La risposta immunitaria specifica, vaccini, farmaci antimicrobici e virus

La risposta immunitaria specifica

Gli antigeni sono componenti della parete cellulare dei batteri che stimolano il sistema immunitario.

Le sue caratteristiche fondamentali sono:

• Specificità: le cellule del sistema immunitario riconoscono e reagiscono con molecole individuali, ovvero antigeni, attraverso interazioni molecolari dirette.
• Memoria: la risposta immunitaria ha uno specifico antigene, è più veloce e più forte in seguito a una successiva esposizione in quanto l’esposizione iniziale all’antigene ha indotto la crescita e la divisione di cellule reattive all’antigene risultando nella formazione di più copie di queste cellule reattive all’antigene. Alla seconda esposizione la reazione del sistema immunitario è più rapida e più potente.
• Tolleranza: le cellule del sistema immunitario non sono capaci di reagire agli antigeni self in quanto cellule reattive ad antigeni self vengono distrutte durante lo sviluppo della risposta immunitaria. Ciò non avviene nel caso delle malattie autoimmuni in cui si ha una reazione contro molecole o antigeni propri del nostro organismo.

Immunogeni e antigeni

Gli antigeni sono sostanze in grado di reagire con gli anticorpi in maniera specifica e con i recettori delle cellule T. La maggior parte degli antigeni sono anche immunogeni, ossia sostanze capaci di indurre una risposta immunitaria. Un antigene può avere diversi determinanti antigenici o epitopi.

L’antigene è una molecola proteica e può avere più epitopi o determinanti antigenici. Ci possono essere epitopi lineari che consistono in una sequenza continua di aminoacidi o epitopi conformazionali, che consistono di aminoacidi non disposti in sequenza ma che vengono in contatto grazie al ripiegamento della proteina nella sua struttura tridimensionale. Gli anticorpi si legano in maniera specifica a questi epitopi.

Epitopi o determinanti antigenici

Ad esempio, l’antigene può essere la parete batterica e gli epitopi possono essere delle porzioni di molecole particolari che la costituiscono (es. polisaccaride O esterno dell’LPS ➔ epitopo o antigene). L’epitopo è la porzione dell’antigene a cui si lega in maniera specifica l’anticorpo. L’anticorpo può anche legarsi a identici epitopi su due differenti cellule allo stesso tempo. Ciò può creare l’aggregazione di cellule vicine.

Antigeni e determinanti antigenici

I determinanti antigenici, a cui si legano in maniera specifica gli anticorpi, possono essere anche di virus (che presentano simmetria icosaedrica). Gli epitopi possono essere le cosiddette spikes.

Gli anticorpi

Sono proteine fondamentali per un’efficace risposta immunitaria e consentono l’instaurarsi di un’immunità specifica verso patogeni extracellulari e proteine solubili dannose (tossine).

Sono anche chiamati immunoglobuline o Ig. Si trovano prevalentemente nel siero.

Gli anticorpi sono divisi in due parti: una parte della molecola (porzione Fab), lega l’antigene; l’altra è la porzione cristallizzabile (Fc), responsabile di funzioni effettrici (responsabile dell’attività biologica).

Esistono diverse classi di anticorpi: IgM, IgG, IgA, IgD e IgE, più 4 sottotipi di IgG (IgG da 1 a 4), e 2 sottotipi di IgA (IgA1, IgA2). Le immunoglobuline si trovano nel siero e nelle secrezioni delle superficie mucose. Sono prodotte e secrete dalle plasmacellule che si trovano prevalentemente nei linfonodi e non sono presenti nel circolo sanguigno. Le plasmacellule derivano dai linfociti B che sono stati attivati dai linfociti T helper.

Una plasmacellula ha un abbondante reticolo endoplasmatico rugoso, poiché c’è un’attivissima sintesi proteica. Essa produce una grande quantità di anticorpi.

La molecola dell’immunoglobulina è costituita da due catene polipeptidiche leggere con peso molecolare di 25.000 dalton ciascuna e da due catene polipeptidiche pesanti, ciascuna di peso molecolare 50.000 dalton.

Le IgA esistono in forma monomerica (un’unica molecola a Y) e dimerica (due molecole a Y accoppiate), le IgM in forma pentamerica (gruppi di 5 molecole a Y) con peso molecolare 900.000 dalton. I monomeri sono legati dalla catena J.

L’elemento che si inserisce nella tasca dell’antigen binding site è l’epitopo, ovvero il determinante antigenico.

L’anticorpo è una molecola a forma di Y ed è costituita da 2 catene leggere e 2 catene pesanti legate da ponti disolfuro (S-S). La maggior parte delle molecole è costituita da regioni costanti C (quelle più abbondanti) che sono le stesse per tutti gli anticorpi della stessa classe.

Ci sono anche regioni variabili (V) che formano i siti di legame all’antigene e queste differiscono da molecola a molecola, poiché devono essere specifiche per ogni determinato antigene. Costituiscono il sito di legame con l’antigene.

IgG: presenta una cerniera che permette alla molecola di flettersi e muoversi.

IgM e IgE non possiedono la regione a cerniera.

Le regioni C sono la parte effettrice. I ponti disolfuro tengono unite le varie catene. Le regioni variabili sono costituite da porzioni di catene pesanti e porzioni di catene leggere.

Le IgG sono le più abbondanti. IgA sono importanti per l’immunità locale (a livello delle mucose). Le IgA possono essere monomeriche o dimeriche. Le IgM si legano a molti antigeni.

IgG: la catena pesante ha 3 regioni costanti (CH1, CH2, CH3), la catena leggera ha una regione costante (CL).

Vi sono le regioni variabili: nella catena leggera è VL, nella catena pesante è VH.

Al centro si ha la regione di snodo.

Vi sono:

• IgG: costituiscono l’80% degli anticorpi presenti nel siero (sono le più abbondanti). Sono monomeriche, attraversano i vasi sanguigni e la placenta (per conferire l’immunità naturale passiva). Azione contro batteri, virus, tossine batteriche, attivano il complemento e legate agli antigeni stimolano la fagocitosi. Vengono prodotte più tardivamente, hanno vita lunga (si trovano per tutta la vita nel circolo ematico).
• IgM: costituiscono il 5-10% degli anticorpi presenti nel siero. Sono pentameriche (alta valenza per l’antigene), non attraversano i vasi sanguigni né la placenta per le grosse dimensioni. Sono coinvolte nella risposta agli antigeni dei gruppi sanguigni presenti sulla superficie dei globuli rossi, aggregano gli antigeni, sono efficaci nelle reazioni che coinvolgono il complemento e stimolano la fagocitosi. Sono i primi anticorpi a comparire in seguito al contatto con un nuovo antigene (hanno vita breve). Nelle analisi del sangue se le IgM sono alte e le IgG sono basse o nulle, l’infezione è in corso. Dopo 2 o 3 mesi le IgM si saranno ridotte a 0 e le IgG si saranno alzate.
• IgA: costituiscono il 10-15% degli anticorpi presenti nel siero. Sono le Ig più comuni nelle membrane mucose, nel muco, saliva, lacrime e latte materno. Le IgA secretorie (a forma di dimeri) impediscono l’attacco dei patogeni alla superficie delle mucose.
• IgD: costituiscono lo 0,2% degli anticorpi presenti nel siero. Si trovano nel sangue e nella linfa e sulla superficie dei linfociti B dove svolgono il ruolo da recettore antigenico.
• IgE: costituiscono lo 0,002% degli anticorpi presenti nel siero (sono le meno abbondanti). Si legano con le loro porzioni Fc a recettori presenti sulle mastcellule (mastociti) e sui basofili, cellule coinvolte nelle reazioni allergiche (es. polline si lega a IgE di mastcellule ➔ produzione di istamina ➔ reazione allergica. In altri casi le IgE richiamano le IgG del complemento e i fagociti).

Rapporto IgM e IgG

Rapporto IgM e IgG: asse y = titolo anticorpale del siero, asse x = tempo espresso in giorni.

Non appena l’antigene viene iniettato nel corpo, vengono prodotte soprattutto le IgM (i pentameri sono i primi che intervengono con livelli non eccessivamente elevati, e poi scendono ➔ la loro concentrazione nel siero scende). A una seconda reinfezione (secondo contatto con l’antigene), le IgG vengono prodotte in quantità più che esponenziali (risposta secondaria ➔ più efficace e veloce). Il titolo anticorpale di IgG sale rapidamente.

La risposta immunitaria a un secondo incontro con l’antigene è più efficace e più rapida.

Effetti del legame antigene-anticorpo

Effetti del legame antigene-anticorpo (formazione del complesso antigene-anticorpo): le cellule esogene e le molecole estranee (es. tossine) vengono etichettate affinché vengano distrutte dai fagociti e dal complemento.

I risultati sono:

• Agglutinazione: gli anticorpi aggregano più batteri (formando aggregati batterici) e ciò permette di ridurre le unità infettanti con cui reagire. Stimola la fagocitosi.
• Attivazione del complemento.
• Opsonizzazione (opsonine).
• Citotossicità cellulo-mediata dipendente dall’anticorpo: vale per cellule di grosse dimensioni (es. parassiti come i vermi); le cellule del sistema immunitario aspecifico rilasciano dei granuli e degli enzimi litici che uccidono tali cellule.
• Neutralizzazione: riguarda il blocco dei siti di attacco delle tossine, blocca l’adesione dei virus e dei batteri alle mucose.

L’eliminazione dei microrganismi può avvenire mediante allontanamento fisico dal corpo attraverso il deflusso delle secrezioni verso l’esterno. Il sistema di difesa può rallentare la crescita dei microrganismi o ucciderli con diverse modalità (es. fagocitosi che comporta l’ingestione del patogeno e la sua esposizione a sostanze antimicrobiche all’interno di compartimenti intracellulari; è uno dei primi meccanismi di difesa del corpo).

Alcune cellule del sistema immunitario, come fagociti professionali, sono specializzate a questa funzione e sono cellule dell’immunità innata. La loro funzione può essere però potenziata da cellule dell’immunità adattativa (linfociti T, linfociti B e dai loro prodotti come Ig dei linfociti B e l’interferone gamma prodotto dai T).

Alcuni patogeni non possono essere fagocitati poiché troppo grandi come il caso degli elminti, parassiti (vermi). Quindi, i fagociti riversano all’esterno a ridosso di questi patogeni il contenuto dei loro granuli ricchi di sostanze antimicrobiche e pro-infiammatorie attraverso l’esocitosi. Ci sono anche patogeni intracellulari obbligati che penetrano nelle cellule fagocitarie prima di essere intercettati dai fagociti professionali (si replicano attivamente all’interno delle cellule). In questo caso, il sistema distrugge le cellule parassitate (il processo è la citotossicità e comporta l’induzione di apoptosi nella cellula bersaglio da parte di vari tipi cellulari, come cellule natural killer e linfociti T citotossici). La loro localizzazione all’interno della cellula dell’ospite è indispensabile per la riproduzione. Ci sono anche batteri funghi e protozoi in grado di replicarsi in assenza di cellule, ma per loro il parassitismo intracellulare può esistere anche se non è una tappa obbligata, ma è una strategia per proteggersi dalle difese extracellulari dell’ospite (parassitismo intracellulare facoltativo). Per questi ultimi parassiti l’apoptosi spontanea e indotta sono strategie utili di difesa.

Dato che la capacità dei microrganismi di produrre la malattia è legata anche alla produzione di particolari sostanze definiti fattori di virulenza, la neutralizzazione di essi a opera di Ig prodotte da linfociti B è importante per la risoluzione dell’infezione. Gli anticorpi attivi bloccano i fattori di virulenza di molti microrganismi patogeni (i fattori di virulenza conferiscono i microrganismi la capacità di aderire alle cellule dell’ospite, es. adesine batteriche, antirecettori virali, sostanze che conferiscono ai microrganismi la capacità di danneggiare le cellule, ovvero le tossine, strutture e sostanze che permettono al microrganismo di antagonizzare la fagocitosi, come le capsule). L’anticorpo si lega ai fattori di adesione del batterio o del virus impedendo che esso vada ad aderire e riconoscere i recettori delle cellule ospiti oppure blocca i siti attivi delle tossine.

I vaccini

Ci sono due tipi di immunizzazione attiva:

• Naturale: si manifesta quando il nostro organismo entra naturalmente in contatto e si espone a un agente infettivo.
• Artificiale: si esplica in seguito all’esposizione ad antigeni microbici (ad esempio a porzioni della parete di un microrganismo o a microrganismi interi presenti nei vaccini).

A un secondo contatto con l’antigene la risposta immunitaria è più rapida e più potente.

Per vaccino si intende una sostanza che attraverso un processo di immunizzazione attiva è in grado di stimolare il sistema immunitario a produrre una risposta che conferisce protezione, cioè immunità contro una specifica malattia.

Quando si parla di vaccini normalmente ci si riferisce a vaccini contro malattie infettive, anche se si usa tale termine impropriamente anche per riferirsi a vaccini antitumorali e antiallergici.

Il controllo delle malattie infettive si effettua in primo luogo con misure di igiene ambientale e alimentare oppure in secondo luogo con interventi a livello di popolazione, cioè vaccinazioni, e del singolo individuo, ossia la chemioterapia antimicrobica. Tra le misure igieniche ci sono: la potabilizzazione delle acque, il trattamento delle acque reflue, il miglioramento delle condizioni abitative, il miglioramento dell’alimentazione e l’implementazione di procedure adeguate al controllo, alla conservazione, al trattamento degli alimenti. Per le zoonosi e le malattie trasmesse dagli artropodi, è fondamentale il controllo dei serbatoi animali e il controllo dei vettori. La disponibilità dei vaccini contro specifici microrganismi patogeni consente di esercitare il controllo di malattie infettive a livello della popolazione sottoposta a vaccinazione. L’infezione del singolo può essere controllata mediante la chemioterapia antimicrobica.

Le vaccinazioni rappresentano uno dei principali strumenti di contenimento della diffusione delle patologie infettive. L’impatto sociale che questa pratica può avere nei confronti di una specifica malattia è superiore a quello associato al trattamento farmacologico dei singoli soggetti già infetti. La vaccinazione si propone di arrivare a quello che la natura riesce a ottenere, non sempre, al prezzo di epidemie, l’immunizzazione di una popolazione nei confronti di uno specifico patogeno. A differenza della terapia con antibiotici, antimicotici, che ha oggetto il singolo individuo affetto dalla patologia, malattia, la pratica della vaccinazione rivolge la propria attenzione al gruppo di individui in cui una data infezione può diffondersi. Tale principio, immunità di gregge, è alla base dell’importanza sociale delle vaccinazioni.

La storia

I cinesi praticavano la tecnica della vaiolizzazione. I popoli antichi si erano resi conto che alcune malattie potevano colpire l’individuo una sola volta nella vita e se fosse riuscito a superare l’infezione, il soggetto non si sarebbe più ammalato dello stesso morbo o al massimo sarebbe incorso in forme più lievi dal punto di vista clinico. Tale fenomeno è osservabile nel vaiolo. C’erano pratiche profilattiche che consistevano nell’inalazione di polveri ottenuti dall’incisione superficiale della cute delle lesioni cutanee vaiolose. I soggetti trattati, ovvero vaiolizzati, sviluppavano solo una forma attenuata di vaiolo. In caso di contatto ulteriore col virus, non si sarebbero più ammalati. La diffusione di una pratica analoga di immunizzazione attiva, ma con rischi minori, si deve all’infezione di un medico inglese, Edward Jenner, il quale osservò come gli allevatori di bestiame che avevano contratto il vaiolo bovino, malattia con decorso più benigno, tendessero a non ammalarsi più di vaiolo umano. Da questa osservazione nacque l’idea di immunizzare i soggetti non più con materiale proveniente dalle postule di vaiolo umano, ma con materiale ottenuto da lesioni analoghe di vaiolo bovino. Nacque la vaccinazione (da vacca).

Pasteur si accorse che alcuni microrganismi diventavano meno virulenti se coltivati tramite coltivazioni seriali in laboratorio. Furono portati avanti i primi studi sulle metodiche fisiche e chimiche di attenuazione di microrganismi patogeni. Nacquero così i primi vaccini moderni (vaccini a patogeno attenuato). Il primo vaccino antivirale di questo tipo fu quello antirabbico, messo a punto da Pasteur, da estratti di materiale prelevato dal SNC di cani malati di rabbia. Una diretta conseguenza dell’infezione di Pasteur di attenuare il patogeno responsabile allo scopo di ottenere un vaccino fu l’idea di inattivare totalmente il patogeno (non più in grado di replicarsi nei soggetti vaccinati) senza però fargli perdere la capacità di stimolare una risposta protettiva. Furono messi a punto i primi vaccini a patogeno inattivato, procedura che aumentava la sicurezza dei vaccini ma faceva perdere talvolta l’efficacia. Il primo vaccino a patogeno inattivato in ambito virologico fu il vaccino antipoliomielite di Salk a somministrazione parenterale, ottenuto dall’inattivazione mediante formalina dei 3 tipi di poliovirus responsabili della malattia.

Quando un microrganismo patogeno infetta un ospite le difese aspecifiche dell’immunità innata possono circoscrivere l’infezione e impedire che questa progredisca fino a dare la malattia. Quando le prime linee di difesa, aspecifiche, non sono in grado di contenere l’infezione, si ha la riproduzione del microrganismo nei tessuti dell’ospite che porta allo sviluppo della malattia e alla stimolazione dell’immunità adattiva. In seguito a questa stimolazione, si ha la produzione di anticorpi e di cellule linfociti in grado di reagire in maniera specifica con gli antigeni del patogeno.