Immunologia e immunopatologia

Immunità innata e immunità adattiva

L'immunologia è una scienza relativamente nuova ed in continua evoluzione. Essa studia i meccanismi coinvolti nella protezione verso i patogeni (e non solo) coi quali entriamo in contatto quotidianamente. Si è soliti far risalire la sua nascita alla fine del 1700 con gli esperimenti di Jenner che sono alla base della vaccinazione contro il vaiolo. Questa pratica ha portato nel 1980 alla dichiarazione da parte della OMS dell’eradicazione del vaiolo. Molte delle scoperte nel campo dell’immunologia sono state riconosciute pietre miliari della scienza, tanto da far attribuire ai propri scopritori il Premio Nobel. La vaccinazione contro il vaiolo fu il primo evento dell’immunologia moderna, anche se avvenne nel 1798. I vaccini rappresentano una delle più grandi conquiste dell’Immunologia. Campagne vaccinali condotte con successo hanno permesso di ridurre, se non addirittura eliminare, alcune infezioni. Un’altra tappa molto importante della scienza è stata data dallo studio del virus del HIV, che ha portato al Nobel nel 2008 Barrè, Sinoussi e Montagnier.

Definizioni e concetti chiave

• Immunità intesa come immunità è l’esenzione da alcuni obblighi civili e dalla perseguibilità legale attribuita ai senatori romani in carica ma in questo caso si intende la condizione di protezione nei confronti di un determinato patogeno.
• Sistema immune è un insieme di cellule, molecole solubili, recettori responsabili dell’immunità, che intervengono per difenderci da ciò che è esterno al nostro organismo con lo scopo di ripristinare lo stato di salute.
• Risposta immune è un’azione coordinata e collettiva delle cellule del sistema immune in risposta all’introduzione di una sostanza estranea (antigene).

Tipologie di risposte immunitarie

Il nostro sistema immunitario presenta due grandi tipi di risposte:

• La risposta immune innata è la prima linea di difesa che si attiva per combattere contro gli agenti patogeni che possono entrare nell'organismo, è guidata da cellule sempre presenti, non specifiche.
• La risposta immune adattiva è invece paragonabile alle task force specializzate che riescono a colpire il patogeno in maniera più specifica ed efficace.

Ovviamente tutti questi meccanismi devono essere finemente controllati e regolamentati per evitare effetti indesiderati causati da un’eccessiva risposta. Esistono alcune patologie in cui il meccanismo patogenetico alla base del danno cellulare, tissutale o dell’organo è costituito da una risposta immune eccessiva o con particolari caratteristiche.

Antigeni e risposta immunitaria

Antigeni (Ag) sono sostanze estranee in grado di indurre risposte immunitarie specifiche (o che di tali risposte sono il bersaglio), esistono anche antigeni che fanno parte del nostro organismo definiti autoantigeni. I due attributi dell’antigenicità sono l’induzione di una risposta immune (immunogenicità) e una specifica reazione con l’anticorpo (reattività immunologica).

L’aptene è una molecola a basso peso molecolare che di per sé non induce una risposta anticipare, cioè non ha proprietà immunogenetiche, ma se legata ad un carrier è in grado di stimolare la formazione di anticorpi specifici e di reagire con essi.

Sistema immune e localizzazione

Il sistema immune è localizzato in diverse parti del corpo:

• Le cellule immuni nascono e si sviluppano negli organi linfoidi primari (midollo osseo e timo).
• Le risposte immuni si generano negli organi linfoidi secondari.

Le principali cellule del sistema immune che si trovano nel sangue sono i leucociti o globuli bianchi, che originano da una cellula staminale comune all'interno del MO: granulociti, monociti/macrofagi, cellule dendritiche e linfociti.

Una delle caratteristiche fondamentali della risposta immune è la capacità di discriminare ciò che ci appartiene (SELF) da ciò che ci è estraneo (NON-SELF). La risposta immune ha lo scopo di eliminare il non-self che è rappresentato sia da target esogeni (es. microrganismi, allergeni, materiale estraneo) che da target endogeni (es. cellule tumorali).

Immunità attiva e passiva

La risposta immune è un evento ben articolato e specifico a seconda dell'antigene. Inizia con il riconoscimento degli antigeni, in seguito le cellule immunitarie, prima quiescenti, si attivano e danno origine ad una cascata di eventi che porta all’eliminazione dell’antigene stesso.

Questo tipo di immunità è detta “attiva”. Può essere naturalmente acquisita (in caso di infezione) o artificialmente acquisita (in caso di vaccinazione). Prevede un periodo di latenza che corrisponde al tempo necessario alla formazione di anticorpi. Vi è memoria immunologica.

Può avvenire una risposta immunitaria senza la necessità che si attivino cascate di eventi per eliminare gli antigeni. Questo tipo di immunità è detta “passiva”. Essa è data dalla presenza di anticorpi all’interno dell’organismo, provenienti però dall’esterno. Nel caso dell’uomo, questo tipo di immunità si trova nei neonati e nei feti. Gli anticorpi provengono dalla placenta (durante la gestazione) e dal latte materno ingerito. La madre, sostanzialmente, trasferisce al figlio un’immunità verso alcuni patogeni. Questi anticorpi, però, rimangono in circolo solo per alcune settimane-mesi: il tempo necessario al neonato di sviluppare completamente il proprio sistema immunitario. Questo tipo di immunità passiva è naturalmente acquisita.

Un altro caso di immunità passiva è quella che prevede il trasferimento di anticorpi specifici da un individuo all’altro, mediante donazione di sangue/plasma. Questo tipo di immunità passiva è artificialmente acquisita. Nella risposta passiva si reagisce contro l’antigene con anticorpi/difese già presenti, una volta che esse scompaiono si perde la difesa contro l’antigene (non vi è memoria). È applicabile a soggetti immunodeficienti.

Esiste anche l’immunità adottiva, acquisita solo artificialmente, mediante prelievo di linfociti da un animale da laboratorio e trasferiti ad un altro animale (non esiste negli umani).

Livelli di difesa dalle infezioni

Si possono identificare TRE “livelli” di difesa dalle infezioni. I primi due fanno parte dell’immunità innata non specifica, il terzo invece è parte dell’immunità adattativa (presente solo nei vertebrati e raggiunge il massimo nei mammiferi).

Il primo livello di difesa è dato da formazioni fisiche che fungono da barriera: la cute, le membrane mucose, i peptidi che si trovano sulle membrane apicali delle cellule a contatto con un lume, le lacrime, la saliva.

Il secondo livello dalle cellule immunitarie innate, come le NK, le mast-cells, il complemento e le citochine. Esse sono precoci, presentano una diversificazione limitate con conseguenze specificità limitata.

Il terzo livello è dato invece da cellule dell’immunità adattativa, come i linfociti T helper, i linfociti B (attivati in plasmacellule) e gli anticorpi (prodotti dalle plasmacellule). Esse si sviluppano con un certo ritardo, successivo al riconoscimento dell’antigene, presentano diversificazione e specificità elevata e sono dotate di memoria.

Meccanismi di difesa specifica e non specifica

Quando un patogeno entra nell’organismo, si attivano sia l’immunità innata sia l’immunità adattativa, ma la prima agisce fin da subito mentre la seconda necessita di un certo tempo per diventare operativa. I rispettivi meccanismi sono tra loro integrati allo scopo di eliminare il patogeno che ha scatenato la reazione.

Immunità innata

L’immunità innata comprende barriere quali lacrime, cute; fagociti quali neutrofili e macrofagi; cellule NK e mast-cellule; complemento e citochine. L’immunità adattiva invece prevede le APC che presentano gli Ag alle cellule T helper; le cellule T helper attivate che contribuiscono all’attivazione delle cellule B e dei CTL e quindi che le cellule B producono e i CTL uccidono le cellule infettate.

Prima linea di difesa

La risposta immune innata è chiamata anche naturale o aspecifica. Il termine “aspecifica” non è corretto in quanto anche i meccanismi della risposta immune innata sono dotati di un certo grado di specificità. Ovviamente è solo nel corso di una risposta immune adattiva che si raggiunge il massimo grado di specificità. I meccanismi dell’immunità innata sono altamente conservati. Questo tipo di immunità è in grado di riconoscere le componenti comuni degli invasori, ma non discrimina tra invasori diversi; ha una diversificazione limitata ed è costituita da barriere fisiche e chimiche quali la cute, gli epiteli delle mucose e le sostanze antimicrobiche.

Le componenti della risposta immune innata sono in grado di reagire all’entrata di patogeni nell’organismo, riconoscendo elementi comuni ai vari patogeni stessi. Però non sono in grado di identificare quale tipo di patogeno sia entrato. Questo tipo di immunità è caratterizzato dalla presenza nel siero di proteine particolari (molecole circolanti): il complemento (20 proteine circa, in forma inattiva) e le citochine (glicoproteine che si legano a specifici recettori cellulari, hanno un range d’azione autocrina/paracrina e raramente endocrino se vi è una produzione enorme); esse agiscono sui patogeni, distruggendoli, o richiamano altre cellule del sistema immune sul posto. Inoltre, presenta delle cellule particolari: fagociti (macrofagi e neutrofili), ovvero cellule in grado di inglobare e digerire patogeni e non solo, e cellule natural killer (NK), dotate di attività citotossica naturale.

Prevede:

• Attivazione del rivestimento epiteliale.
• Secrezione a livello delle superfici di polipeptidi antimicrobici.
• Reclutamento di fagociti.
• Attivazione del complemento.

La cute, costituita da epidermide e derma, è la prima barriera fisica. I patogeni entrano attraverso la cute solo se essa è danneggiata quindi tutti i patogeni devono sviluppare dei mezzi per passare attraverso i rivestimenti epiteliali e dei mezzi per sopravvivere ed essere trasmessi agli ospiti successivi. Il muco delle membrane mucose presenti nell’apparato respiratorio, gastroenterico e urogenitale, contiene enzimi microbicida e intrappola i microbi.

Secrezioni e difese del corpo

Tra le secrezioni della cute e delle membrane mucose:

• Lacrime contengono lisozima che scinde i peptidoglicani delle pareti batteriche.
• Urine contengono acido urico e lisozima, urea (rende il pH = 6,5), il loro flusso previene meccanicamente la colonizzazione.
• Saliva contiene lisozima e induce un lavaggio costante della bocca.
• Vomito e defecazione agiscono in risposta a diverse tossine, mediante la peristalsi si provoca la fuoriuscita dello schifo.
• Sebo è oleoso e costituisce uno strato protettivo sulla cute, ha un basso pH, contiene acidi grassi insaturi e inibisce il passaggio dei batteri.
• Sudore contiene lisozima e il suo flusso previene meccanicamente la colonizzazione.
• Succo gastrico contiene HCl, muco ed enzimi, uccide molti microbi e tossine (eccetto per es. Staphilococcus aureus e Botulinum), alcuni batteri entrano protetti dal cibo, l’Helicobacter pilori neutralizza gli acidi e crea nicchie nello stomaco dove sopravvivere.
• Secrezioni vaginali hanno un basso pH.

La flora batterica fa parte del microbiota ovvero dell’insieme di microrganismi simbiontici che convivono con l’organismo umano senza danneggiarlo e fa parte della prima linea di difesa. Essa ha funzione di competizione/esclusione infatti compete per nutrimenti e altera l’ambiente per prevenire la crescita dei patogeni. Contiene probiotici e prebiotici.

Seconda linea di difesa

Comprende cellule del sangue, fagociti, sistema linfatico, infiammazione, febbre e peptidi antimicrobici. I fagociti dal greco phagos (mangiare) e cyte (cellula) e hanno la funzione di ingerire sostanze o microbi. Le cellule deputate a questo sono:

• Neutrofili possiedono recettori per gli anticorpi IgG che permettono loro di agire durante le prime fasi dell’infezione in quanto sono i primi richiamati nel sito di infezione.
• Monociti diventano macrofagi quando l’infezione progredisce, possono essere residenti o migrare in diversi tessuti, sanno produrre molecole in grado di richiamare altre cellule immunitarie.

Si muovono per chemiotassi grazie a citochine/chemochine rilasciate da leucociti reclutamento dei leucociti nel sito di infezione. Hanno capacità di aderenza (adesione) per cui si legano alla superficie microbica per mezzo di Toll-like Receptors (TLRs), Pathogen Associated Molecular Pattern (PAMPs) e opsonine che rivestono i microbi. Sono in grado di ingerire, emettendo pseudopodi che inglobano i microbi nei fagosomi e di digerire fondendo il fagosoma con il lisosoma che contiene gli enzimi che digeriscono i microbi.

L’infiammazione provoca danno ai tessuti (calore, infezione, agenti chimici). Si riconosce per la presenza di 4 segni: calore tossore, rigonfiamento, dolore e comporta, in alcuni casi, perdita di funzione. Può essere “acuta” quando l’agente infettivo è rimosso in tempi brevi, o “cronica” se l’agente non viene rimosso (come la TB nel polmone), è meno intensa ma più distruttiva.

Gli scopi dell’infiammazione sono:

• Distruggere l’agente infettivo.
• Rimuovere essro e i suoi prodotti dal corpo.
• Se ciò non è possibile confinare lui e i suoi prodotti e impedirne la diffusione.
• Riparare o sostituire i tessuti danneggiati.

Gli step della risposta infiammatoria sono:

• Vasodilatazione e aumento della permeabilità dell’endotelio.
• Migrazione dei fagociti e fagocitosi.
• Riparazione dei tessuti.

Gli attori coinvolti sono gli eosinofili, i mastociti e i basofili. Gli eosinofili sono cellule fagocitarie che presentano sulla superficie i recettori per le immunoglobuline, fattori di crescita e componenti del complemento. La loro funzione primaria è la secrezione di enzimi distruttivi (fosfatasi, perossidasi e proteasi) e la promozione dell’infiammazione. L’uccisione è prevalentemente extracellulare. In risposta a parassiti e protozoi provocano ipersensibilità immediata.

I mastociti sono richiamati da mediatori come l’istamina, eparina, ioni zinco e fattori chemiotattici eosinofilo e neutrofilo. Sintetizzano SRS-S, TNFalfa e leucotriene C4. Possiedono recettori per componenti del complemento (C3a e C5a) e per le porzioni Fc degli anticorpi, IgE e IgG. Questi recettori sono stimolati da sostanze vasoattive che incrementano la permeabilità vascolare e la vasodilatazione.

I basofili rilasciano istamina, leucotrieni, prostaglandine e fattori che promuovono l’infiammazione e contengono alcuni enzimi come l’istidina carbossilasi. Si distinguono:

• Monociti si differenziano in macrofagi quando l’infezione progredisce che possono essere residenti presenti in alcuni tessuti (linfonodi, midollo osseo, milza, fegato) o migranti in diversi tessuti, nei siti dell’infiammazione.
• Linfociti si distinguono in B (immunità umorale) e T (immunità cellulare).

Il complemento è una sostanza antimicrobica e pertanto è un meccanismo effettore della risposta immune innata. La sua attivazione può portare alla citolisi di batteri tramite la generazione di fori nella membrana cellulare.

I peptidi antimicrobici sono peptidi di piccole dimensioni (3-8 kDa) formati da corte catene di aa (< 100 aa). Possono essere sintetizzati dai neutrofili dopo l’interazione TLRs/PAMPs. Hanno la capacità di uccidere batteri, virus e funghi, attirano altri fagociti e sequestrano endotossine. Lavorano in sinergia con altri antimicrobici, sono stabili in un ampio spettro pH e in particolare i microbi non sviluppano resistenza. Si suddividono in:

• Cationici ricchi di lisina e/o arginina, con carica positiva a pH fisiologico.
• Anfipatici quando contengono anche residui idrofobici. Possono avere strutture diverse (α-elica, β-foglietto, circolare).

Tra questi si ricordano lisozimi, lattoferrina, defensine, LL36, SLPI. I lisozimi sono enzimi di 14kDa diretti contro le pareti batteriche. Sono molto attivi contro la maggior parte delle specie batteriche Gram-positive (Streptococchi) ma possiedono altri modi di azione indipendenti dall’attività enzimatica (Gram-negativi) quali attivazione delle autolisine batteriche, aggregazione batterica, blocco dell’aderenza batterica, inibizione della produzione di acido da parte dei microrganismi orali.

Le iron-binding proteins sono proteine che trasportano e accumulano ferro, inoltre deprivano i patogeni del ferro disponibile, tra queste:

• Transferrina in sangue e fluidi tessutali.
• Lactoferrina in latte, saliva e muco.
• Ferritina in fegato, milza e midollo.
• Emoglobina negli eritrociti.

La lattoferrina in particolare ha attività antivirale per i virus CMV, HIV, HSV, HBV, HCV, Rotavirus, Respiratory syncytial virus. È maggiormente efficace nei primi stadi dell’infezione ed è in grado di agire anche bloccando i recettori virali sulle cellule ospite o legandosi direttamente al virus. Le defensine, oltre ad avere un effetto antimicrobico diretto, svolgono una varietà di funzioni correlate alla difesa dell’ospite quali chemiotassi, opsonizzazione, interazione con il complemento, citotossicità e promozione della risposta immune.