Schemi Immunologia farmaceutica

Schemi – immunologia farmaceutica

Immunità: capacità dell’organismo di essere protetto o esente da qualcosa che potrebbe danneggiarlo, come i microrganismi infettivi o altre sostanze estranee; quindi si tratta dell’insieme dei meccanismi che il corpo mette in atto per riconoscere e difendersi da agenti potenzialmente pericolosi.

Questi meccanismi sono mediati dal sistema immunitario che riesce a distinguere fra:

• Self: molecole e cellule proprie dell’organismo che non devono essere attaccate.
• Non-self: sostanze estranee come batteri, virus, parassiti e tossine che entrano nell’organismo.

Grazie al riconoscimento, il sistema immunitario è capace di attivare una risposta difensiva contro gli agenti estranei, eliminandoli, mentre tollera le strutture proprie dell’organismo, evitando di danneggiarle. Si tratta di un equilibrio essenziale per mantenere la salute e prevenire reazioni inappropriate come le malattie autoimmuni, in cui il sistema immunitario attacca erroneamente componenti self.

Immunità innata

Immunità innata: prima linea di difesa dell’organismo perché dà una risposta immediata, aspecifica e transitoria quando un patogeno attacca l’organismo. Le cellule dell’immunità innata possiedono i recettori PRR che permettono di riconoscere classi di strutture comuni:

• PAMPs: strutture molecolari conservate in batteri, virus e altri microrganismi che non sono presenti nelle cellule umane.
• DAMPs: strutture molecolari che derivano dal tessuto danneggiato, tutto il materiale cellulare che normalmente non dovrebbe trovarsi al di fuori della cellula, nella matrice extracellulare.

I recettori principali sono i recettori per il mannosio, gli Scavenger receptors, i Toll-like receptors e i NOD-like receptors, espressi nei fagociti, nelle cellule dendritiche, nelle cellule epiteliali. Tutti sono codificati a livello germinale e non subiscono riarrangiamenti somatici.

È composta da:

• Barriere fisiche e chimiche: fanno parte sia degli organi sia del sistema immunitario perché rivestono le superfici e impediscono l’ingresso di patogeni. Il muco intrappola molti patogeni e ne favorisce l’eliminazione; gli epiteli formano una barriera che limita la penetrazione dei microrganismi, anche grazie alle tight junctions fra le cellule. È fondamentale mantenere integre le barriere altrimenti si aumenta la suscettibilità alle infezioni. Se le barriere fisiche e chimiche non bastano, intervengono le cellule dell’immunità innata che riconoscono i microrganismi tramite meccanismi aspecifici.
• Cellule immunitarie e fattori solubili:
  • Cellule dell’immunità innata: macrofagi, granulociti (neutrofili, basofili, eosinofili), cellule dendritiche e natural killer che distruggono i patogeni tramite fagocitosi o tramite la secrezione di enzimi tossici.
  • Fattori solubili dell’infiammazione: citochine e chemochine che permettono la comunicazione fra le cellule immunitarie in quanto richiamano altre cellule nel sito dell’infezione, amplificando la risposta immunitaria.

Se questa risposta non riesce ad eliminare il patogeno, gli antigeni vengono trasportati negli organi linfoidi secondari dove si attivano i linfociti T e B. In questo modo si instaura una risposta immunitaria integrata.

Si può anche instaurare l’infiammazione, locale o sistemica, ma che può essere dannosa se non correttamente spenta o regolata.

Toll-like receptors

Toll-like receptors: sono localizzati principalmente sulla membrana plasmatica, sulla membrana di endosomi e endolisosomi e presentano una porzione extracellulare ricca di leucine, una transmembrana e una citoplasmatica TIR. Funzionano solamente in forma dimerica e possono formare omodimeri o eterodimeri.

I TLR di superficie riconoscono componenti esterni dei microrganismi e sono: TLR1, TLR2 che forma eterodimeri con TLR1 e TLR6 per riconoscere lipoproteine, TLR4 che riconosce i lipopolisaccaridi, TLR5, TLR6 e TLR10. Mentre i TLR endosomiali riconoscono gli acidi nucleici microbici e sono: TLR3 che riconosce il dsRNA, TLR7 che riconosce il ssRNA, il TLR9 che riconosce il DNA CpG non metilato.

Quando TLR4 riconosce il lipopolisaccaride si attivano delle vie di segnalazione intracellulari che portano all’attivazione di alcuni fattori di trascrizione, come NF-kB che induce la produzione di citochine pro-infiammatorie, chemochine, molecole costimolatorie e mediatori della risposta antimicrobica. In particolare, TLR4 segnala attraverso due vie:

• Via MyD88: porta all’attivazione di NF-kB e AP-1 in modo da generare una risposta infiammatoria.
• Via TRIF: porta all’attivazione di IRF3 per la produzione di interferoni I importanti nella risposta antivirale.

NOD-like receptors

NOD-like receptors: recettori localizzati nel citosol e sono importanti sensori intracellulari di danno. In particolare, NOD1 e NOD2 riconoscono frammenti di peptidoglicano batterico nel citosol, oligomerizzano e reclutano le proteine adattatrici portando all’attivazione della via di NF-kB o MAPK che inducono la trascrizione di geni infiammatori e antimicrobici.

Presentano un dominio pirinico e alcuni, come NLRP3, possono formare un complesso multiproteico, l’inflammasoma. Per farlo serve che NLRP3, l’adattatore ASC che contiene il dominio pirinico e il dominio CARD e la pro-caspasi 1 interagiscano fra loro. Una volta formato, si attiva la caspasi 1 che attiva i precursori delle interleuchine per formare l’interleuchina IL-1β e IL-18. Queste interleuchine sono fortemente proinfiammatorie e promuovono il reclutamento e l’attivazione di altre cellule immunitarie. L’attivazione della caspasi 1 può portare anche alla piroptosi, morte cellulare infiammatoria dove la cellula si gonfia e la membrana si rompe lasciando mediatori pro-infiammatori.

La formazione dell’inflammasoma è indotta da segnali di danno e di stress cellulare come i ROS, l’efflusso di K+, danno lisosomiale, la presenza di ATP extracellulare, di cristalli di acido urico, di silice e di allume.

RIG-like receptors

RIG-like receptors: recettori citosolici che riconoscono gli acidi nucleici virali come l’RNA con caratteristiche anomale. Hanno una porzione C-terminale che lega l’RNA virale, domini N-terminali che trasducono i segnali (CARD) e una regione centrale con attività ATPasica. Quando l’RNA virale entra nella cellula viene riconosciuto e si lega alla porzione C-terminale del recettore; questo induce un cambiamento conformazionale che attiva i domini CARD che interagiscono con proteine adattatrici che avviano la cascata di segnalazione. In questo modo si stimola la produzione di interferoni I che inducono uno stato antivirale nelle cellule, aumentando i geni che bloccano la replicazione virale e si attiva NF-kB che porta alla produzione di citochine proinfiammatorie che reclutano le cellule immunitarie.

Pathway STING

Pathway STING: serve a rilevare la presenza di DNA libero nel citoplasma della cellula, ossia quando si è davanti a un’infezione o a un danno cellulare/tumore. Porta alla produzione di interferoni I e citochine pro-infiammatorie.

Quando le cellule tumorali muoiono a causa del tumore stesso o delle terapie, il loro DNA citoplasmatico attiva questo pathway nelle cellule immunitarie vicine, in particolare nelle cellule dendritiche (APC). La massiccia produzione di Interferone indotta da STING attiva e “istruisce” le cellule dendritiche a presentare gli antigeni tumorali ai Linfociti T CD8+ (i linfociti citotossici). I Linfociti T così attivati e potenziati riconoscono il tumore, si moltiplicano e viaggiano in tutto il corpo per distruggere le cellule neoplastiche.

Immunità adattativa

Immunità adattativa: risposta lenta, altamente specifica e dotata di memoria immunologica. È lenta perché le cellule devono andare incontro a processi di attivazione, selezione e differenziamento prima di essere pienamente funzionali. Infatti si basa su cellule e fattori solubili specifici che agiscono in maniera diretta o indiretta per:

• Neutralizzare i patogeni impedendo loro di infettare le cellule.
• Distruggere le cellule infettate.

Viene innescata da un antigene, una qualsiasi molecola capace di attivare una risposta immunitaria poiché possiede un epitopo, una porzione particolare che viene riconosciuta dal sistema immunitario. In particolare:

• Antigene: molecola riconosciuta dai recettori dei linfociti.
• Immunogeno: molecola riconosciuta dai recettori e capace di scatenare una risposta immunitaria.

Il riconoscimento specifico è mediato dai recettori:

• TCR: recettore presente sui linfociti T che riconosce un antigene presentato da altre cellule (immunità cellulare).
• BCR: recettore presente sui linfociti B che riconosce un antigene presente nell’ambiente (immunità umorale).

Questi recettori sono altamente specifici solo per un solo epitopo genetico presente su un antigene (specificità clonale); quindi, tutte le cellule che derivano dallo stesso clone linfocitario presentano lo stesso tipo di recettore e riconoscono lo stesso antigene, garantendo una grandissima diversità di riconoscimento.

Prima di un’infezione, ciascun clone di linfociti è presente nel sangue in quantità ridotte e le cellule sono definite come naive; mentre, quando il recettore entra in contatto con l’antigene, si innesca il processo di selezione clonale in cui il clone dei linfociti specifico contro quell’antigene viene selezionato e comincia a proliferare rapidamente, dando origine a molte cellule identiche capaci di riconoscere lo stesso antigene (espansione clonale).

Da questo, i linfociti si differenziano in:

• Cellule effettrici che partecipano attivamente alla risposta contro il patogeno.
• Cellule della memoria che rimangono nell’organismo per anni e in caso di una seconda infezione rapidamente replicano per riattivare la risposta immunitaria.

Esistono due modalità di acquisizione dell’immunità adattativa:

• Immunità attiva: immunità che deriva dall’esposizione a un antigene in quanto i soggetti che hanno risposto attivamente al contatto con un antigene microbico sono protetti da una successiva esposizione grazie alla formazione della memoria immunologica che permette di avere linfociti T e B già specifici contro l’antigene.
• Immunità passiva: trasferimento di anticorpi già formati, come avviene nel trasferimento delle IgG dalla madre al feto e delle IgA durante l’allattamento; o con la somministrazione terapeutica/preventiva di anticorpi a persone non già immunizzate in modo da fornire una protezione immediata contro la malattia. Si tratta di una protezione temporanea perché gli anticorpi vengono progressivamente degradati e non si genera una memoria immunologica.

I due tipi di immunità collaborano tra loro attraverso un continuo cross-talk.

Linfociti B

Linfociti B: cellule dell’immunità adattativa responsabili della risposta immunitaria umorale. Si attivano grazie al fatto che il BCR riconosce direttamente gli antigeni solubili come proteine, lipidi, polisaccaridi e acidi nucleici senza che questi vengano processati e presentati da MHC. Inoltre, dopo aver legato l’antigene, lo processano e lo espongono sui loro MHCII per attivare i linfociti T helper. Dopo la loro attivazione ed espansione, si differenziano in plasmacellule che producono anticorpi, delle proteine solubili con la stessa specificità antigenica del linfocita da cui derivano.

Linfociti T

Linfociti T: cellule dell’immunità adattativa responsabili della risposta immunitaria cellulare. Possiedono il recettore TCR in grado di riconoscere i complessi peptide-MHC; se il peptide è estraneo, il linfocita viene attivato e inizia la risposta immunitaria, con la selezione clonale, in cui solo un linfocita con il recettore specifico per l’antigene viene selezionato e attivato, l’espansione clonale, in cui il linfocita T si replica, e poi la differenziazione in cellule effettrici specifiche:

• Linfociti T CD4 helper: producono le citochine e coordinano la risposta immunitaria, reclutando altre cellule e aiutando i linfociti B a differenziarsi in plasmacellule. Riconoscono gli antigeni presentati dalle MHCII presenti solitamente sulle cellule presentanti l’antigene come le cellule dendritiche, i macrofagi, i linfociti B e le cellule epiteliali timiche.
• Linfociti T CD8 citotossici: uccidono le cellule infettate rilasciando granzimi e perforine. Riconoscono gli antigeni presentati dalle MHCI, che espongono peptidi provenienti da proteine all’interno della cellula in quanto MHCI è espresso in quasi tutte le cellule nucleate.
• Linfociti regolatori: spengono la risposta immunitaria evitando danni ai tessuti.

Major Histocompatibility Complex MHC

Major Histocompatibility Complex MHC: sono delle molecole presenti sulla superficie delle cellule dell’organismo, che, quando un patogeno entra in contatto con una cellula, espongono i peptidi antigenici (frammenti di proteine degradate del microrganismo) sulla superficie cellulare.

• MHCI: viene espresso da quasi tutte le cellule dell’organismo. Quando una cellula è sana, esprime alti livelli di MHCI e questo fa in modo che le cellule immunitarie siano inibite. Molti virus e cellule tumorali, mediante la down-regolazione, riducono l’espressione di MHCI per sfuggire ai linfociti CD8, ma ciò le rende vulnerabili alle NK che si attivano.

Sono formate da due catene associate fra loro in maniera non covalente: catena α pesante codificata dai geni HLA-A, HLA-B e HLA-C e una β2-microglobulina leggera. La catena α è organizzata in tre domini cellulari: i domini α1 e α2 formano la tasca di legame per il peptide, una struttura che accoglie solamente i peptidi corti di 8-11 amminoacidi derivati da proteine presenti nel citosol come le proteine virali o tumorali; mentre il dominio α3 rappresenta il sito di interazione con il corecettore CD8 dei linfociti T citotossici.

L’espressione stabile di MHCI sulla superficie della membrana cellulare richiede la presenza della catena α, della catena β2 e del peptide antigenico. I linfociti T citotossici riconoscono contemporaneamente il peptide antigenico assieme a parti di MHC tramite il recettore TCR.

MHCI presentano solitamente antigeni di origine intracellulare come proteine virali, mutate o tumorali che vengono inizialmente sintetizzate nel citosol e poi degradate dal sistema proteolitico cellulare (complesso ubiquitina-proteosoma) in peptidi più piccoli. I peptidi generati vengono trasportati tramite il complesso TAP, un trasportatore ATP-dipendente formato da TAP1 e TAP2, nel reticolo endoplasmatico dove avviene l’assemblaggio delle molecole MHCI. Qui le catene vengono assemblate con l’aiuto delle proteine chaperon calnexina e calreticolina; il complesso viene stabilizzato anche dalla tapasina. Quando il peptide corretto si lega alla tasca, il complesso si stabilizza, si dissociano le proteine di supporto e viene trasportato verso la membrana plasmatica tramite vescicole esocitiche. In questo modo viene esposto e viene riconosciuto dal TCR dei linfociti T CD8.

• MHCII: è costituito da due catene polipeptidiche polimorfe associate in maniera non covalente: una catena α e una catena β. I due domini N-terminali delle catene si associano per formare la tasca di legame con il peptide che, però, è aperta alle estremità consentendo di legare anche peptidi più lunghi di 10-30 amminoacidi. Le porzioni C-terminali di entrambe contribuiscono al legame con il recettore CD4 dei linfociti T helper, in modo da stabilizzare l’interazione fra il TCR e il complesso MHCII-peptide. Entrambe le catene poi hanno una regione transmembrana idrofobica e una breve coda citoplasmatica.

MHCII presentano antigeni di origine extracellulare come i microbi o le proteine presenti all’esterno della cellula che vengono catturati dalle cellule presentanti l’antigene. Una volta internalizzati, gli antigeni vengono racchiusi in vescicole che maturano e si fondono con i lisosomi formando i fagolisosomi; in questi compartimenti, dove il pH è acido, gli enzimi proteolitici degradano le proteine in peptidi più piccoli. Nel frattempo le molecole MHCII vengono sintetizzate nel reticolo plasmatico in eterodimeri e la tasca di legame viene occupata momentaneamente dalla catena invariante in modo da impedire il legame prematuro con i peptidi del reticolo endoplasmatico. Questa catena viene progressivamente degradata negli endosomi fino a lasciare il frammento CLIP che rimane nella tasca; poi, interviene HLA-DM che agisce come scambiatore di peptidi, ossia rimuove CLIP e favorisce il caricamento dei peptidi antigenici. Una volta caricati gli antigeni, il complesso MHCII-peptide viene stabilizzato e trasportato sulla superficie cellulare delle APC e riconosciuto dai linfociti T CD4.

Interazione fra TCR e MHC

• Interazione fra cellule dendritiche e linfociti T naive: questa interazione è fondamentale per l’attivazione dei cloni dei linfociti T antigeni-specifici. Le cellule dendritiche, le uniche in grado di attivare efficacemente i linfociti T naive, nei tessuti periferici catturano l’antigene e, tramite meccanismi di endocitosi e fagocitosi e in presenza di segnali, si attivano e vanno incontro a maturazione diventando cellule presentanti l’antigene. Fatto questo, migrano verso i linfonodi grazie all’espressione del recettore CCR7 e, giunte, espongono l’antigene processato associato alle molecole MHC in modo da attivare i linfociti T naive specifici.
• Interazione fra cellule bersaglio e linfociti T: l’interazione TCR-MHC è importante per attivare le funzioni effettrici delle cellule T attivate. Infatti, i linfociti T CD4 riconoscono l’antigene espresso su MHCII e, in seguito al riconoscimento, i linfociti non uccidono direttamente la cellula ma cominciano a produrre citochine in modo da coordinare e amplificare la risposta immunitaria, attivando, per esempio, i macrofagi.

Un meccanismo analogo avviene anche con i linfociti B che riconoscono l’antigene e lo processano complessandolo a MHCII in modo che il TCR di un linfocita T CD4 riconosca il complesso e cominci a produrre tutta una serie di segnali citochinici che vanno ad attivare il linfocita B stesso, in modo che sia in grado di proliferare e differenziarsi in plasmacellule.

Polimorfismo dei geni che codificano per MHC

I geni polimorfici sono geni che esistono in molte