IL COMPLEMENTO E LE SUE PATOLOGIE

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1 Laurea specialistica in Biotecnologie Mediche Corso di Immunologia Molecolare Anno Accademico 2007/2008 IL COMPLEMENTO E LE SUE PATOLOGIE Stefano Gambarino

2 DEFINIZIONE: Il sistema del complemento è costituito da proteine solubili e di membrana che interagiscono reciprocamente. Le proteine solubili, chiamate componenti, sono presenti nel plasma in forma inattiva e vengono attivate in particolari condizioni, dando luogo alle diverse funzioni effettrici del complemento.

3 L attivazione del complemento è mediata dalla sequenziale proteolisi delle diverse componenti I prodotti di attivazione si legano agli antigeni o alla superficie dei microbi, nonché agli anticorpi ad essi combinati L attivazione del complemento è inibita da proteine espresse solo sulle cellule dell ospite. VIA CLASSICA, VIA ALTERNATIVA E VIA LECTINICA

4 LE DIVERSE ATTIVAZIONI E FUNZIONI DEL COMPLEMENTO: [1]

5 VIA CLASSICA DI ATTIVAZIONE DEL COMPLEMENTO Legame all anticorpo (IgM, IgG) del complesso C1 mediante C1q (esamero) Legame alla porzione Fc attuato dalla testa globulare di C1q Attivazione del C1r e proteolisi del C1s (C1s 2 C1r 2 ) necessità di legame di 2 teste globulari serinesterasi Clivaggio del C4 e del C2 e formazione del complesso C4bC2b (C3 convertasi) Attacco del C3b sulla superficie del patogeno [2]

6 VIA CLASSICA DI ATTIVAZIONE DEL COMPLEMENTO Legame all anticorpo (IgM, IgG) del complesso C1 mediante C1q (esamero) Legame alla porzione Fc attuato dalla testa globulare di C1q Attivazione del C1r e proteolisi del C1s (C1s 2 C1r 2 ) necessità di legame di 2 teste globulari serinesterasi Clivaggio del C4 e del C2 e formazione del complesso C4bC2b (C3 convertasi) Attacco del C3b sulla superficie del patogeno [3]

7 VIA CLASSICA DI ATTIVAZIONE DEL COMPLEMENTO Legame all anticorpo (IgM, IgG) del complesso C1 mediante C1q (esamero) Legame alla porzione Fc attuato dalla testa globulare di C1q Attivazione del C1r e proteolisi del C1s (C1s 2 C1r 2 ) necessità di legame di 2 teste globulari serinesterasi Clivaggio del C4 e del C2 e formazione del complesso C4bC2b (C3 convertasi) Attacco del C3b sulla superficie del patogeno

8 VIA CLASSICA DI ATTIVAZIONE DEL COMPLEMENTO [1]

9 A seconda della classe e della sottoclasse varia la capacità dell anticorpo di evocare la risposta del complemento [1]

10 VIA ALTERNATIVA DI ATTIVAZIONE DEL COMPLEMENTO Idrolisi basale di C3 e legame con il Fattore B Fattore D cliva B in Bb e formazione della C3 convertasi (C3(H 2 O)Bb) Deposizione di C3b sulla parete del microrganismo e legame con Fattore B Clivaggio del Fattore B mediato dal Fattore D Properdina stabilizza il complesso C3bBb e produzione massiva di C3b sulla superficie della cellula

11 VIA ALTERNATIVA DI ATTIVAZIONE DEL COMPLEMENTO [1]

12 VIA LECTINICA Via di attivazione poco conosciuta Riconoscimento di carboidrati estranei effettuato dalla lectina legante il mannosio (MBL) Similitudini di struttura fra MBL e C1q e fra C1r e C1s e MASP1 e MASP2 Possibile attivazione affine a quella classica

13 IL COMPLESSO DI ATTACCO ALLA MEMBRANA (MAC) Costituito dalle componenti C5, C6, C7, C8 e C9. E il principale responsabile della citotossicità mediata dal complemento La sua formazione avviene in seguito al completamento di una delle 3 vie di attivazione Si inserisce nella membrana fosfolipidica e causa la fuoriuscita e l entrata libera di H 2 O e di ioni, provocando una rapida lisi cellulare. Entrata di Ca 2+ stimola l evento apoptotico

14 MECCANISMO DI FORMAZIONE DEL MAC Formazione della C5 convertasi C4bC2bC3b C3bBbC3b [1]

15 MECCANISMO DI FORMAZIONE DEL MAC Formazione della C5 convertasi Clivaggio di C5 a C5b C4bC2bC3b C3bBbC3b Legame di C6 a C5b C7 si lega a sua volta a C6 ed espone una porzione idrofobica capace di inserirsi nel bilayer fosfolipidico della membrana C8 si lega al complesso proteico ed è in grado di effettuare una lenta lisi cellulare C9, tramite il complesso C5bC6C7C8, si inserisce nel bilayer e si dispone ad anello provocando una rapida lisi osmotica

16 MECCANISMO DI FORMAZIONE DEL MAC [1]

17 REGOLAZIONE DEL SISTEMA DEL COMPLEMENTO Coinvolge molteplici proteine plasmatiche e di membrana al fine di mantenere localizzato il processo immunitario ed al fine di non colpire cellule self ( Spettatrici innocenti ) Incapacità del complemento di discriminare fra cellule dell ospite e cellule estranee

18 REGOLAZIONE DEL SISTEMA DEL COMPLEMENTO Le proteine coinvolte nella regolazione sono: C1INH (C1 esterase INHibitor) Proteina plasmatica del gruppo delle Serpine, inibitore suicida del tetramero C1r 2 C1s 2. Interagisce con il dominio catalitico delle serinesterasi. E in grado di inibire altre cascate proteasiche tra cui quella della via lectinica di attivazione del complemento Fattore H Proteina plasmatica in grado di interagire con i residui di acido sialico espressa sulle cellule dell ospite. E anche in grado di legarsi a C3b, impedendo il legame con Bb e bloccando la formazione della C3 convertasi della via alternativa DAF (Decay Accelerating Factor) Proteina di membrana presente sulle cellule dell ospite in grado di spiazzare il C2b dal complesso C4bC2b ed il fattore Bb dal complesso C3bBb, bloccando la C3 convertasi e velocizzando il processo di degradazione

19 REGOLAZIONE DEL SISTEMA DEL COMPLEMENTO MCP (Membrane Cofactor Protein) Proteina di membrana presente sulle cellule dell ospite in grado di legare sia C3b che C4b, spiazzando il legame con Bb e con C2b CR1 (Complement Receptor 1) Proteina di membrana presente sulle cellule dell ospite in grado di legare sia C3b che C4b, spiazzando il legame con Bb e con C2b. Costituisce un recettore del complemento presente su monociti e macrofagi con diverse funzioni C4bBP (C4b Binding Protein) CD59 Proteina solubile in grado di legarsi a C4b competendo con C2b al legame Proteina di membrana espressa sulle cellule dell ospite in grado di incorporarsi nel complesso C5b-8 dopo il suo inserimento in membrana ed impedendo la polimerizzazione di C9

20 REGOLAZIONE DEL SISTEMA DEL COMPLEMENTO Fattore I Proteina solubile con attività serin esterasica ed attiva solo in presenza dei suoi cofattori, rappresentati da MCP, CR1, C4bBP e fattore H. E in grado di clivare sia C3b che C4b. Il clivaggio di C3b genera alcuni frammenti (C3bi, C3dg, C3d) che non possono partecipare all attivazione complementare, ma restano comunque adesi alla superficie della cellula (interazione con i recettori dei macrofagi) [1]

21 EFFETTI SECONDARI DEL COMPLEMENTO L attivazione del complemento agisce a livello immunitario anche per quanto riguarda la risposta infiammatoria, con il reclutamento di cellule infiammatorie (come monociti, macrofagi, neutrofili, mastociti ), e l opsonizzazione di batteri al fine di facilitare la fagocitosi attuata dai macrofagi.

22 EFFETTI SECONDARI DEL COMPLEMENTO Induzione della risposta infiammatoria I frammenti derivati dal clivaggio delle componenti C3, C4 e C5, costituiti da C3a, C4a e C5a, prendono il nome di anafilotossine e sono in grado di stimolare in maniera diversa la risposta infiammatoria. Ed in particolare: Degranulazione dei mastociti e liberazione di istamina (C5a > C3a > C4a) C5a costituisce l anafilotossina più potente fra le 3 ed induce anche il burst ossidativo e la produzione di specie reattive dell ossigeno, la chemocinesi, l adesione stabile alle cellule endoteliali ed un incremento nella permeabilità vascolare Opsonizzazione e Fagocitosi Riconoscimento da parte dei macrofagi delle componenti C3b, C3bi, C4b e conseguente fagocitosi del patogeno opsonizzato. Cr1 espresso dai macrofagi riconosce C3b e C4b, mentre il CR3 ed il CR4 riconoscono C3bi. La fagocitosi mediata da CR1 aumenta di efficienza se c è interazione del recettore FcRγ con IgG adese al patogeno

23 LE PATOLOGIE DEL COMPLEMENTO Sono causate da un deficit quantitativo o qualitativo nelle componenti del complemento. Tale deficit comporta una predisposizione ad eventuali agenti infettivi o a malattie autoimmuni, come anche ad altre patologie dove il sistema del complemento è interessato. [1]

24 LE PATOLOGIE DEL COMPLEMENTO Sono causate da un deficit quantitativo o qualitativo nelle componenti del complemento. Tale deficit comporta una predisposizione ad eventuali agenti infettivi o a malattie autoimmuni, come anche ad altre patologie dove il sistema del complemento è interessato. Angioedema Ereditario, Lupus Eritematoso sistemico, Sindrome uremica emolitica, Glomerulonefrite Membranoproliferativa

25 MANIFESTAZIONI CLINICHE L ANGIOEDEMA EREDITARIO L angioedema ereditario (HAE) è caratterizzato da aree di edema circoscritte nelle zone subcutanee e submucosali, senza manifestazione di dolore o prurito, causate da un aumento nella permeabilità vascolare. L angioedema è osservabile soprattutto sulla faccia (labbra, lingua e laringe) e sul collo, ma può interessare qualsiasi parte del corpo. In alcuni casi, può portare ad ostruzione delle vie aeree superiori e causare la morte per edema laringeo. Se interessa il tratto gastrointestinale può portare a dolore addominale, nausea, vomito, diarrea. Traumi, manipolazioni dentali, infezioni, gravidanza, uso di contraccettivi orali e mestruazioni possono causare attacchi severi della patologia. CARATTERISTICHE L angioedema ereditario si può dividere in 2 tipi: HAE di tipo I, che presenta una deficienza quantitativa di C1INH, e HAE di tipo II, con una deficienza qualitativa di C1INH. Per l HAE di tipo I i valori plasmatici di C1INH sono bassi, mentre per il tipo II i livelli sono nella norma, ma il C1INH non è funzionale. Esiste anche un HAE di tipo III riscontrato solo in donne, forse X-linked. Nel complesso l HAE è una malattia unicamente presente in Eterozigosi e per questo autosomica dominante. Oltre all angioedema ereditario esiste l angioedema acquisito (AAE) causato da anticorpi anti C1INH o da tumori ematologici o patologie a carico del tessuto connettivo.

26 L ANGIOEDEMA EREDITARIO PATOGENESI E RUOLO DEL COMPLEMENTO Deficit nel C1INH causano la comparsa dei sintomi dell angioedema. I Bassi livelli di C1INH partecipano in diversi modi all evento patologico. La mancanza di regolazione da parte di C1INH nei confronti della cascata del complemento porta alla produzione di molecole con funzione vasoattiva (C2 chinina). Inoltre, C1INH partecipando anche nella soppressione di altre serinesterasi plasmatiche (callicreina, fattore XII), in sua mancanza viene prodotta bradichinina. Quest ultima è in grado di provocare vasodilatazione ed aumentata permeabilità vascolare, costituendo il principale esecutore della patologia.

27 L ANGIOEDEMA EREDITARIO [4]

28 IL LUPUS ERITEMATOSO SISTEMICO IL lupus eritematoso sistemico (SLE) è una malattia autoimmune cronica, che può colpire diversi organi, tra cui: la cute, le articolazioni, il sangue ed i reni. Colpisce prevalentemente le donne tra la pubertà ed i 40 anni (9:1) rispetto agli uomini. MANIFESTAZIONI CLINICHE Difficilmente è riscontrabile la tipica manifestazione con rash facciale a forma di farfalla. Il più delle volte sono riscontrabili sintomi come: fatica, malessere, ulcere del cavo orale, fotosensibilità della cute, perdita di capelli (alopecia), fenomeno di Raynaud, dolori muscolari, mal di testa, convulsioni, dolori al petto, secchezza degli occhi e della bocca. Se c è anche interessamento renale si aggiungono, alta pressione, sangue nelle urine ed edemi (palpebre, gambe e piedi). Tramite analisi di laboratorio si può osservare la presenza di Ab anti Nucleo, Ab anti fosfolipidi ed Ab anti Dna. L interessamento dei diversi organi causa molteplici sintomi e complicazioni. Il sistema nervoso centrale se colpito porta a depressione, psicosi, suscettibilità ai cambiamenti di umore oltre a mal di testa. Nel caso del sistema renale sono evidenti: ematuria, edemi.

29 IL LUPUS ERITEMATOSO SISTEMICO PATOGENESI La patogenesi è sconosciuta, anche se sembra ci siano fattori che possano predisporre all acquisizione della malattia. RUOLO DEL COMPLEMENTO Osservazioni di presenza di complemento ed anticorpi nei siti lesionati dalla malattia hanno suggerito un probabile coinvolgimento del complemento nella patologia del SLE. Deficienza nel sistema del complemento (mutazioni in omozigosi) sembrano predisporre alla comparsa della patologia (paradosso). Sono state riscontrate in diversi pazienti con SLE deficienze complementari a carico di C1 e di C4 (> 80%). Sembra che il complemento possa avere un fattore protettivo secondo 2 diversi meccanismi: Meccanismo di rimozione scorie (Immunocomplessi e cellule in apoptosi) che rimuove possibili autoantigeni e mediatori di infiammazione Meccanismo di promozione dell eliminazione di linfociti B autoreattivi (rafforzamento selezione negativa)

30 SINDROME UREMICA EMOLITICA La sindrome uremica emolitica (HUS) è una patologia che nel 90% dei casi va in remissione completa. Solo la forma atipica (ahus), rara ed in alcuni casi familiare, è spesso ricorrente. MANIFESTAZIONI CLINICHE E una sindrome con anemia emolitica, trombocitopenia ed insufficienza renale, con presenza di trombi piastrinici nel rene, tipiche caratteristiche di microangiopatia trombotica. La microangiopatia trombotica è accompagnata da danno all endotelio e distacco dalla membrana basale. PATOGENESI Causata da un alterata regolazione del complemento che porta ad un attivazione del complemento prolungata con interessamento dei piccoli vasi. Gli eventi microangiopatici sono responsabili del successivo danno al rene.

31 SINDROME UREMICA EMOLITICA RUOLO DEL COMPLEMENTO Analisi genetiche mostrato mutazioni di geni, in eterozigosi prevalentemente, coinvolti nel controllo dell attività della convertasi C3bBb (Fattore H, MCP, Fattore I). Anche anticorpi anti fattore H possono causare la sindrome uremica emolitica atipica (ahus). Entrambi gli elementi portano all aumento dell emivita del complesso C3bBb. Ridotti livelli plasmatici di C3 e di fattore B, come anche alti livelli, del prodotto di clivaggio del fattore I, C3d, possono essere indicativi di una ahus. La mancata regolazione della via alternativa di attivazione del complemento comporta l eccessiva liberazione di C3a e di C5a, e la formazione del complesso C5b9, che contribuiscono al processo microangiopatico attraverso l attivazione dei neutrofili, l adesione all endotelio di fagociti, l aggregazione di piastrine e la produzione di MAC (danno diretto all endotelio).

32 LA GLOMERULONEFRITE MEMBRANOPROLIFERATIVA DI TIPO II La glomerulonefrite membranoproliferativa (MPGN) di tipo II è una malattia rara caratterizzata da accumulo di densi depositi di complemento all interno della membrana basale del capillare glomerulare, con ispessimento della parete del capillare, proliferazone delle cellule mesangiali e fibrosi glomerulare. Nel complesso sono evidenti segni di una intensiva ipercellularità glomerulare. La MPGN di tipo II si distingue dagli altri tipi di MPGN per i bassi livelli plasmatici di C3 MANIFESTAZIONI CLINICHE I sintomi sono: ematuria, proteinemia, presenza di leucociti nelle urine, edemi e ritenzione di liquidi, alta pressione sanguigna, diuresi ridotta. Dopo diversi anni questa patologia può causare insufficienza renale, nel 50% dei pazienti, tale da richiedere dialisi e trapianto di rene. PATOGENESI il meccanismo di patogenesi non è del tutto chiaro. Sembra essere una patologia probabilmente autoimmune, con persistente attivazione della risposta immunitaria con danni a carico del rene.

33 LA GLOMERULONEFRITE MEMBRANOPROLIFERATIVA DI TIPO II RUOLO DEL COMPLEMENTO Si sono osservati depositi di C3 all interno della membrana basale del glomerulo. Questo accumulo sembra essere il responsabile della interposizione di matrice sul lato endoteliale della lamina densa. I pazienti colpiti dalla MPGN di tipo II sembrano possedere mutazioni prevalentemente in omozigosi a carico del fattore H. In alcuni pazienti vi sono anche Anticorpi (C3NeF) che interagiscono con la C3 convertasi della via alternativa, agendo però come stabilizzatori del complesso.

34 BIBLIOGRAFIA 1. Charles A. Janeway, Paul Travers, Mark Walport, Mark Shlomchik, Immunobiology, New York and London: Garland Science, (c2001) Alvin E. Davis III, The pathophysiology of hereditary angioedema, Clinical Immunology 114, 3-9 (2005) 5. Sujoy Khan, Secondary systemic lupus erythematosus: An analysis of 4 cases of uncontrolled hereditary angioedema, Clinical Immunology 123, (2007) 6. Anthony P. Manderson, The role of complement in the development of systemic Lupus Erythematosus, Annu. Rev. Immunol. 22, (2004) 7. David P D'Cruz, Systemic lupus erythematosus, BMJ 332, (2006) 8. G. Sturfelt, Complement and its breakdown products in SLE, Rheumatology 44, (2005) 9. Marina Noris, Complement Factor H Gene Abnormalities in Haemolytic Uraemic Syndrome: From Point Mutations to Hybrid Gene, Plos Medicine 3 October (2006) 10. Marie-Agnès Dragon-Durey, Atypical haemolytic uraemic syndrome and mutations in complement regulator genes, Springer Semin. Immun. 27, (2005) 11. Peter F. Zipfel, Complement and diseases: Defective alternative pathway control results in kidney and eye diseases. Molecular Immunology 43, (2006) 12. Piero Ruggenenti, Thrombotic microangiopathy, hemolytic uremic syndrome, and thrombotic thrombocytopenic purpura, Kidney International 60, (2001)