutrofili Eliminazione del patogeno/danni collaterali Riparo

17 FASI inizio Stimolo infiammatorio Mediatori chimici rilasciati da vasi/cellule/tessuto danneggiato Risposta vascolare-cellulare Amplificazione della risposta Termine Stimolo rimosso Mediatori rimossi Fine infiammazione

18 Inflammation Cardinal Signs Redness (rubor) Swelling (tumor) Heat (calor) Pain (dolor) Loss of function (functio laesa)

19 Esito infiammazione Riparo: Rigenerazione:il tessuto é ricostituito con cellule dello stesso tipo Fibrosi:sostituzione del tessuto danneggiato con tessuto connettivo, cicatrice (scarring) NB: sono attivati processi di migrazione, proliferazione, differenziamento, angiogenesi.

20 Eventi infiammazione acuta Fenomeni vascolari sono fondamentali 1) Alterazione diametro vasi: aumento flusso sangue 2) Cambio struttura vasi: rilascio di fluido e proteine (edema) Fenomeni cellulari 3) reclutamento leucociti: si accumulano nel sito danneggiato 4) fagocitosi

21 Terminologia-1 Pressione oncotica: pressione osmotica dovuta a soluzioni colloidale Soluzione colloidale: soluzione di particelle a alto peso molecolare (le proteine nel plasma sanguigno, il latte) Pressione idrostatica : forza esercitata da un fluido su ogni superficie a contatto con esso.

22 Terminologia-2 Essudato: liquido infiammatorio extravascolare alta conc proteine (peso specifico >1,02) - implica alterazione vasi Trasudato: liquido con bassa conc proteine (peso specifico <1,02), ultrafiltrato del plasma dovuto a variazioni pressione idrostatica in condizoini di permeabilitá normale. Edema: eccesso di liquido in spazio interstiziale (essudato/ trasudato) Pus: essudato ricco in leucociti e frammenti cellulari

23 Fenomeni vascolari

24 Fenomeni vascolari: cambio flusso e diametro vasi Permeabilità vascolare normale; La pressione idrostatica del sangue é bilanciata dalla pressione oncotica delle proteine plasmatiche 1) vasodilatazione, con apertura di nuovi capillari: aumento flusso (rossore, calore) 2) Aumento permeabilità della microvascolatura: diminuzione flusso, essudato, accumulo eritrociti (STASI) 3) Marginazione leucocitaria: leucociti si attaccano all endotelio e emigrano nello spazio interstiziale

25 caratteristica principale dell infiammazione acuta Aumento permeabilità porta al rilascio di essudato: permeabilità: perdita di proteine plasmatiche: - scende la pressione osmotica del sangue - sale la pressione osmotica interstiziale aumento della pressione idrostatica per vasodilatazione: EDEMA

26 Aumento permeabilità: come?

27 Fenomeni cellulari 1) Reclutamento leucocitario 2) fagocitosi

28 Reclutamento leucocitario Momento fondamentale dell infiammazione é il reclutamento di leucociti nel sito del danno Scopo: 1) Eliminazione fonte del danno 2) Degradazione tessuto necrotico 3) Rilascio di enzimi, mediatori e radicali liberi: possibile prolungamento stato infiammatorio

29 Let s roll

30 Fasi del reclutamento Marginalizzazione: Il rallentamento del flusso sanguigno cambia le condizioni emodinamiche e si accumulano leucociti sulle pareti. Rotolamento: I leucociti interagiscono blandamente con endotelio e iniziano a rotolare. Attivazione: Interazione con fattori chemiotattici attivano. Adesione: Leucociti attivati legano ora più avidamente l endotelio. Migrazione trans-endoteliale: Leucociti iniziano a inserire pseudopodi nelle giunzioni cellulari fino a superare la membrana basale (DIAPEDESI) e entrare nello spazio interstiziale guidati da fattori chemiotattici.

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32 Margination and Pavementing

33 diapedesi

34 Quali molecole coinvolte in adesione e migrazione? Concetto: Interazione tra molecole adesive su superficie di endotelio e leuco Mediatori chimici regolano espressione e avidità di legame Quali molecole: -Selettine: P, E (endotelio) e L (leucociti) e -recettori per selettine -Immunoglobuline: ICAM-1, ViCM-1 (endotelio) -Integrine : recettori per ECM e per ICAM-1/VICAM-1 (leucociti)

35 Come vengono regolate queste molecole di adesione durante attivazione leucocitaria? Ri-distribuzione: P-selectin presente in cell. endoteliali in granuli Weibel-Palade sono ridistribuite sulla superficie su segnale di istamina, trombina, PAF Induzione di molecole di adesione: Neo-sintesi di E-selectin su stimolo di TNF e IL1 Aumento avidità di legame: Le integrine presenti su leucociti aumentano l aviditá di legame con le immunoglobuline ICAM/VCAM in seguito a azione di chemochine

36 Reclutamento neutrofili Su endotelio attivato compaiono le Selettine Chemochine aumentano avidità di legame di integrine per ICAM-1 I neutrofili marginalizati si legano blandamente alle selettine e a ICAM-1 Migrazione, Grazie a interazione integrine/pecam-1,

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39 Cinetica di reclutamento Neutrofili: 6-24hrs Macrofagi: 24-48hrs dovuta a -diversa espressione di fattori chemotattici - vitalità cellulare diversa

40 Fenomeni cellulari 1) Reclutamento leucocitario 2) fagocitosi

41 Eliminazione del patogeno: fagocitosi La fagocitosi e il rilascio di enzimi da parte di neutrofili e macrofagi sono due effetti principali dell accumulo di leucociti nel sito infiammato riconoscimento: Il materiale da fagocitare viene ricoperto da fattori fattori che ne facilitano il Riconoscimento: OPSONINE, riconosciute da recettori specifici (IgG, riconosciute da recettore FcgR, e frammento C3 del complemento riconosciuto dai recettori CR1-2-3) Endocitosi: Il legame delle opsonine ai recettori induce endocitosi, e il vacuolo che si forma si fonda con lisosoma con successivo rilascio del materiale dei granuli lisosomiali Degradazione: Principalmente tramite meccanismi ossigeno dipendenti tramite metaboliti dell O2: NADPH ossidasi presente su membrana lisosomi genera O 2 * O 2 * genera H2O2 H2O2 é convertita da Mieloperossidasi in Acido Ipocloroso HOCL rilascio di OH* Questa via H2O2/HOCL é tipica dei neutrofili: battericida potentissimo.

42 Classi di fagociti Macrofagi la popolazione principale - residente nei tessuti Rilascio segnali necessari per la risposta innata Granulociti (N,E,B, vedi figura) capacitá fagocitaria maggiore e dei Neutrofili Breve emivita- presenti nel sangue circolante Cellule Dendritiche Residente nei tessuti e negli organi linfoidi periferici. Funzione: -fagocitosi per esporre l antigene e iniziare al risposta immunitaria acquisita -produrre i segnali necessari per la risposta innata

43 Fagocitosi - video

44 fagocitosi

45 Ma come i leucociti raggiungono il sito infiammato?

46 Ma come i leucociti raggiungono il sito infiammato? chemotassi Migrazione cellulare orientata lungo un gradiente chimico Fattori endogeni: Mediatori chimici: proteine del complemento (C5a) citochine (IL8) metaboliti acido arachidonico Fattori esogeni: Prodotti batterici: lipopolisaccaridi (LPS) peptidi con N-formyl-metionina (tipici batteri) Effetto dei fattori chemiotattici: attivazione leucocitaria! Movimento ma non solo!

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48 attivazione leucocitaria da fattori chemotattici Formazione legame ligando recettore: Attivazione fosfolipasi C rilascio di enzimi lisosomiali e radicali liberi Aumento livelli di calcio: - Movimento - produzione Acido arachidonico - produzione molecole di adesione

49 Quali sono le molecole che segnalano il processo infiammatorio?

50 Quali sono le molecole che segnalano il processo infiammatorio? Si può semplificare la complessa rete di segnali che genera la risposta infiammatoria separandoli in categorie funzionali INDUTTORI: segnali che causano la risposta infiammatoria Sono sentiti da specifici SENSORI. I sensori stimolano la produzioni di mediatori. MEDIATORI: alterano lo stato funzionale del tessuto, mediante EFFETTORI. INDUTTORI SENSORI MEDIATORI EFFETTORI

51 esempio Infezione batterica: LPS é l induttore che viene sentito dal sensore TLR che attiva una cascata di segnali attivando il rilascio da parte di cellule infiammatorie (macrofagi per esempio) di citochine, I mediatori, tra cui il TNF che induce attivazione leucocitaria: I leucociti sono gli effettori. LPS TLR TNF leucociti INDUTTORI SENSORI MEDIATORI EFFETTORI

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54 INDUTTORI ESOGENI: Di origine microbica: pathogen associated molecular pattern PAMP, recettori specifici sentono pattern molecolari conservati tra organismi diversi (es Toll like receptor e LPS, vedi slide successive) fattori di virulenza: I sensori rilevano l effetto, cioè la conseguenza di danno tessutale o attività enzimatica o alterazione omeostasi tessutale Di origine non microbica: corpi estranei, sostanze tossiche e irritanti ASBESTOSI: fibre di amianto depositate negli alveoli polmonari causano reazione antinfiammatoria da corpo estraneo a cui segue fibrosi e carcinogenesi

55 Esempio di recettore immunità PAMP innata:tlr PRR Cellule immunità innata (macrofagi, dendritiche, polimorfonucleati) sono in grado di riconoscere strutture molecolari comune a patogeni diversi: Pathogen Associated Molecular Pattern (PAMP) I PAMP sono riconosciuti dai recettori Pattern Recognition Receptor (PRR), in numero limitato e coespressi sulla stessa cellula. Il legame attiva il processo infiammatorio La classe più importante: I recettori Toll (TLR) Esempio: il lipopolisaccaride LPS, costituente della parete di batteri Gram-, lega il recettore TLR4 e attiva la risposta infiammatoria mediata dalla proteina adattatrice MYD88 che attiva il pathway di NF-kB

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58 INDUTTORI ENDOGENI: segnali derivati da tessuti danneggiati o malfunzionanti Come? Un tessuto danneggiato é caratterizzato dal rilascio di molecole o cellule che normalmente sono compartimentalizzate in cellule o tessuti integri. Cellula necrotica: persa integrità membrana, rilascio di ATP, K +, acido urico. In tessuto danneggiato, la rottura della membrana basale porta in contatto cellule epiteliali e mesenchimali, questo viene sentito e attiva la risposta. Se succede nell intestino, batteri commensali vengono in contatto con macrofagi residenti e attivano I recettori TLR. Danno all endotelio vascolare: proteine plasmatiche vengono attivate dal contatto con ECM il fattore di Hageman si attiva a induce una cascata proteolitica che produce mediatori dell infiammazione (via Kallikreina, via fibrinolitica, cascata del complemento, coagulazione) Le piastrine a contatto con ECM si attivano e rilasciano mediatori. Cristalli endogeni: sali di calcio e di sodio, coinvolti nelle infiammazioni articolari, sentiti come corpi estranei. Degradazione di componenti di ECM: esempio, acido ialuronico durante danno tessutale viene degradato in frammenti che attivano I recettori TLR

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60 Mediatori Gli induttori dell infiammazione causano la produzione di mediatori che alterano la funzionalità degli effettori dell infiammazione, cioè organi/tessuti/cellule. Effetto comune dei mediatori é : -reclutamento dei leucociti -la alterazione del sistema vascolare Precursori nel plasma Origine cellulare

61 Mediatori Precursori nel plasma Proteasi plasmatiche Proteine del complemento fattori della coagulazione Origine cellulare Amine vasoattive Mediatori lipidici NO Citochine Enzimi proteolitici, degradazione ECM

62 mediatori Proteasi plasmatiche Proteine del complemento: cascata proteolitica di proteasi plasmatiche che culmina nella produzione di: membrane attack complex (C5-C9): lisi membrane C3 opsonizzazione C5 fattore chemotattico per leucociti C3 e c5 attivano rilascio di istamina e pathway acido arachidonico coagulazione attivate dal fattore di Hageman. - vedi figura obiettivo é: la formazione/rimozione del coagulo di fibrina la produzione di trombina (coagulo, attivazione dei leucociti) attivazione C3 Amine vasoattive: vasodilatazione periferica e alterazione permeabilità Istamina, rilasciata dai granuli dei mastociti adiacenti gli endoteli vascolari. Serotonina, rilasciata dalle piastrine. Mediatori lipidici: -Metaboliti acido arachidonico (AA): acido grasso presente in fosfolipidi di membrana il cui metabolismo genera una serie di di mediatori lipidici biologicamente attivi, detti eicosanoidi (leucotriene, prostaglandine, tromboxano) - vedi figura -PAF: Platelet activating factor, fosfolipide prodotto mastociti, neutrofili, macrofagi, endotelio, piastrine. Attivazione leucociti e piastrine, permeabilitá vascolare. NO: monossido di azoto, prodotto da sintetasi del NO, costitutivamente espresse in endotelio e cellule neuronali (enos, nnos) e indotta da TNFe IFNγ in cellule endoteliali e macrofagi (inos): vasodilatazione e effetto antimicrobico. Chemochine: una particolare classe di citochine, sono piccoli peptidi che stimolano e guidano il movimento dei leucociti. IL-8 prodotta da macrofagi o cell. endoteliali e agisce sui neutrofili Proteasi: sono contenute nei granuli dei neutrofili e determinano la degradazione della ECM e membrana basale -> migrazione leucocitaria e rimodellamento/danno tessutale (elastasi, catepsina G, metalloproteasi di matrice). Citochine: vedi dopo.

63 complemento

64 coagulazione

65 coagulazione Coagulo attivazione dei leucocit Coagulo

66 coagulazione Feedback loop Coagulo attivazione dei leucocit vasodilatazione Coagulo Opsonizzazione Lisi membrane attivazione dei leucociti vasodilatazione Rimozione coagulo

67 Metabolismo acido arachidonico John Vane il premio Nobel nel 1982 Antinfiammatori steroidei Released from cell membrane Antinfiammatori non steroidei COX2 COX1 Leucociti, mastociti infiammazione endotelio infiammazione piastrine

68 Monossido di azoto, NO 1) Vasodilatazione 2) Feedback loop: riduzione richiamo leucocitario 3) potenti antimicrobico generati da interazione con specie reattive dell O2 (diossido di N)

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70 Citochine Proteine prodotte da linfociti, macrofagi, endotelio che modulano la funzione di diversi tipi cellulari Caratteristiche: Agiscono su più tipi cellulari Espresse transientemente Effetto pleiotropico Regolano altre citochine Feedback loop Recettori anch essi regolati Classi Regolano risposta immunitaria Regolano infiammazione: TNF IL6, IL10 Chemochine (Il8) Regolano ematopoiesi

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73 TNF Scoperto per il suo effetto antitumorale, in realtà é la piú importante citochina del sistema infiammatorio EFFETTI: rilascio di citochine e chemochine, proliferazione cellulare, attivazione leucociti e endotelio, stimola drenaggio ai linfonodi, vasodilatazione, permeabilità Invia segnali sia di proliferazione che di morte cellulare Recettore ubiquitario- TNFR1 induzione di apoptosi via caspasi stimolo proliferativo via NFKB Recettore in T cell e endotelio TNFR2 induzione pathway infiammatorio e proliferazione T cell IL1 Espressione agenti chemotattici da cell endoteliali: diapedesi. Agisce su hypothalamus causando innalzamento temperatura corporea (febbre) = agente pirogenmo Vasodilatazione IL6, : induzione di chemochine e molecole adesive Fattore di crescita emopoietico Attivazione linfociti e stimolo produzione anticorpi Ha chiari effetti pleiotropici (vedi slide successiva) IL10 Temporalmente espressa dopo TNF e IL6 ha ruolo antinfiammatorio: Spegnimento della risposta infiammatoria

74 IL-6: A PLEIOTROPIC CYTOKINE

75 IL-6 blood levels are high in infectious, inflammatory, autoimmune diseases and cancer IL-6 in diseases

76 Cinetica induzione citochine LPS: lipopolisaccaride, induttore esogeno

77 EFFETTI INDESIDERATI

78 EFFETTI INDESIDERATI: danno leucocitario infiltrato leucocitario diventa fonte di danno I leucociti sono portatori di radicali liberi, enzimi lisosomiali e proteasi estremamente dannosi se rilasciati nello spazio extracellulare Amplificazione della risposta infiammatoria danno tessutale Protezione?: antiossidanti e e antiproteasi Il danno tissutale dipendente da leucociti e alla base di malattie infiammatorie acuto asma Reperfusion injury Vasculite cronico artrite asma aterosclerosi

79 Esito infiammazione Riparo: Rigenerazione:il tessuto é ricostituito con cellule dello stesso tipo Fibrosi:sostituzione del tessuto danneggiato con tessuto connettivo, cicatrice (scarring) NB: sono attivati processi di migrazione, proliferazione, differenziamento, angiogenesi.

80 Infiammazione cronica Infiammazione di lunga durata in cui si hanno simultaneamente - infiammazione attiva - danno tissutale - tentativi di riparo Perché? - Evoluzione di infiammazione acuta - prima risposta a infezione Cause: -Infezione persistente -Esposizione prolungata a effettori (asbestosi) - Malattie autoimmuni (artrite reumatoide)

81 Caratteristiche istologiche infiammazione cronica 1) Infiltrato leucocitario che indica la continua attività infiammatoria 2) Danno tissutale dovuto a citochine infiammatoria prodotte localmente 3) Tentativo continuo di riparo del tessuto: fibrosi e angiogenesi