Appunti del corso di Immunologia

Università degli studi di Verona

Facoltà di medicina e chirurgia

Appunti del corso di immunologia

Prof. Vincenzo Bronte di Alberto Zorzi

Indice

• Immunologia generale
  • Lezione 1
    • Fondamenti di microbiologia e immunologia p. 1
  • Lezione 2
    • L’immunità innata p. 6
    • La risposta antivirale p. 16
  • Lezione 3
    • L’immunità adattativa p. 19
    • Organi del sistema immune e ricircolazione linfocitaria p. 21
  • Lezione 4
    • Gli anticorpi p. 28
    • Genetica degli anticorpi e del TCR p. 32
    • I T cell receptor p. 38
  • Lezione 5
    • Il complesso maggiore di istocompatibilità p. 40
    • MHC: legame e presentazione dell’antigene p. 43
    • Processamento e presentazione dell’antigene p. 45
  • Lezione 6
    • L’attivazione dei linfociti T p. 50
  • Lezione 7
    • Le citochine p. 58
    • Citochine infiammatorie p. 59
    • Citochine con segnale mediato da JAK e STAT p. 63
  • Lezione 8
    • Il sistema del complemento p. 68
  • Lezione 9
    • Fase effettrice della risposta cellulo mediata p. 74
  • Lezione 10
    • Fase effettrice della risposta umorale p. 85
  • Lezione 11
    • Il sistema immunitario locoregionale p. 91
  • Lezione 12
    • Sviluppo dei linfociti B p. 94
    • Sviluppo dei linfociti T p. 98
  • Lezione 13
    • La tolleranza p. 104
• Immunopatologia
  • Lezione 14
    • Immunologia dei trapianti p. 107
    • Il trapianto di midollo p. 113
  • Lezione 15
    • La immunomodulazione p. 116
  • Lezione 16
    • Immunità ai tumori p. 121
  • Lezione 17
    • Immunità ai microbi p. 129
    • Evasione del microrganismo p. 131
  • Lezione 18
    • Ipersensibilità p. 136
    • Ipersensibilità di tipo I p. 138
    • Ipersensibilità di tipo II p. 142
    • Ipersensibilità di tipo III p. 146
    • Ipersensibilità di tipo IV p. 147
  • Lezione 19
    • Autoimmunità p. 149
  • Lezione 20
    • Immunodeficienza p. 154
    • Immunodeficienze primarie p. 155
    • Immunodeficienze secondarie p. 158

Immunologia generale

Lezione 1: Fondamenti di microbiologia e immunologia

La scoperta del sistema immunitario ha avuto un impatto enorme sullo sviluppo della medicina ma anche su quello dell'umanità. Questa è una constatazione che emerge anche da studi di macroeconomia: l'introduzione delle vaccinazioni ha infatti contribuito in maniera determinante alla crescita della popolazione e della ricchezza.

La nascita dell’immunologia

La scoperta della vaccinazione da parte di Jenner nel 1978 è avvenuta in un'epoca "povera" di innovazioni nella medicina (l'ultima precedente grande scoperta era stata il microscopio 100 anni prima) in cui non si conosceva praticamente nulla del sistema immunitario; secondo molti può essere considerato come punto di inizio dell'immunologia moderna.

In quel periodo in Europa era endemico il vaiolo, trasmesso da un virus, che colpisce formando delle bolle cutanee sierologiche che si rompono rilasciando grandi quantità di virus: la trasmissione avviene dunque, oltre che per inalazione, anche per contatto. Generalmente si conclude lasciando ulcerazioni e cicatrici ma in soggetti immunodeficienti può portare alla morte: le epidemie di vaiolo lasciavano dietro di loro persone deturpate ed un certo numero di morti, trovare una cura per questa malattia era dunque prioritario.

Jenner basò probabilmente le sue idee su una tecnica risalente all'antica Cina che prevedeva il prelievo delle pustole, la loro essiccazione e la riduzione in una polvere che veniva poi fatta inalare a soggetti non esposti alla malattia: un certo numero di questi sviluppava il vaiolo, con il completo corredo sintomatologico, i restanti invece non si ammalavano ma sviluppavano una forma di protezione alla malattia.

Jenner applicò sostanzialmente lo stesso principio, ma utilizzando come fonte del virus una forma meno pericolosa della malattia: si era infatti accorto della forte somiglianza tra il vaiolo ed una malattia trasmessa dalle mucche e diffusa tra i mungitori, che era però molto meno grave e non portava alla morte. Jenner essiccò quindi non pustole di malati di vaiolo, ma di mungitori malati di questa seconda malattia. Una volta inoculati con la polvere prodotta dalle pustole di questa malattia, i soggetti sviluppavano la forma "minore" del virus, quella dei mungitori, che però garantiva loro la protezione anche dal vaiolo.

Jenner pubblicò su una rivista scientifica il resoconto del suo operato, permettendone la diffusione nella comunità scientifica e dando di fatto inizio alla moderna immunologia scientifica. Oltre 200 anni dopo, il vaiolo è stata la prima malattia dichiarata estinta dal WHO, sparita cioè dalla Terra ad eccezione di alcuni laboratori in cui viene conservato; il termine vaccino stesso prende peraltro origine proprio dal termine "vacca", relativo alla malattia dei mungitori.

Negli anni successivi ci furono una serie di importanti studi che rivoluzionarono le conoscenze immunologiche: Koch agli inizi del '900 fu il primo a definire gli agenti patogeni, ed il primo a correlare una malattia al suo agente patogeno. Nello stesso periodo Metchnikoff, un ricercatore russo scoprì i macrofagi usando larve traslucide: inserite delle spine nel corpo delle larve Metchnikoff osservava al microscopio come queste venivano circondate da una particolare classe di cellule che denominò, appunto, macrofagi; Metchnikoff osservando queste cellule che inglobano le spine di fatto aveva per la prima volta individuato l'immunità innata.

A breve distanza di tempo furono anche scoperti gli anticorpi, la prima cui scoperta documentazione fu fatta da Emil von Behring: egli osservò come, trasferendo il siero da un animale che aveva contratto una malattia e che ne era ora immunizzato ad un animale che non aveva avuto alcun contatto con un virus, era possibile proteggere questo secondo animale dalla malattia. Von Behring diede a questa sostanza presente nel siero il nome di: “antisiero”.

Fu poi Landsteiner a definire le basi dell'interazione tra antigeni e anticorpi: la reazione presente nel siero che aveva osservato von Behring era dovuta a molecole, che definì anticorpi: questi sono molecole all’interno del siero in grado di prevenire la malattia grazie alla capacità di riconoscere l’antigene con sistemi chimico-fisici, la sostanza cioè che ne genera la produzione. Con questi esperimenti si scoprì il secondo tipo di immunità, l’immunità adattativa.

Bisognerà aspettare gli anni ’60 del ‘900 perché Miller dimostri l'importanza non di materiale del siero, ma di cellule vere e proprie, i linfociti T, che conferiscono un altro tipo di immunità: l’immunizzazione si ottiene quindi non inoculando siero o anticorpi, ma trasferendo nel paziente queste cellule; con questa scoperta nasce di fatto l’era della immunologia cellulare. Negli anni '70 Köhler & Milstein ricevettero il premio Nobel per la scoperta degli anticorpi monoclonali, anticorpi perfettamente uguali tra di loro che è possibile produrre in vitro in modo ottimizzato per la produzione farmaceutica; questi anticorpi stanno rivoluzionando la terapia contro certi tipo di cancro e malattie autoimmuni.

L’efficacia dei vaccini

L’efficacia dei vaccini è quasi totale: per tutte le malattie contro le quali è stato messo a punto un vaccino, dopo pochi anni dall'introduzione di questo i casi rilevati sono crollati a valori prossimi allo zero. Si è verificato che questa efficacia si estende anche alle sequele tardive di certe malattie, che vengono ridotte alla stessa maniera. Un caso emblematico di questo fenomeno è il morbillo: esiste infatti per questa malattia una complicanza, abbastanza rara e molto tardiva (10-15 anni dopo l’insorgenza del morbillo) la panencefalite subacuta sclerosante, una malattia demielinizzante che provoca lesioni neurologiche anche gravi negli affetti. Prima dell’introduzione del vaccino per il morbillo non era mai stato stabilito con certezza il rapporto causa-effetto con quest’ultimo, rapporto che venne invece provato in modo evidente con l'introduzione della vaccinazione per quest'ultimo: all’introduzione del vaccino si verifica il crollo dei casi di morbillo, e 10-15 anni dopo si verifica una diminuzione corrispondente dei casi di panencefalite; la vaccinazione previene quindi, oltre all'insorgenza del morbillo, anche le sequele post infettive.

Le funzioni del sistema immunitario

Il sistema immunitario svolge diverse funzioni, in particolare:

• Difesa contro le infezioni
• Difesa contro i tumori, è infatti ormai assodato che il sistema immunitario esercita controllo sulle cellule neoplasiche
• Riconosce tutta una serie di macromolecole che non necessariamente hanno attività patogena immediata. Il sistema immunitario è talmente flessibile e capace di adattarsi alle sostanze con cui il corpo viene in contatto che può generare anticorpi contro piccole molecole, come gli allergeni, che non sono patogene: per questo queste sostanze non procurano una reazione nella maggior parte degli individui, ma per coloro i quali sono presenti gli anticorpi relativi, gli individui allergici, possono causare forme severe di malattia

Patogeni

Per patogeno si intende un microrganismo che causa una malattia; questi possono essere:

• Batteri
• Virus
• Fungi
• Protozoi
• Elminti (helminths, vermi parassiti)
• Prioni

Il sistema immunitario è strutturato per avere le razioni principali nei confronti di 4 categorie funzionali:

• Patogeni extracellulari: tutti i microorganismi che per una parte rilevante del loro ciclo biologico rimangono all'esterno delle cellule che compongono l'organismo, circolando nei fluidi biologici ma non entrando quindi nelle cellule. Esempi sono gli agenti che causano polmonite e tetano
• Patogeni intracellulari: sono batteri e parassiti che hanno la capacità di entrare nelle cellule, spesso con la capacità di contrastare i meccanismi di fagocitosi; nella cellula possono trovarsi in compartimenti differenti, in vacuoli o direttamente citoplasma. Esempi sono gli agenti che causano lebbra, malaria e lesmaniosi
• Virus: sono parassiti obbligati (mentre i batteri possono essere parassiti facoltativi), per replicarsi hanno infatti la necessità di sfruttare l’apparato di replicazione della cellula. Questi vengono riconosciuti da una risposta differente, la risposta antivirale, specializzata nel contrastare l'infezione da virus. Esempi sono i virus del vaiolo, dell’influenza o della varicella
• Vermi parassitici (extracellulari): sono organismi pluricellulari, per questo sono controllati da una diversa batteria di risposte

Un’altra divisione può essere fatta in base alla localizzazione del patogeno:

• Microrganismi extracellulari:
  • Negli spazi interstiziali, combattuti dalla risposta immunitaria umorale (da umori, i liquidi interstiziali)
  • Attaccati agli epiteli, procurano lesioni contenute alla cute o all’intestino, sono combattuti da un tipo di risposta specializzato: colera e salmonellosi colpiscono l’intestino tenue e crasso dando origine ad una risposta tipica diversa da quella umorale
• Microrganismi intracellulari: possono trovarsi in compartimenti differenti della cellula, ed in base a questo sono oggetto di controllo da due sistemi differenti
  • Passano al citoplasma
  • Restano in vacuoli

Meccanismi di danno

• Danno diretto: il patogeno stesso o dei suoi prodotti di sintesi sono causa del danno cellulare; il danno diretto può avvenire tramite:
  • Effetto citopatico diretto esercitato dal patogeno, che uccide la cellula per far spazio al prodotto del ciclo virale
  • Azione di tossine, molecole, prodotte dal microrganismo, divise a loro volta in:
    • Endotossine: sono componenti della struttura del batterio stesso, generalmente della membrana: non sono quindi prodotti di secrezione che vengono rilasciati dal patogeno, e non sono dunque circolanti se non per degradazione del patogeno stesso, ma attivano una forte risposta infiammatoria tramite il legame dei recettori dell'immunità innata: non causano quindi danno per la cellula, ma attivano risposta infiammatoria
    • Esotossine: sono prodotti della cellula che vengono esocitati che legando un recettore causano la morte o la disfunzione della cellula
• Danno indiretto: il danno nella cellula ospite non è causato dal microrganismo in sé ma dalla risposta immune che si scatena contro di esso. Gli agenti che sono prodotti per contrastare il microrganismo interagiscono quindi con componenti dell'organismo stesso

Immunità innata e immunità acquisita

Per fini didattici l’immunità può essere vista come separate in due “bracci”:

• Immunità innata: è una risposta precoce, agisce nel giro di qualche ora, nei confronti di strutture conservate e ripetute presenti nella famiglie di agenti patogeni. È presente una specificità, ma in una forma grossolana
• Immunità acquisita: è invece una risposta più tardiva, che agisce in modo molto selettivo verso componenti di un particolare microrganismo riconoscendo quindi molecole infettive di varia natura. Ha la peculiarità di intervenire in maniera sempre più veloce ed efficace all'incontro successivo con lo stesso agente infettivo, la cosiddetta memoria immunologica

La suddivisione tra immunità innata e adattativa comunque più che altro una suddivisione formale per comodità nella classificazione, perché il sistema immunitario funziona come un tutt’uno. Vediamo quindi in modo schematico le differenze tra i recettori relativi a questi due tipi di immunità.

Nel caso dell’immunità adattativa, uno dei meccanismi effettori è rappresentato dagli anticorpi, piccole molecole proteiche prodotte dai linfociti B che hanno la capacità di riconoscere uno specifico patogeno, fungendo appunto da recettori. Essi sono liberi di circolare, a differenza di altri tipi di recettori che rimangono legati alle membrane dei linfociti, come TCR e BCR.

I linfociti sono le cellule principali dell’immunità adattativa: hanno dimensioni paragonabili a quelle di un eritrocita, e con colorazione GIEMSA presentano poco citoplasma e un nucleo intensamente colorato in viola con ematossilina che occupa la stragrande maggioranza del volume della cellula. I monociti sono invece molto più grandi.

Componenti dell’immunità innata

Cellule

• Epiteli: contribuiscono in maniera molto importante a produrre sia sostanze battericide che molecole (citochine) in grado di richiamare altre cellule nei distretti colpiti da infezione
• Monociti/macrofagi
• PMN: leucociti polimorfonucleati
• NK (Natural Killer)
• Mast-cellules (mastociti): risiedono nei tessuti

Recettori

• CR (recettori del complemento)
• FcR (FcReceptors, sono i recettori delle immunoglobuline, Ig, presenti sulle popolazioni su cui le Ig hanno un’azione effettrice come i macrofagi)
• NKR
• TLR

Molecole solubili

• Lisozima: secreto da tutte le mucose, è in grado di rompere alcuni legami che servono per mantenere intatte le membrane dei batteri, determinandone quindi la rottura e la morte del batterio; agisce specialmente sui batteri GRAM+
• Defensine
• Citochine (ad azione prevalentemente locale)
• Interferoni