1 Capitolo 11. Tolleranza immunologica

Transcript

1 1 Capitolo 11. Tolleranza immunologica La tolleranza immunologica è definita come la mancanza di risposta ad un antigene indotta dalla precedente esposizione a quello stesso antigene. Quando un linfocita incontra un antigene può essere attivato, e quindi dare risposta immunitaria, o disattivarsi/morire dando luogo alla tolleranza. Gli antigeni in grado di dare tolleranza vengono chiamati tollerogeni per distinguerli dagli immunogeni. La tolleranza verso i propri antigeni, o self tolleranza, è infine una proprietà fondamentale del sistema immunitario. La tolleranza immunitaria è fondamentale per diverse ragioni: Gli individui normali tollerano i loro antigeni perchè i linfociti autoreattivi vengono uccisi, inattivati o cambiano la loro specificità. Antigeni estranei possono essere somministrati in modo da inibire le risposte immunitarie inducendo tolleranza in linfociti specifici. L induzione della tolleranza immunologica può essere sfruttata per un approccio terapeutico nel prevenire risposte immunitarie dannose. 1.1 Caratteristiche generali e meccanismi della tolleranza La tolleranza risulta dal riconoscimento degli antigeni da parte di linfociti specifici. I primi studi sul tema dimostrarono che si può indurre tolleranza facendo riconoscere gli antigeni durante la vita fetale o neonatale. Ad esempio se un topo adulto A riceve un trapianto di pelle da un topo B geneticamente diverso si avrà reazione immunitaria per via del mancato riconoscimento dell MHC; se invece il topo A riceve cellule del sangue di B durante la vita fetale non si ha rigetto (il feto è immunodeficiente) e un piccolo numero di soggetti sopravvive normalmente come chimera, accettando innesti anche da adulto. L auto tolleranza può essere indotta in linfociti self-reattivi immaturi nei siti linfoidi centrali (tolleranza centrale) o in linfociti maturi in siti periferici (tolleranza periferica). La tolleranza centrale assicura che il repertorio di linfociti maturi non riconosca gli antigeni self presenti negli organi linfoidi primari tuttavia non può contare nella mancata risposta ad antigeni espressi solamente in periferia: questo tipo di tolleranza è mantenuta da meccanismi periferici. La tolleranza centrale si ha perchè tutti i linfociti in maturazione passano in una fase in cui incontrano antigeni che portano alla morte cellulare o all espressione di nuovi recettori o a variazioni nelle funzionalità. I soli antigeni nel timo e nel midollo sono antigeni self in quanto quelli estranei sono trasportati agli organi linfoidi periferici: i linfociti in sviluppo incontrano solo antigeni self ad alte concentrazioni. Questa interazione ha dunque vari possibili esiti: Morte per apoptosi, detta delezione clonale Cambio dei recettori, detto editing recettoriale Differenziazione di alcune cellule CD4+ in cellule T regolatorie che migrano in periferia per prevenire le reazioni al self. La tolleranza periferica si ha quando il linfocita maturo che riconosce il self diventa incapace di riconoscere tale antigene, o quando viene indotto all apoptosi o ne viene ridotta l emivita. La tolleranza periferica come detto serve a garantire la non risposta ad antigeni non presenti negli organi linfoidi primari. Alcuni antigeni self possono essere totalmene ignorati dal sistema immunitario, così che i linfociti incontrano l antigene ma non vi rispondono e rimangono dunque circolanti e funzionali. Non si sa nulla di questo meccanismo. 1.2 Tolleranza dei linfociti T La tolleranza dei linfociti helper è un modo efficace per prevenire risposte immunitarie agli antigeni proteici: molte terapie per indurre tolleranza ai tessuti trapiantati hanno come bersaglio queste cellule. Molto poco è invece noto della tolleranza nei linfociti citotossici. 1

2 1.2.1 Tolleranza centrale nei linfociti T Durante la maturazione nel timo molte delle cellule T che riconoscono gli antigeni con troppa avidità vengono eliminate grazie al processo di selezione negativa (capitolo 8). I due fattori principali che determinano la selezione negativa dei timociti autoreattivi sono la concentrazione dell antigene nel timo e l affinità dei TCR del timocita per tali antigeni. Gli antigeni self vengono processati e presentati sulle molecole MHC dalle APC del timo; questi antigeni includono molte proteine circolanti o associate alle cellule. Alcune proteine inizialmente credute espresse solo nei tessuti periferici sono invece presenti nelle cellule epiteliali timiche sotto controllo del gene regolatore autoimmune (AIRE). La proteina AIRE funziona come fattore di trascrizione per promuovere l espressione di antigeni selezionati nel timo. Il processo di selezione interessa sia le cellule MHCI ristrette che quelle MHCII ristrette ed è dunque importante sia per le popolazioni CD4+ che CD8+. L importanza della selezione negativa è evidente nelle patologie autoimmuni che si sviluppano a seguito di fallimenti di tale processo: La sindrome autoimmune poliendocrina raccoglie una serie di malattie causate da mutazioni nel gene AIRE ed è caratterizzata da danni anticorpo e linfocita-mediati a organi endocrini multipli. Topi con mutazioni nella chinasi TCR-associata ZAP-70 sviluppano artriti e altre manifestazioni di autoimmunità. La ragione è che la mutazione diminuisce il segnale TCR-indotto quanto basta per interferire con la selezione negativa facendo scappare linfociti autoreattivi. Alcuni dei linfociti T CD4+ che riconoscono gli antigeni self nel timo non vengono eliminati ma differenziano invece in cellule regolatrici che lasciano il timo e inibiscono risposte ai tessuti self in periferia. Difetti nella proteina AIRE non sembrano prevenire lo sviluppo di queste cellule: questo suggerisce che i requisiti per il loro sviluppo siano diversi, anche se quel che determina la scelta tra morte e destino regolativo resta sconosciuto Tolleranza periferica nei linfociti T I meccanismi di tolleranza periferica sono responsabili per la mancata reazione ad antigeni self tessuto specifici che non sono abbondanti nel timo. La tolleranza è dovuta ad anergia, delezione o soppressione delle cellule T, ma non è noto se su ogni cellula agisca uno solo di questi metodi o tutti insieme. Anergia indotta da riconoscimento di antigeni self L esposizione di cellule CD4+ ad un antigene senza costimolazione o immunità innata può rendere tali cellule incapaci di rispondere. La piena attivazione delle cellule T richiede il segnale dal TCR e il riconoscimento dei costimolatori, principalmente B7-1 e B7-2, da parte di CD28. Una segnalazione prolungata del solo TCR può portare ad anergia: questa situazione è plausibile per gli antigeni self che non generano immunità innata o forte costimolazione. Evidenze sperimentali dell anergia: Cellule CD4+ esposte in vitro a complessi sintetici MHC+peptide in assenza di costimolanti rimangono disponibili ma non sono in grado di rispondere all antigene. L anergia può essere evitata per aggiunta di APC attivate in coltura o se i recettori per i costimolanti vengono attivati con gli anticorpi. 2

3 L anergia può essere ottenuta somministrando antigeni non self in maniera da farli riconoscere evitando costimolazione o infiammazione. Un metodo è trasferire linfociti T con TCR specifico per un antigene conosciuto in un topo normale da un topo transgenico. Se l antigene è amministrato per via sottocutanea con adiuvanti i linfociti antigene specifici proliferano nei linfonodi di zona, diventano effettori, migrano nei follicoli linfoidi e interagiscono con le cellule B. Se l antigene viene somministrato in forma acquosa senza adiuvanti i linfociti mostrano una abilità ridotta di proliferare, differenziare e migrare. Un antigene, come una glicoproteina virale, può essere espressa nei tessuti di un topo transgenico. Se il topo esprimente l antigene viene incrociato con un topo normale che esprime il TCR antigene specifico come transgene, molti linfociti T incontreranno l antigene self. Queste cellule diventano anergiche e perdono la capacità di rispondere all antigene virale. Presumibilmente anche qui si tratta di livelli inadeguati di costimolazione. Un antigene proteico può anche essere espresso come self antigene sistemico, associato alle cellule o secreto in topi transgenici. Se un linfocita incontra questi antigeni perde la sua capacità di rispondervi. L anergia è il risultato di alterazioni biochimiche o genetiche che riducono la capacità del linfocita di rispondere. Sono numerose le alterazioni biochimiche ritenute necessarie per mantenere questo stato di mancata risposta: 1. Le cellule anergiche mostrano un blocco nella trasduzione del segnale del TCR. Non si sa a cosa sia dovuto, a volte sembra legato a una sottoespressione del TCR, a volte al reclutamento di molecole inibitorie quali le fosfatasi. 2. Gli antigeni self potrebbero attivare ubiquitina-ligasi cellulari che potrebbero ubiquitinare le proteine TCR associate portandole a degradazione: il risultato è ancora una volta una riduzione del segnale del TCR. 3. Quando il linfocita riconosce l antigene self potrebbe attivare i recettori inibitori della famiglia di CD28, le cui funzioni sono di terminare la risposta. I due recettori il cui ruolo nella tolleranza self è meglio descritto sono CTLA-4 e PD-1. In particolare CTLA-4 compete con CD28 per i costimolanti B7 escludendolo dalla sinapsi immunitaria, inoltre porta diversi segnali inibitori che bloccano quelli che attivano il TCR. PD-1 riconosce invece due ligandi espressi sulle APC e su altre cellule e questo riconoscimento porta all inattivazione del linfocita T. Le cellule dendritiche residenti nei tessuti linfoidi e non possono presentare gli antigeni self ai linfociti T per mantenere la tolleranza: le cellule dendritiche mature presentano infatti pochissimi costimolatori. Le cellule dendritiche attivate sono dunque le principali APC per scatenare la risposta dei linfociti T, mentre quelle a riposo potrebbero avere ruolo tollerogenico. Soppressione dei linfociti autoreattivi da parte delle cellule T regolatrici La maggior parte delle cellule T regolatrici esprimono alti livelli di recettore per IL-2 e CD25 ma non altri markers di attivazione. Queste cellule sono generate principalmente per riconoscimento del self nel timo, ma si sviluppano occasionalmente anche in periferia. La genesi e la sopravvivenza di queste cellule è dipendente dalle citochine TGF-β e IL-2 e dalla costimolazione B7:CD28. Un fattore di trascrizione chiamato FoxP3 è critico per lo sviluppo e la funzionalità della maggior parte di queste cellule. Le cellule T regolatrici riconoscono gli antigeni self e da essi sono generate. Un meccanismo di controllo delle risposte immunitarie di queste cellule è la secrezione della citochina immunosoppressiva IL-10, che inibisce la funzione di macrofagi e cellule dendritiche. Altri esperimenti indicano che queste cellule lavorano per contatto diretto con le APC o con i linfociti rispondenti, ma non si sa come eseguono la soppressione. Delezione dei linfociti T per apoptosi I linfociti T che riconoscono il self senza infiammazione o che sono ripetutamente stimolati muoiono per apoptosi: questo tipo di morte è stata chiamata morte cellulare attivazione-indotta. La morte apoptotica può avvenire secondo due vie biochimiche: via recettoriale e via mitocondriale (Pinton). 3

4 I linfociti T che riconoscono il self senza costimolazione o senza una risposta innata ad accompagnarli possono attivare la proteina pro-apoptotica Bim, imboccando così la via mitocondriale per l apoptosi. Nelle normali risposte linfocitarie i segnali del TCR stimolano l espressione di proteine anti apoptotiche della famiglia di Bcl-2 che promuovono la sopravvivenza e la proliferazione della cellula. Bim può essere attivata dal riconoscimento del self in assenza di costimolazione o fattori di crescita e attiva a sua volta proteine effettrici che fanno scattare la morte programmata. In assenza di forte stimolazione infatti non ci sono fattori di crescita e gli effetti di Bim non sono bilanciati dalle proteine antiapoptotiche. Il ripetuto stimolo ai linfociti determina l espressione dei recettori di morte e dei loro ligandi, e l attivazione di tali recettori porta a morte apoptotica. Nelle cellule CD4+ il recettore di morte fondamentale è Fas, il cui ligando è FasL. A seguito di molte attivazioni FasL viene espresso sulla superficie cellulare e si va a legare a Fas sulla superficie della cellula stessa o di quelle adiacenti. L interazione Fas:FasL attiva la cascata delle caspasi che porta a morte la cellula. Mutazioni in Fas o FasL portano a malattie autoimmuni simili al lupus. 1.3 Tolleranza dei linfociti B Tolleranza centrale nei linfociti B I linfociti B immaturi che riconoscono gli antigeni self nel midollo osseo con alta affinità possono cambiare la loro specificità o essere eliminati. Se il linfocita riconosce antigeni presenti ad alte dosi e specialmente se multivalenti, reagisce attivando i geni RAG1 e RAG2 ed esprime una nuova catena leggera dell Ig, ottenendo così una diversa specificità. Questo processo è detto editing recettoriale (capitolo 8) ed è fondamentale nell eliminare l autoreattività: se questa via fallisce il linfocita viene eliminato. Un riconoscimento più blando degli antigeni self porta invece ad anergia piuttosto che a morte Tolleranza periferica nei linfociti B I linfociti B maturi che riconoscono il self in periferia in assenza di helper possono essere resi inoffensivi o portati a morte per apoptosi. L incontro con l antigene self riduce la sopravvivenza del linfocita e ne promuove la porte lungo la via mitocondriale. I linfociti che incontrano il self in periferia mostrano minor capacità di migrare nei follicoli: probabilmente il riconoscimento cronico dell antigene porta alla sottoespressione del recettore CXCR5 per chemochine che normalmente porta i linfociti B nei follicoli. Le cellule escluse dai follicoli non ricevono i segnali sufficienti per sopravvivere e muoiono. Le cellule B anergiche che incontrano una cellula helper antigene specifica possono poi andare incontro a morte grazie al FasL dei linfociti T che attiva il recettore Fas. Si sospetta che molte malattie causate da anticorpi contro il self siano legate a fallimenti della tolleranza dei linfociti B, ma non se ne sa molto. Individui normali non producono autoanticorpi patogenici ad alta affinità contro antigeni self, e questo potrebbe essere legato alla delezione o alla tolleranza degli helper anche in presenza di linfociti B funzionanti. In questi casi difetti nel mantenimento della tolleranza T possono risultare nella produzione di autoanticorpi. 1.4 Tolleranza indotta da antigeni proteici estranei Antigeni estranei possono essere somministrati in modo da indurre tolleranza piuttosto che risposta immunitaria. In generale gli antigeni consegnati per via sottocutanea o intradermica con adiuvanti favoriscono l immunità; dosi massicce di antigene per via sistemica senza adiuvanti tendono invece ad indurre tolleranza. La ragione è che gli adiuvanti stimolano la risposta innata e l espressione dei costimolatori sulle APC. La somministrazione orale di un antigene proteico spesso porta a soppressione delle risposte immunitarie umorali e cellulomediate verso l antigene: si parla di tolleranza orale. Questo fenomeno potrebbe essere necessario per evitare risposte immuni agli antigeni del cibo o ai batteri commensali dell intestino. Diverse dosi di antigeni per via orale possono indurre anergia o indurre cellule producenti citochine che inibiscono le risposte. 4

5 1.5 Omeostasi del sistema immunitario: terminazione delle normali risposte immuni L attivazione e la morte dei linfociti sono aspetti importanti per mantenerne costante il numero durante la vita nonostante la produzione continua di nuove cellule. Le risposte immunitarie agli antigeni estranei sono autolimitanti e si affievoliscono durante l eliminazione degli antigeni facendo tornare il sistema allo stato basale di attività. A seguito della fase di eliminazione vi è una fase di contrazione in cui la maggior parte delle cellule che hanno risposto all antigene vengono perdute; questa fase è dovuta soprattutto alla morte per apoptosi dei linfociti attivati. Gli antigeni, i costimolatori e le citochine prodotte nelle risposte immunitarie prevengono l apoptosi del linfocita soprattutto stimolando l espressione di proteine anti-apoptotiche (soprattutto quelle della famiglia di Bcl-2). Quando viene eliminato l antigene vengono dunque a mancanare i necessari stimoli alla sopravvivenza e si scatena l apoptosi, che è principalmente il risultato dell attivazione di sensori di morte come Bim e della riduzione di proteine per la sopravvivenza quali Bcl-2 e Bcl-x. A seguito del ritorno alla normalità l unico segno di una risposta precedente è la persistenza di cellule della memoria quiescenti ma dalla lunga vita media. Gli antigeni hanno anche la capacità di scatenare meccanismi attivi per terminare la risposta immunitaria; due di questi meccanismi sono stati già visti come legati alla tolleranza periferica dei linfociti T. Le cellule T attive esprimono CTLA-4, il quale interagisce con le molecole B7 per inibire la continua proliferazione linfocitaria; CTLA-4 appare dopo tre o quattro giorni dall attivazione e può dunque avere ruolo nel declino della risposta linfocitaria. Altri recettori inibitori, ad esempio PD-1, possono servire a funzioni analoghe. Le cellule T attivate possono inoltre esprimere recettori di morte come Fas o ligandi per questi recettori, così che le interazioni possano portare ad apoptosi. Le risposte dei linfociti B sono inoltre attivamente controllate poichè gli anticorpi IgG prodotti dalle cellule B formano complessi con gli antigeni che si legano ai recettori Fc sul linfocita inibendolo: si tratta del processo di feedback degli anticorpi ( capitolo 10) Un altro meccanismo di regolazione per le risposte immunitarie adattative prende il nome di ipotesi network. Quest idea è basata sul fatto che i recettori antigenici sui linfociti sono estremamente vari e che ognuno ha diversa specificità basata su sequenze diverse di aminoacidi. Queste sequenze uniche formano determinanti detti idiotipi che possono essere riconosciuti da altri linfociti come complementari, o anti idiotipici: in altre parole i linfociti sono in grado di rispondere ai recettori di altri linfociti. Secondo questa ipotesi dunque le varie interazioni tra idiotipi e anti-idiotipi portano ad un sistema di stato stazionario che caratterizza l omeostasi. Non si sa con certezza se questa cosa accada sul serio. 5