Appunti di immunologia e immunopatologia

Immunologia e immunopatologia

Alessandro Giramondi

Introduzione ai meccanismi dell'immunologia

I meccanismi alla base dell’immunologia sono estremamente connessi tra loro. Si può capire al meglio l’immunologia solo quando tutti gli argomenti di base sono stati descritti. La cosa più complessa dal punto di vista del meccanismo del sistema immunitario è che ha l’obbligo di agire in maniera estremamente rapida. Giornalmente entra in funzione senza rendercene conto, questo implica che il sistema debba essere il più semplice possibile, perché principalmente ciò che nasce come difesa del nostro organismo in primis è qualcosa che può ledere il nostro organismo.

Evoluzione del sistema immunitario

Il sistema immunitario è presente in qualunque organismo, anche nelle spugne basato su cellule mesenchimali; in questo caso il mezzo principale è il fagocita. Andando avanti con l’evoluzione, si sviluppano i linfociti, cellule circolanti rispetto alle mesenchimali. Il sistema immunitario è basato su una circolazione sanguigna e una circolazione linfatica. Arrivando ai vertebrati, si sviluppano degli organi linfatici deputati alla difesa immunitaria; oltre ad essere centri deputati al sistema immunitario, permettono la localizzazione degli elementi fondamentali alla salvaguardia di un organismo. Maggiore evoluzione equivale a una maggiore organizzazione.

Risposta immunitaria e specificità

Un altro argomento importante nell’evoluzione è la diversificazione della risposta. Da un punto di vista di processi biologici, complessità vuol dire maggior tempo e maggior dispendio energetico. Per questo motivo, organismi semplici o agenti poco dannosi attivano il meccanismo più semplice di difesa ed il più veloce, quindi il fagocita. La diversificazione è connessa con la specificità; una risposta immunitaria più evoluta è in grado di rispondere meglio alle varie molecole estranee in quanto è in grado di diversificarsi. Nei vertebrati si hanno tre tipologie di anticorpi, mentre nell’uomo si ha una maggiore diversificazione anticorpale.

Funzionamento del sistema immunitario

Quando si parla di risposta completa, si deve riconoscere una risposta fondamentale da parte dei linfociti T. In generale, il processo fondamentale alla base del sistema immunitario è la secrezione di molecole. Quando si parla di meccanismi di difesa si parla di meccanismi locali; si passa a meccanismi a distanza (lontano dal sito di entrata) quando si ha la secrezione di molecole e la stimolazione del microcircolo. Non si va ad interessare il circolo sistemico in quanto porterebbe ad un effetto inverso e allo sviluppo di una patologia tramite infiammazione.

Quando si parla di infiammazione non si parla di sistema immunitario; è il primo meccanismo di difesa messo in atto dagli organismi biologici, rudimentale ma estremamente efficace, per cui il sistema immunitario se ne serve nel caso non riesca a debellare un agente infettivo. Il sistema immunitario ha la capacità di riconoscere molecole estranee, chiamate antigeni; se questo non avviene, entra in gioco la risposta infiammatoria. Anche il meccanismo più semplice come la fagocitosi può essere svincolato dalla risposta immunitaria, in quanto può agire anche autonomamente.

Meccanismi a distanza e febbre

I meccanismi a distanza più influenti sono quelli sistemici, come la febbre, che aiutano a rallentare la crescita dell’agente biologico estraneo e costituiscono un meccanismo di allarme per sviluppare una risposta immunitaria specifica. Non entra fin da subito in gioco una risposta specifica da parte del sistema immunitario in quanto è molto più lesivo per lo stesso organismo; anche la risposta immunitaria specifica è localizzata, gli organi linfoidi servono per compartimentalizzare la risposta in modo da renderla efficace e rapida, una risposta linfocitaria costituisce un danneggiamento sulle cellule dell’organismo ospite. C’è una stretta connessione tra la risposta specifica e l’attivazione della risposta innata.

Concetto di antigene

Un concetto fondamentale è quello di antigene; per attivare il sistema immunitario è necessario che una molecola sia antigenica. Un antigene è una sostanza di qualsiasi natura; ogni molecola è potenzialmente antigenica. Si parla di proteina o peptide come antigene per eccellenza in quanto è l’unico antigene che prevede un’attivazione della risposta innata ma anche specifica (secrezione anticorpale B e T), quindi risposta immunitaria completa. Un antigene può essere composto da vari epitopi antigenici, ognuno capace di evocare una risposta immunitaria diversa dalle altre, a sé stante. La somma delle varie risposte immunitarie costituisce il quadro della risposta contro quella determinata molecola estranea.

Specificità ed epitopi antigenici

La specificità deve essere vista in termini di epitopo antigenico e non di antigene; un microrganismo può avere nella sua struttura un antigene che può essere a sua volta scisso in più porzioni chiamate epitopo se è in grado di evocare una risposta immunitaria. Per essere considerata potenzialmente lesiva ed estranea, una molecola deve essere:

• Riconosciuta come non-self dell’organismo: il concetto di estraneità è attribuibile sia al sistema specifico che innato.
• Avere un peso molecolare opportuno: se la molecola è troppo piccola c’è bisogno di un aiuto.
• Importante complessità strutturale: molecole con struttura lineare sono meno immunogene.
• Stato fisico: un antigene solubile è meno immunogeno di un antigene in forma aggregata.

Vie di infezione dei patogeni

Il sistema immunitario nasce primariamente come difesa contro le infezioni, in quanto sono l’agente lesivo più antico. Le vie di infezione sono diversificate. Una risposta immunitaria adeguata deve essere in grado di rispondere a un qualsiasi patogeno che entri da qualsiasi via di entrata; il processo di guarigione delle ferite è uno dei primi studiati, da cui è nato anche il concetto di infiammazione.

Velocità e meccanismi innati

Le vie di entrata sono le superfici esterne, gli epiteli e le mucose. Uno dei requisiti fondamentali è la velocità, per cui devono entrare in gioco meccanismi la cui interazione è ridotta ai minimi termini. Alla risposta innata appartengono barriere chimiche, fisiche e cellulari. Le barriere chimiche sono subito disponibili se l’agente penetra ed in seguito le barriere cellulari predisposte per questo meccanismo di difesa (fagociti). Ai fagociti si uniscono altre componenti cellulari, cellule NK e dendritiche.

Cellule della risposta innata

Sono considerate cellule della risposta innata in quanto presentanti l’antigene, cellule in grado di fagocitare che permettono la veicolazione dell’antigene al fine di attivare la risposta immunitaria specifica. Ci sono poi fattori solubili come il complemento, un fattore effettore plasmatico della risposta immunitaria anch’esso appartenente alla risposta innata. Questi sistemi hanno una capacità di risposta entro le 12 ore, quando queste forze non debellano l’antigene entra in gioco la risposta specifica che si esplica nei linfociti B e linfociti T per il tempo necessario per riportare sottosoglia la concentrazione antigenica; in seguito la risposta cessa.

Risposta umorale e mediata

In quest’ultimo caso si parla di risposta umorale; la risposta adattativa T mediata viene detta cellula mediata e rappresenta il culmine dell’attivazione immunitaria, richiede l’azione delle cellule APC. La risposta T mediata e la B mediata sono completamente diverse in termini biologici ma si completano e rendono la risposta immunitaria la più diversificata possibile.

Barriere fisiche e chimiche

Le prime barriere sono fisiche: flora epiteliale, lisozima nelle lacrime, ambiente mucosale, ambienti a pH basso, flusso urinario, ecc., tutto ciò che impedisce ad un antigene di entrare all’interno dell’organismo. La risposta immunitaria viene quindi suddivisa in risposta innata e risposta specifica; la prima è una risposta fondamentale estremamente potente che in linea generale si può considerare entri in gioco nel 95% dei casi. La risposta specifica è sicuramente quella più complessa e che rappresenta l’apice del sistema immunitario dal punto di vista di efficacia.

Risposta innata e specifica

La risposta innata è costituita da meccanismi di azione che entrano in gioco immediatamente all’insorgere di un problema, in poche ore dall’entrata del patogeno. Questa consta di una prima barriera, epiteli di rivestimento e mucose; si ha una componente cellulare formata da fagociti (entrano in gioco anche contro patogeni senza antigeni) e poi da cellule più direttamente coinvolte nella risposta immunitaria quali le cellule dendritiche, cellule NK e fattori solubili circolanti ovvero il sistema del complemento, principalmente. La risposta innata ha il compito di eliminare e rispondere ad un antigene nelle prime ore dall’entrata dell’organismo, ha il suo culmine nelle prime 12 ore.

Risposta specifica e linfociti

La riposta specifica è estremamente più complessa che coinvolge molti fattori ma i protagonisti sono la popolazione linfocitaria B e T; la loro azione richiede del tempo in quanto si ha un tempo di attivazione (dopo le 12 ore). A seconda della natura dell’antigene può perdurare nel tempo. Nel caso dei linfociti T la risposta è più complessa, si ha una riposta effettrice che prevede l’attivazione cellulare; nel caso dei linfociti B si ha la produzione di anticorpi. Tutti i processi biologici complessi prevedono molte fasi in quanto permettono una maggiore regolazione, una delle fasi fondamentali per l’entrata in gioco della risposta specifica è una proliferazione.

Selezione clonale

Questo concetto fu per la prima volta introdotto nel 1955. Ogni riposta immunitaria è basata su una singola attivazione linfocitaria; per ogni riposta una singola cellula viene attivata ed un singolo clone viene attivato. Ogni linfocito esprime un singolo recettore con una sola specificità antigenica, è quindi in grado di riconoscere un singolo epitopo; l’interazione tra recettore e antigene determina la proliferazione del clone linfocitario. Solo se questo incontro avviene e va a buon fine, si attiva una cascata segnalatoria che media la trasduzione del segnale che termina nella proliferazione del linfocita.

Ipotesi della selezione clonale

Si ha la produzione di un clone che produce cellule uguali tra loro con la stessa specificità antigenica della cellula madre. L’ipotesi della selezione clonale dice che ogni linfocita esprime sulla sua membrana un singolo tipo di recettore con una unica specificità. Si capì che l’interazione tra una molecola estranea ed un recettore linfocitario capace di legare questa molecola con un’alta affinità, porta ad una attivazione linfocitaria che a sua volta permette una proliferazione clonale. Le cellule effettrici differenziate derivano da un linfocito attivato; ognuna di queste cellule effettrici differenziate presenta la stessa specificità della cellula madre, è un clone.

Eliminazione dei linfociti self

Infine, l’ultimo postulato definisce un altro concetto importante: quei linfociti che esprimono sulla membrana recettori specifici per molecole self dell’organismo ospite sono eliminati in una fase precoce dello sviluppo linfocitario; quindi, sono assenti dal repertorio linfocitario di un organismo maturo. Nel suo insieme, una risposta immunitaria contro un antigene prevede l’entrata dell’antigene nell’organismo; fino a che la sua presenza è sottosoglia non induce una risposta patologica, l’organismo è in quiescenza e quindi può non accorgersi dell’entrata dell’antigene. Quando l’entrata è riconosciuta come una minaccia entra in gioco il sistema immunitario innato che ha il compito di mantenere sottosoglia l’organismo patogeno. Se la risposta innata non è efficace, l’organismo innesca una risposta complessa che è quella specifica, attivandosi raggiunge un apice, quindi evolve, al fine di rendere innocuo il patogeno.

Attivazione e memoria immunitaria

Si ha una diminuzione della concentrazione dell’agente patogeno nel nostro organismo fino a tornare al di sotto della soglia che permette l’arresto della risposta immunitaria. È quindi fondamentale che la risposta immunitaria si attivi solo quando necessario, che raggiunga la sua efficacia massima e che una volta raggiunto il livello sottosoglia del patogeno il processo si estingua. Un'altra caratteristica della risposta immunitaria specifica è la memoria; quindi l’organismo è in grado di ricordare quell’epitopo antigenico. Quando si parla di linfociti si parla di cellule che hanno bisogno di avere un'ulteriore differenziazione nel momento dell’incontro con il proprio epitopo antigenico.

Attivazione cellulare nei linfociti

Il linfocita circolante è una cellula differenziata; solo dopo l’incontro si ha un’attivazione cellulare che porta alla proliferazione di cloni quindi che presentano lo stesso recettore della cellula madre (attivazione), l’ulteriore differenziazione è la fase che fa in modo che quel linfocita divenga in grado di eliminare l’antigene, quindi nel caso dei linfociti B la produzione di anticorpi. Questo processo determina un’ulteriore espressione per l’eliminazione antigenica, e quindi permette al linfocita di divenire effettrice, questo processo non avviene sempre.

Incontro tra linfocita e antigene

Il tempo zero è il momento dell’incontro tra linfocita ed antigene, in questa fase si osserva una differenza nell’incontro con l’antigene nel caso si parli di linfociti T o linfociti B. Il linfocita T non riesce a riconoscere direttamente l’epitopo antigenico, ha bisogno che questo sia presente su una cellula; mentre il linfocita B riesce a riconoscere l’epitopo direttamente. Questo incontro se va a buon fine porta all’espansione clonale in entrambi i casi; all’apice della fase di attivazione si ha l’ulteriore differenziazione necessaria affinché un linfocito diventi una cellula effettrice capace di eliminare l’antigene.

Fase discendente antigenica

Inizia quindi la fase discendente antigenica; l’antigene viene ridotto fino ad arrivare al livello soglia per cui l’antigene per l’organismo è eliminato e la risposta immunitaria deve cessare. Le cellule del sistema immunitario vanno incontro all’apoptosi, il linfocita attivato ha terminato la sua funzione e va incontro a morte fisiologica. Rimane la memoria della risposta immunitaria che si esplica con il rimanere in circolo di linfociti che ricordano l’incontro con l’antigene.

Caratteristiche della risposta immunitaria

Quando si parla generalmente della risposta immunitaria, ci si sofferma su quella specifica. La prima caratteristica è la specificità, ovvero ogni linfocita ha un recettore che riconosce un unico epitopo; la diversità invece indica il repertorio linfocitario costituito da un numero molto elevato di linfociti per discriminare almeno 10^9 determinanti antigenici. Un'altra caratteristica fondamentale è la memoria; quando il sistema immunitario specifico entra in gioco, una volta cessata la risposta, l’organismo mantiene la memoria dell’antigene che ha portato all’attivazione di quella risposta, per cui ad una seconda entrata dell’antigene il sistema è pronto per rispondere molto più rapidamente ed in modo più efficace.

Discriminazione e autolimitazione

La discriminazione è un altro concetto importante; il sistema immunitario specifico ha un suo repertorio in grado di riconoscere il self dal non-self dell’organismo. In questo caso non si parla di riconoscimento ma di fase effettrice contro un antigene self o not-self. In condizioni fisiologiche, il nostro repertorio linfocitario è in grado di eliminare e rispondere a tutto ciò che è not-self e non riconosce tutto ciò che è self. L’autolimitazione è il rendersi conto di quando tale risposta deve cessare e quindi quando i linfociti devono andare incontro a morte cellulare.

Storia della vaccinazione

Che ci fosse un meccanismo che rende immuni degli individui in seguito ad aver contratto una malattia fu capito già nel 430 a.C. da Tucidide. Intorno al 1800 in Inghilterra si parlava di una sorta di rituale, presente nelle popolazioni cinesi ed indiane da circa il 1000 d.C., che permetteva di immunizzarsi da patologie gravi e mortali inalando la polvere delle pustole di vaiolo. Questi rituali si diffusero in varie popolazioni e furono i primi tentativi di vaccinazione. Questo concetto deriva da Jenner nel 1800, che per la prima volta vide che una buona fetta di mungitrici erano immuni al vaiolo umano, in particolare erano quelle che entravano in contatto con il vaiolo vaccino.

Primi esperimenti di vaccinazione

Vaccinò per la prima volta un bambino somministrandogli il virus del vaiolo vaccino; fu la prima dimostrazione sperimentale della vaccinazione. Gli anticorpi furono descritti soltanto all’inizio del 1900. Siamo partiti dalla risposta specifica per arrivare solo al 1950 a scoprire la risposta immunitaria innata. Con Pasteur si ebbe poi l’evoluzione del concetto di vaccinazione che circa un secolo dopo (1880) introdusse la vaccinazione tramite agenti attenuati. A fine 1800 si capì che nell’organismo c’era qualcosa capace di difendere dalle tossine degli agenti patogeni, 20 anni dopo gli agenti furono