Lezione 1. Cenni di immunologia generale e introduzione ai meccanismi che stanno alla base dell'autoimmunità

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1 Laurea Triennale in Tecniche di Laboratorio Biomedico Tecniche di laboratorio in neurochimica e neuroimmunologia Massimiliano Castellazzi Lezione 1. Cenni di immunologia generale e introduzione ai meccanismi che stanno alla base dell'autoimmunità

2 L'immunologia L'immunologia è la disciplina scientifica che studia il sistema immunitario, un insieme di cellule e molecole circolanti nel sangue, nella linfa e negli organi linfoidi, le cui funzioni principali sono il controllo dell'integrità dei tessuti e la protezione dell'organismo dall'attacco degli agenti infettivi.

3 Cenni storici Le prime osservazioni empiriche sulle difese immunitarie risalgono al V secolo a. C., al tempo dell'epidemia di peste di Atene descritta da Tucidide. "Individui sopravvissuti ad una precedente epidemia erano protetti dal rischio di contrarre la malattia". Concetto di "immunità"

4 Cenni storici La nascita dell'immunologia come scienza moderna è più recente. Edward Jenner (Berkeley, 17 maggio 1749 Berkeley, 26 gennaio 1823) è stato un medico e naturalista britannico, noto per l'introduzione del vaccino contro il vaiolo ed è considerato il padre dell'immunizzazione. NOTA. In origine, il termine vaccino designava infatti il vaiolo dei bovini (o vaiolo vaccino) e il pus ricavato dalle pustole del vaiolo bovino (pus vaccinico), impiegato per praticare l immunizzazione attiva contro il vaiolo umano.

5 Cenni storici L'esperimento di Edward Jenner. Jenner notò che le mungitrici che avevano contratto il vaiolo bovino (più lieve di quello umano) poi non contraevano quello umano.

6 Cenni storici 1) Materiale da pustola di persona infetta da vaiolo bovino Sviluppo di sintomi lievi (mal di testa, sensazione di freddo, dolore all'ascella) e nel giro qualche giorno il ragazzo guarì

7 Cenni storici 2) Materiale da pustola di persona infetta da vaiolo umano Nessuna reazione e nessun sintomo

8 Cenni storici Louis Pasteur (Dole, 27 dicembre 1822 Marnes-la-Coquette, 28 settembre 1895) è stato un chimico, biologo e microbiologo francese. Grazie alle sue scoperte e alla sua attività di ricerca è universalmente considerato il fondatore della moderna microbiologia. Seppe sfruttare le osservazioni sull'immunità acquisita per lo sviluppo della vaccinazione.

9 Cenni storici Robert Koch (Clausthal-Zellerfeld, 11 dicembre 1843 Baden-Baden, 27 maggio 1910) è stato un medico, batteriologo e microbiologo tedesco. Koch riuscì nel 1876 a coltivare l'agente causale dell'antrace (Bacillus anthracis) fuori dall'organismo e a descrivere il suo ciclo di vita. Riuscì a descrivere per la prima volta il ruolo di un agente patogeno alla nascita di una malattia. NOTA. Postulati di Koch -> teoria microbica Robert Koch Premio Nobel per la medicina 1905

10 L'immunologia oggi

11 Il sistema immunitario Dal latino immunis, che significa esonerato : insieme di organi (milza, midollo osseo, linfonodi, timo, tonsille ecc.), cellule e molecole circolanti, distribuiti in tutto il corpo e in comunicazione tra loro, in grado di intervenire in difesa di un organismo in presenza di infezioni prodotte da virus, batteri, parassiti e molecole da loro prodotte (gli antigeni).

12 Il sistema immunitario

13 Il sistema immunitario L'immunità innata, o naturale, è costituita da diversi componenti che si oppongono alla penetrazione di agenti patogeni (soprattutto microbici). - è la prima risposta; - non dipende da una precedente esposizione; - è mediata da molecole e cellule preesistenti nell organismo sin dalla nascita; - non ha "memoria"; - non è efficace contro molti patogeni intracellulari (protozoi, virus).

14 Il sistema immunitario L'immunità innata, è costituita da: - barriere fisico-chimiche (pelle, apparato gastrointestinale, mucosa vaginale, mucosa bronchiale, mucosa nasale, saliva, lacrime); - molecole presenti nell'organismo (lisozimi, complemento, antiproteasi); - cellule fagocitiche e citotossiche (neutrofili, macrofagi, e natural-killer cells).

15 Il sistema immunitario L'immunità acquisita, o adattativa, è una risposta immunitaria caratterizzata dal suo adattamento a ciascuna infezione. Si divide a sua volta in immunità umorale e in immunità cellulo-mediata. Le cellule che agiscono in questo tipo di risposta immunitaria sono dette linfociti. - è più specifica dell'innata; - è indotta dal patogeno o dalla sostanza estranea. - aumenta la protezione mediata dall immunità innata. - è comparsa relativamente tardi, in termini evolutivi. - è presente solo nei vertebrati; - ha "memoria" (la seconda risposta è più rapida e più efficace).

16 Il sistema immunitario L'immunità adattativa, è coinvolta in: - rigetto dei trapianti; - immunità cellulo-mediata specialmente contro patogeni intracellulari; - immunità umorale specialmente contro antigeni circolanti; - immunosorveglianza dei tumori. E' costituita da: - linfociti T (CD4+ o T-helper e CD8+ o T cito citotossici) - linfociti B (produzione anticorpi).

17 Cellule dell'immunità innata FAGOCITI: cellule che con movimenti ameboidi di tutto o di parte del loro protoplasma inglobano e digeriscono microrganismi, corpi estranei, altre cellule dello stesso organismo destinate alla morte Polimorfonucleati (PMN) o granulociti sono cellule fagocitiche (short-lived) che contengono granuli (lisosomi) in cui vengono prodotti enzimi idrolitici, radicali perossidi e superossidi (tossici per qualsiasi microrganismo) e anche proteine battericide come la lattoferrina. Monociti/Macrofagi sono fagocitici circolanti e hanno pochi granuli, contengono molti lisosomi e la loro attivazione comporta un incremento della fagocitosi con ingestione dei batteri. Svolgono un ruolo importante nella processazione e presentazione dell antigene

18 Cellule dell'immunità innata LINFOCITI NATURAL KILLER (NK): grossi linfociti granulari particolarmente importanti nel riconoscimento e distruzione di cellule tumorali e infette da virus. Le NK non necessitano di attivazione, avendo un sistema di riconoscimento del target del tutto diverso e indipendente dal "riconoscimento dell'antigene" caratteristico degli altri linfociti (T e B).

19 L'immunità adattativa L immunità acquisita rappresenta un sistema di difesa più sofisticato, costituito da meccanismi che vengono indotti e stimolati dall esposizione all antigene. Si generano così risposte immunitarie estremamente specifiche per le diverse molecole la cui intensità ed efficacia è incrementata da ripetute esposizioni.

20 Cellule dell'immunità adattativa - Linfociti B: risposta umorale - Linfociti T: risposta cellula-mediata - T-helper - T-citotossici

21 Antigeni ed epitopi Antigene: sostanza, di solito proteine e polisaccaridi (ma anche acidi nucleici e lipidi, se legati a proteine e polisaccaridi), capace di interagire con la componente adattativa del sistema immunitario inducendo una risposta (cellulo-mediata o anticorpo-mediata). Epitopo: o determinante antigenico, è la porzione di antigene che viene riconosciuta specificamente dal singolo anticorpo o dal singolo recettore sulle cellule T.

22 Riconoscimento dell'antigene Recettore delle cellule B o B-cell receptor (BCR) Recettore delle cellule T o T-cell receptor (TCR)

23 I tempi della risposta immunitaria

24 Gli anticorpi: struttura di base

25 Gli anticorpi: le IgG Le immunoglobuline G (IgG) sono le più presenti nel sangue, linfa, fluido cerebrospinale e peritoneale (costituiscono circa il 70-75% delle immunoglobuline totali). Sono in grado di reagire con i macrofagi, neutrofili e le cellule natural killer (NK) e sono l'unica classe anticorpale efficace contro le tossine batteriche. Sono anche le uniche immunoglobuline in grado di attraversare la placenta nelle donne durante la gravidanza per proteggere il feto.

26 Gli anticorpi: le IgG

27 Gli anticorpi: le IgG

28 Gli anticorpi: le IgM Le immunoglobuline M (IgM) hanno due funzioni, che si rispecchiano nelle due possibili conformazioni: 1. forma monomerica: rimangono ancorate sulla superficie dei linfociti B vergini o naïve e funzionano da recettore per l'antigene, 2. forma pentamerica: vengono secrete nell'ambiente extracellulare e svolgono un'importantissima funzione di opsonizzazione e di attivazione del complemento.

29 La risposta anticorpale La presenza di IgG specifiche per antigeni di un dato virus nel siero indica che l'organismo è venuto a contatto con il microrganismo in un'infezione pregressa; se sono presenti le IgM, invece, l'infezione è attualmente in atto in fase acuta, essendo le IgM i primi anticorpi prodotti dalle plasmacellule nel corso di un'infezione.

30 Gli anticorpi: le IgA

31 Maturazione dell'affinità E' il processo che porta all'aumento dell'affinità degli anticorpi per un particolare antigene. E' il risultato di mutazioni somatiche che avvengono a carico dei geni che codificano per le Ig, seguita dalla sopravvivenza selettiva dei linfociti B che, proprio grazie a queste mutazioni, produrranno gli anticorpi con l'affinità maggiore.

32 Cambio di classe / switch isotipico Il cambio di classe (Class- Switch Recombination, CSR) delle catene pesanti delle Ig è il processo per mezzo del quale una cellula B passa dalla produzione di IgM alla produzione di IgG, IgE, IgA. Le IgG, IgE o IgA prodotte avranno la stessa specificità antigenica delle IgM precedentemente prodotte. Cambia la funzione effettrice

33 Cambio di classe / switch isotipico

34 Gli anticorpi: principali funzioni Isotipo Sottoclassi Presenza Funzioni Altro IgA α (IgA1 e 2) Secrezioni mucose (principalmente), sangue, latte materno Immunità e protezione delle mucose, debole opsonizzante e attivatore del complemento La presenza nel latte materno permette il trasferimento di protezione dalla madre al figlio, resistenti alla proteolisi IgD δ Sangue Recettore per i linfociti (BCR) Sensibili alla digestione proteolitica IgE ε Sangue, tessuti Difesa contro gli elminti e - reazioni allergiche IgG γ (IgG1, 2, 3 e 4) Sangue, tessuti, placenta Opsonizzazione, attivazione del complemento, citotossicità cellulare È la principale Ig del siero (80% ca.), sono i soli anticorpi che passano attraverso la placenta anticorpo-dipendente (ADCC), inibizione dei linfociti B, immunità neonatale IgM µ Sangue (a causa delle grosse dimensioni) Attivazione del complemento, attività agglutinante, recettore per i linfociti B (BCR) Sono i principali anticorpi durante la prima settimana d'infezione

35 "self" Vs "non-self" Il sistema immunitario è quindi una complessa rete molecolare e cellulare sviluppatasi nel corso dell'evoluzione per difendere l'organismo da qualsiasi insulto che ne minacci l'integrità. Una caratteristica fondamentale del sistema immunitario deve quindi essere la capacità di discriminare tra le strutture endogene, che non costituiscono un pericolo, che dunque possono o devono essere preservate (self) e le strutture esogene che di contro possono essere nocive per l'organismo e che per questo devono essere eliminate (non-self).

36 Tolleranza immunologica La tolleranza immunologica è definita come la mancanza di risposta ad un antigene indotta dalla precedente esposizione a quello stesso antigene.

37 Tolleranza immunologica La tolleranza immunologica è definita come la mancanza di risposta ad un antigene indotta dalla precedente esposizione a quello stesso antigene. La tolleranza verso il self può essere indotta in linfociti auto-reattivi immaturi nei siti linfoidi centrali (tolleranza centrale). La tolleranza centrale assicura in questo modo che il repertorio di linfociti maturi non riconosca gli antigeni self presenti negli organi linfoidi primari.

38 Tolleranza immunologica La tolleranza immunologica è definita come la mancanza di risposta ad un antigene indotta dalla precedente esposizione a quello stesso antigene. La tolleranza periferica si ha quando il linfocita maturo che riconosce il self diventa incapace di riconoscere tale antigene. La tolleranza periferica serve quindi a garantire la non risposta ad antigeni non presenti negli organi linfoidi primari.

39 Riassumendo: immunità e tolleranza Il sistema immunitario deve essere quindi in grado di: A) proteggerci dal non-self -> concetto di IMMUNITA' B) tollerare il self -> concetto di TOLLERANZA

40 Malattie autoimmuni La malattia autoimmune è una condizione patologica in cui è avvenuta la rottura della tolleranza immunologica verso uno o più antigeni "self". Il risultato della scomparsa della tolleranza è la formazione di autoanticorpi e/o linfociti-t autoreattivi che determinano/ inducono il danno tissutale e la malattia. X

41 Malattie autoimmuni

42 Malattie autoimmuni - Circa il 3% della popolazione mondiale è affetto da una malattia autoimmune. - Molte delle malattie croniche disabilitanti che colpiscono in età lavorativa hanno una base autoimmune. Tra queste: sclerosi multipla, artrite reumatoide, diabete mellito insulino-dipendente. - Sono riscontrate in maggiore frequenza nelle donne. - L'incidenza aumenta allontanandosi dall'equatore (gradiente di latitudine). - Sembrano aumentare progressivamente in funzione dello sviluppo socioeconomico dell'area in esame. - Non è tutt'ora chiaro se queste variazioni geografiche e socioeconomiche riflettano una diversa esposizione ad agenti patogeni, una diversa alimentazione, una diversa capacità di diagnosticare o altri fattori ancora non identificati.

43 Cosa scatena le malattie autoimmuni? Come in tutte le malattie croniche complesse ci sono evidenze che suggeriscono un'interazione tra fattori genetici e ambientali nello sviluppo di queste patologie (malattie multifattoriali).

44 Cosa scatena le malattie autoimmuni? Fattori genetici: confermati in studi su gemelli e su nuclei famigliari. Frequenza della malattia nella popolazione (prevalenza) (%) Frequenza della malattia nei famigliari delle persone affette (%) Aumento del rischio con famigliare affetto Frequenza della malattia in individui con un gemello monozigote affetto (%) Aumento del rischio con un gemello omozigote affetto rispetto ad un fratello affetto Artrite reumatoide Diabete mellito insulinodipendente Spondilite anchilosante Sclerosi multipla Lupus eritomatoso sistemico 1 8 x 8 30 x x x x x x x x x 12

45 Cosa scatena le malattie autoimmuni? Fattori ormonali: maggior frequenza nelle femmine rispetto ai maschi.

46 Cosa scatena le malattie autoimmuni? Ipotesi igienica: L aumento delle allergie e delle malattie autoimmuni sarebbe da imputare ad una ridotta esposizione ad agenti infettivi nei primi anni di vita.

47 Cosa scatena le malattie autoimmuni? Agenti infettivi: Il ruolo potenziale di un agente infettivo nella patogenesi delle malattie autoimmuni, è supportato da studi epidemiologici descrittivi che mostrano: una distribuzione geografica non omogenea, una variazione nel trend di molte aree del mondo, l evidenza di possibili clusters e un cambiamento di rischio negli emigrati. Un incontro primario con questo agente microbico potrebbe avvenire in giovani adulti geneticamente suscettibili che successivamente sviluppano la malattia.

48 Ipotesi infettiva Molecular mimicry Epitope spreading Bystander ac5va5on Cryp5c an5gens Carol L. Vanderlugt & Stephen D. Miller, 2002

49 Esposizione a UV La Vitamina D aumenta la chemiotassi e la capacità di fagocitosi delle cellule immunitarie. Inoltre inibisce la maturazione delle cellule dendritiche (che presentano gli antigeni), la differenziazione dei Th1 e Th17 (cellule proinfiammatorie) e promuove la funzione immunoregolatoria delle Treg.

50 Take home messages - L'immunologia studia i meccanismi di difesa di un organismo. - L'immunità è la capacità di proteggersi da un agente estraneo. - Il sistema immunitario comprende organi, cellule e molecole deputati alla difesa dell'organismo. - L'immunità innata, o naturale, è la prima risposta immunitaria; è veloce, aspecifica, non dipende da precedenti esposizioni, non ha memoria. E' costituita da cellule fagocitiche e citotossiche (macrofagi, neutrofili e NK). - L'immunità acquisita, o adattativa, può essere umorale o cellulo-mediata; è specifica ed è dotata di memoria. E' costituita principalmente da linfociti B e T. - Si definiscono antigeni le sostanze (principalmente proteine e polisaccaridi) in grado di interagire con la componente adattativa della risposta immunitaria. - Si definisce epitopo la porzione di antigene che viene riconosciuta specificamente dal singolo anticorpo o dal singolo recettore sulle cellule T.

51 Take home messages - Gli anticorpi, o immunoglobuline, sono glicoproteine che costituiscono la risposta umorale. - Le prime immunoglobuline ad essere prodotte in risposta ad uno stimolo antigienico sono le IgM (indicano per questo la presenza di un'infezione acuta). - Le IgG vengono secrete in un secondo momento e permangono per tutta la vita (indicano un'infezione passata). - La tolleranza immunologica è definita come la mancanza di risposta ad un antigene indotta dalla precedente esposizione a quello stesso antigene. - La malattia autoimmune è una condizione patologica in cui è avvenuta la rottura della tolleranza immunologica verso uno o più antigeni "self".

52 Approfondimenti/curiosità Edward Jenner: Louis Pasteur: Robert Koch: Postulati di Koch: Memoria immunitaria: Immunità umorale:

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