Immunologia Principi fondamentali
Introduzione all immunologia Immunologia: studio degli eventi biologici, chimici e fisici concernenti i fenomeni immunologici Immune - protetto da o non soggetto a Sistema immune complesso di barriere, cellule e composti chimici che ci proteggono contro gli agenti infettivi e le cellule tumorali
Tipi di difese immunitarie Innata (costitutiva) Tempo rapido di risposta Principalmente non-specifica (azione contro diversi organismi) Non richiede un contatto precedente Non funziona meglio a seguito di successivi contatti Acquisita (adattativa) Necessita di giorni/settimane per svilupparsi Principalmente specifica (per certuni organismi) Necessita di una sorta di allenamento precedente
Interazioni tra difese specifiche ed aspecifiche Difese aspecifiche (cute, mucose, cellule NK fagocitosi, complemento, interferoni) Citochine, Chemochine Difese specifiche (anticorpi, linfociti T e B)
Tre linee di difesa 1) barriere all ingresso Principalmente aspecifiche e innate 2) cellule protettive e prodotti chimici Entrano in gioco quando vengono meno le prime Principalmente aspecifiche e innate 3) anticorpi e cellule citotossiche Forniscono un immunità durevole dopo il primo contatto Principalmente acquisite e specifiche
1a linea: barriere all infezione Barriere fisiche pelle (cellule cheratinizzate) Difficili da digerire da parte dei microbi, ricambiate continuamente epitelio delle mucose interne Produzione di uno strato mucoso imbrigliante Utilizzo di ciglia che sospingono il materiale all esterno tosse, starnuto, deglutizione azione dilavante dei fluidi (sudore, lacrime, urine)
1a linea: barriere all infezione Barriere chimiche ph acido dello stomaco, pelle, vagina Azione idrolitica: enzimi proteolitici nel tratto gastro-intestinale Lisozima: degradazione del peptidoglicano Lattoferrina: legame ioni ferro Defensine: provocano fori nella membrana batt.
Quando c è lesione delle barriere: 2a linea di difesa Infiammazione: forze accelleranti le reazioni, richiamo di popolazioni cellulari Fagocitosi: rimozione e uccisione dei microbi Complemento: uccisione diretta di alcuni microbi, cooperazione alla fagocitosi Interferoni: azione antivirale aspecifica, attivazione dei macrofagi
Infiammazione Reazione all evento traumatico a danno dei tessuti Ferita di origine fisica o chimica Invasione da parte di un microrganismo Reazione allergica Fondamentale nell immunità acquisita Risposta protettiva globale Possibile causa di danno tissutale e malattia
Citochine e chemochine: un ruolo fondamentale nella risposta infiammatoria Citochine: messaggeri chimici intercellulari (meccanismo ormone-simile) Chemochine: formano gradienti di concentrazione per guidare la migrazione cellulare Spesso agiscono sinergisticamente come regolatori cellulari
Principali citochine infiammatorie Tumor necrosis factor-α (TNF-α) Interleuchina-1 (IL-1) Prodotta da macrofagi e cellule endoteliali Aumenta la permeabilità vascolare Promuove la formazione di coaguli Induce la febbre Aumenta la fagocitosi (neutrofili)
Benefici dell infiammazione Richiama i componenti necessari alla risposta L afflusso di fluidi diluisce i prodotti batterici La fibrina intrappola i batteri (prevenzione della diffusione) I neutrofili fagocitano e uccidono i batteri
La febbre La febbre è la reazione ai componenti batterici TNFα e IL-1 aumentano il setting ipotalamico Effetti positivi dello stato febbrile Inibisce la crescita Diminuisce la disponibilità di ferro Stimola le reazioni immunitarie Effetti negativi dello stato febbrile (T>40 C) Danno tissutale Antipiretici (aspirina, acetaminofeni) Abbassamento temp., contrasto dei benefici
Controllo dell infiammazione Formazione di pus Costituizione: neutrofili morti, detriti cellulari, batteri Elevata viscosità: DNA dai neutrofili Conclusione del processo infiammatorio Macrofagi ripuliscono i siti Tessuto riparato o sostituito da tessuto cicatriziale A volte l infiammazione diviene cronica
Il riconoscimento del patogeno Lectina Recettori RGD (Arg-Gly-Asp) Interazioni idrofobiche PAMP (pathogen-associated-molecular pattern) PRR (pattern recognition receptor)
Il riconoscimento del patogeno TLR
Le cellule della 2a linea di difesa Macrofagi Derivanti dai monociti Largamente distribuiti nei tessuti Cellule circolanti (sentinella) Liberano citochine infiammatorie di richiamo per altri fagociti (IL-1) Importanti nei processi di maturazione e presentazione antigenica
Le cellule della 2a linea di difesa Neutrofili Leucociti polimorfonucleati (PMN) o granulociti Globuli bianchi a vita breve Fagocitosi generica di microbi extracellulari Uccisione intracellulare: non ossidativa (enzimi idrolitici o AnMP) ossidativa (HOCl e ione superossido) La conta dei neutrofili aumenta in corso d infezione Pazienti neutropenici sono più suscettibili (anche alle infezioni opportunistiche)
Le cellule della 2a linea di difesa linfociti-nk (natural killer) Linfociti importanti contro: Infezioni virali Patogeni batterici intracellulari Aderiscono e uccidono le cellule dell ospite infettate Riconoscimento di molecole estranee sulla membrana Rilascio di granuli tossici=morte cellula dell ospite Secrezione di interferone gamma=attivazione macrofagi
Cooperazione Macrofagi cellule NK IL-12 IL-12 IL-12 IFN-γ IFN- γ IFN- γ Cellula NK Batteri nel macrofago Il macrofago attivato uccide I batteri intracellulari
Fagocitosi Arrivare al sito (1) Diapedesi fuoriuscita da circolo sanguigno Adesione alla parete dei vasi mediata dalle citochine Infiltrazione delle cellule tra le serrate giunzioni endoteliali
Fagocitosi Arrivare al sito (2) Chemotassi migrazione al sito d infiammazione I fagociti seguono il gradiente [chemochine] Arrivo al punto interessato
Fagocitosi Meccanismo Formazione di pseudopodi Riconoscimento dei batteri mediante recettori Internalizzazione in fagosomi Favorita dall opsonizzazione
Fagocitosi Meccanismo Fusione fagosoma/lisosoma Formazione del fagolisosoma Uccisione di alcuni microbi mediante HOCl (da Cl, perossido di idrogeno, basso ph e mieloperossidasi) Produzione di forme reattive dell ossigeno
Fagocitosi Meccanismo Uccisione e digestione Esposizione a composti del cloro e dell azoto Attacco da parte di enzimi degradativi e di composti ad azione antibatterica (defensine)
Fagocitosi Meccanismo Rilascio di detriti cellulari
Sistema complementare Importante difesa aspecifica Entra in gioco sia nella risposta innata che in quella acquisita Costituito da ca. 20 proteine ematiche Sintesi: epatica e globuli bianchi Cascata di reazioni enzimatiche complementa l azione degli anticorpi Coadiuva la distruzione di batteri ed alcuni virus
I 3 Stadi della cascata di reazioni Inizio delle reazioni Amplificazione effetto cascata Attacco delle membrane uccisione microbi
Vie di attivazione (1) Via classica: rapida* ed efficiente Inizia quando l anticorpo lega il microbo Fa parte della risposta acquisita Componenti di partenza: C1, C2, C4 Delle lectine: usa gli stessi componenti della via classica Assenza di anticorpi (risposta innata) Inizia al legame delle lectine (proteine sieriche) al mannano (glicoproteine batteriche)
Classica e lectinica
Vie di attivazione (2) Via alternativa lenta, meno efficiente Assenza di anticorpi Protezione agli stadi iniziali dell infezione Componenti di partenza: B, D, properdina Legame alla superficie batterica Il legame promuove la cascata di reazioni del complemento
I 3 Stadi della cascata di reazioni
Riassumendo il sistema complementare coadiuva l inizio della risposta infiammatoria richiama neutrofili e macrofagi opsonizza i microbi per la fagocitosi uccide direttamente alcuni microbi
Gli interferoni Interferon γ: attivatore dei macrofagi Interferoni di tipo 1 (α e β) Secreti da parte di molte cellule Risposta all infezione virale Protezione di cellule vicine
Attività antivirale degli interferoni α e β
3a linea di difesa- Il sistema immunitario acquisito (adattativo) Specificità Riconoscimento e risposte a singoli microbi Programmata per ottimizzare la difesa tipospecifica Al primo incontro necessita di gg/settimane Determina la memoria immunologica rapida ed efficace risposta agli incontri successivi
Tipi di immunità acquisite Umorale: microbi extracellulari Mediata da anticorpi secreti nei fluidi Anticorpi prodotti dai linfociti B Neutralizza, elimina microbi e tossine Cellulo-mediata: microbi intracellulari Mediata da linfociti T Difesa contro microbi intracellulari Elimina cellule ospite infette o prepara i fagociti per il killing
Attori nella risposta acquisita (1) Macrofago l informatore Fagocita e uccide i microbi Funge da APC Cellula dendritica- il raccoglitore Cattura gli antigeni Trasporto ai linfonodi Presentazione alle cellule T
Attori nella risposta acquisita (2) T Helper (Th) l orchestratore Le più abbondanti Assistono le reazioni delle cellule B, e di altre cellule T Portano il marker CD4 T Soppressore la regolativa Inibisce altri linfociti Aiutano aprevenire risposte anomale
Attori nella risposta acquisita (3) T Citotossiche (Tc) le assassine Contro infezioni intracellulari Istruite dalle APC e Th Uccidono cellule infettate dell ospite Portano il marker CD8 B le fabbriche di anticorpi Ricevono istruzioni dalle Th Le più efficaci contro infezioni extracellulari
Attori nella risposta acquisita (4) T della memoria B della memoria I vendicatori Funzionalmente quiescenti durature Assistono nell immunità a lungo termine
Il campo di gioco Quattro comparti corporei sono implicati Grande interscambio e comunicazione
Comunicazione tra comparti
Struttura base dell anticorpo monomerico (Ab) Molecola proteica 4 catene - 2 pesanti, 2 leggere Unite da ponti S S Regioni flessibili Il frammento Fab contiene 2 siti di legame all Ag La regione Fc lega I fagociti e il complemento
Funzioni dell Ab (1) Opsonizzazione L Ab si lega alla superficie microbica mediante il Fab I fagociti riconoscono l Fc, ingerendo il microbo Particolarmente importante per i batteri capsulati Neutralizzazione L Ab si lega alle tossine microbiche Si previene il legame della tossina ai recettori specifici dell ospite Blocco del legame dei virus alla cellula ospite
Funzioni dell Ab (2) Attivazione del complemento Metodo efficiente per l inizio della cascata del Complemento Opsonizzazione e complesso di attacco alla membrana Intrappolano i microbi nel muco La porzione Fc delle IgA secrete legano la mucina Agglutinazione Collega tra loro cellule batteriche e si formano così degli aggregati
Tipi di Ab: le classi anticorpali differiscono nella struttura Principalmente nella porzione Fc Nel numero di monomeri funzionali Molecole accessorie ne influenzano l azione nel tempo di produzione durante la risposta nella localizzazione all interno del corpo
Immunoglobuline G - IgG Le più abbondanti monomeriche opsonizzano neutralizzano fissano il complemento agglutinano le sole a passare la placenta 4 sottotipi (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4)
Immunoglobuline M (IgM) Le più grandi pentameri I monomeri collegati da catene J Neutralizzano bene Le migliori nell attivaz. del compl. Da sole non opsonizzano bene I primi Ab ad apparire dopo infezione Utili ai fini diagnostici
Immunoglobuline A (IgA e siga) IgA monomeri a bassa conc. nel sangue e nei tessuti siga dimeri uniti da catene J + porzioni secretorie siga importanti nelle difese sulle superfici mucose Intrappolano i microbi nel muco Non attivano il complem., opsonine deboli Secrete nel latte materno
Immunoglobuline E (IgE) Monomeri - struttura simile alle IgG L Fc lega i basofili, le mast cellule, non i fagociti Coinvolti nella risposta allergica Protettivi contro le infezioni elmintiche del tratto G.I.
Altri concetti riferiti alle risposte Ab Titolo: misura della concentrazione anticorpale Affinità: forza di legame Ag-Ab Risposta primaria- prima esposizioe all Ag Risposta secondaria Risposta ripetuta dopo esposizioni successive Denominata anche: anamnestica o booster
Risposte primaria e secondaria 1-6 settimane 1-2 settimane
Cosa sono gli antigeni (Ag) Così denominati poichè generano anticorpi Implicati nella risposta immune Stimolano le risposte cellulo-mediate e umorali Vengono riconosciuti come estranei Anche denominati immunogeni
Caratteristiche degli Ag Epitopo parte di un Ag che è riconoscibile Antigenicità o immunogenicità Misura della capacità stimolante Data da dimensioni, forma, composizione chimica Le molecole complesse sono gli Ag migliori Le proteine sono particolarmente immunogene Discreta immunogenicità di lipoproteine e glicoproteine
Riconoscimento dell Ag da parte dei linfociti Ciascuna cellula T o B è specifica per un epitopo dell Ag Inizialmente poche cellule ampio spettro di specificità Ciascuna possiede recettori di superficie antigene-specifici L Ag si lega a specifiche cellule preprogrammate Stimolando la divisione cellulare Attivando cellule per l azione specifica
Attivazione linfocitaria: necessità di un doppio segnale Epitopo dell Ag microbico Segnale 1 Segnale 2 Molecole co-stimolatorie (microbiche o immunologiche) Proliferazione = nuovi linfociti
Recettori linfocitari Marker di superfice legano gli Ag specificità Cellule B: anticorpi Molte molecole riconosciute Solubili o associati a cellule Forniscono risposta umorale Princip. patogeni extracell. Cellule T: TCR (T-cell recepror) Solo i peptidi Associati a cellule Forniscono risposta cellulo-med. Princip. patogeni intracell.
Sviluppo del repertorio immunitario I recettori delle cellule B e T debbono avere Regioni variabili per la specificità di ciascun antigene Regioni conservate per gli stimoli comuni La variabilità deve soddisfare ~109 epitopi Utilizzo della ricombinazione genica nelle cellule germinali Cambiamento di nucleotidi alle giunzioni di ricombinazione I linfociti in maturazione sono continuamente monitorati Le cellule T sono selezionate per riconoscere le molecole del MHC
I complessi maggiori di istocompatibilità (MHC) Proteine che legano gli Ag sulla superficie delle cellule dell ospite Mostrano gli antigeni peptidici alle cellule T Uniche per ciascun individuo, le stesse per tutte le cellule di uno stesso individuo Due tipi MHC I e MHC II
Cellule presentanti l Ag (APC) I microbi vengono degradati in epitopi dalle APC APC: macrofagi, cellule dendritiche (nel t. linfatico), cellule B L APC presenta gli Ag alle cellule T (mediazione del MHC)
Cattura degli Ag proteici ad opera delle DC La superficie degli epiteli ricche in DC I recettori di superficie riconoscono i microbi Specializzazione nel processamento di Ag microbici Migrazione verso I linfonodi All interno dei linfonodi Catturano Ag negli spazi tissutali, linfa, sangue Presentano Ag alle cellule T nelle molecole MHC
Recettori dei linfociti T specifici per Ag trattenuti nelle proteine MHC
APC forniscono anche I secondi segnali alle cellule T Ag = segnale 1 I microbi stimolano i 2 segnali delle APC Molecole co-stimolatrici di superficie citochine (p.es. IL-12) Le cellule T si dividono e maturano Producono le proprie citochine (p.es. IL-2) Le Th inoltre inducono altre funzioni delle cellule immunitarie
L Ag nel MHC I stimola le Tc MHC I prodotte da tutte le cellule (eccetto eritrociti) Legano l Ag generato nel citoplasma cellulare Ag + MHC I sulla superficie cellulare stimola le Tc Innesco dell uccisione di cellule anormali Infettate con organismi intracellulari Mutate in cellule tumorali
Riconoscimento dell Ag e costimolazione per l attivazione delle Tc Le Tc legano l Ag nel sito delle MHC I La MHC I lega il marker CD8 delle Tc Se lo fa su un APC infetta, l APC invia il 2 segnale Se lo fa su altre cellule, la Th manda il 2 segnale Le Tc si attivano Si dividono Migrano al sito dell infezione per eradicarla Alcune divengono Tc della memoria
L uccisione di cellule infette da parte delle Tc Le Tc attivate uccidono: Cellule infette che mostrano Ag virali + MHC I Granuli prodotti dalle Tc penetrano nelle cellule infette Si sormano pori nelle membrane e viene indotta l apoptosi
L Ag nel MHC II stimola le Th Le molecole del MHC II si trovano solo: macrofagi, cellule B APC specializzate (p.es DC) Importante contro microbi extracellulari o tossine Gli Ag processati nei fagolisosomi delle APC Si legano ai siti sulle molecole MHC II La MHC II lega il marker CD4 delle Th Risposta anticorpale, fagocitosi e killing Alcune divengono Th della memoria
Le Th guidano l attività killer dei macrofagi Se i macrofagi arrivano ma non riescono ad uccidere I macrofagi stimolano le Th mediante IL-12 Le Th antigene-specifiche producono IFN γ Questo aiuta i macrofagi ad uccidere I microbi intracellulari
Le Th stimolano le Tc e le B Le Th producono citochine (p.e. IL-2) Stimolano così le Tc ad un attività killer migliore Stimolano così le B ad iniziare la produzione di anticorpi
Ag riconosciuti dai linfociti B Gli Anticorpi (Ab) sono utilizzati come molecole recettore Riconoscono una gran varietà di Ag Gli Ag possono essere proteine, polisaccaridi, lipidi Non richiedono modificazioni o le MHC Il riconoscimento dell Ag non è molto regolato Avviene più spesso nella milza e nei linfonodi Aiutato dal legame di antigeni opsonizzati alle DC
Segnali per l attivazione dei linfociti B 1 segnale: legame al recettore anticorpale Il legame di >1 molecola Ag sulla superficie delle cellule B Il legame di epitopi ripetitivi all interno di una singola molecola Ag 2 segnale: si può avere in modi differenti Attacco del fattore C3d al microbo Intervento delle Th per la risposta alle proteine (tossine)
Interazione Cellula B Th per la risposta alle proteine (1) B e T specifiche per lo stesso Ag B agisce da APC per stimolare le Th La Th fornisce il 2 segnale per la B La B si divide e produce anticorpi
Interazione Cellula B Th per la risposta alle proteine (2) Intervento delle Th necessario alle B: Modificazione del tipo di Ab in produzione Produzione di Ab che legano meglio l antigene Produzione di cellule della memoria Cellule B della memoria: Non secernenti Ab Possono dividersi rapidamente e quindi iniziare a produrre Ab quando riesposte allo stesso Ag
Risposta T-indipendente delle cellule B a polisaccaridi e lipidi microbici I batteri incapsulati rappresentano un problema Richiedono Ab anti-capsulari per l opsonizzazione polisaccaridi e lipidi non sono buoni Ag I polisaccaridi possono reagire direttamente con le cellule B Causano il legame di molti recettori Promuovono la produzione di Ab senza Th Non inducono memoria cellulare
Vaccinazione Stimolazione dell immunità per somministrazione di microrganismi o di loro parti in una forma ceh non dà luogo a malattia Un buon vaccino produce livelli elevati di immunità, con efficacia a lungo termine Possono essere necessarie più sommiistrazioni ripetute a distanza di tempo
Immunizzazione passiva Somministrazione di anticorpi preformati in un ospite diverso: Inizialmente da animali: effetti collaterali tossici Anticorpi umani: migliori, meno immunogenici Gamma globuline umane Globuline immunitarie specifiche