Immunologia

Immunologia

Introduzione

Difese di barriera

Il primo ostacolo che un microorganismo incontra per entrare nel corpo umano è la cute, un epitelio multistratificato cheratinizzato impermeabile con annesse difese accessorie, come le ghiandole sebacee (il sebo dà permeabilità ed ostilità per i batteri). La cute ha inoltre un pH ostile per i batteri ed i funghi, in quanto pari a 5.

Una seconda barriera anatomica sono le membrane mucose, presenti ad esempio nell’intestino (assorbimento di nutrienti) e nei polmoni (scambiare O2/CO2), entrambi epitelio monostrato di cellule funzionali. Il muco è una sostanza viscosa a causa della presenza dei mucopolisaccaridi e permette dunque l’adesione dei patogeni; inoltre, il muco è ricco di enzimi quali lisozima e lactoferrina, che si attaccano alla parete dei batteri, ed anticorpi principalmente IgA.

Più specificatamente, nell’albero tracheobronchiale è presente un epitelio ciliato per favorire corrente ascensionale del muco, mentre nello stomaco è molto utile l’acido cloridrico HCl per la predigestione e sterilizzazione.

Oltre alle barriere anatomiche esistono anche barriere fisiologiche: la temperatura (ex: febbre), il basso pH (ex: acidità dello stomaco) e mediatori chimici (ex: lisozima, interferone e complemento).

Esistono poi delle barriere fago/endocitiche (certe cellule internalizzano e digeriscono i microorganismi) e barriere infiammatorie (un danno ai tessuti richiama il siero ricco di proteine/cellule utili all’infezione).

Tuttavia, a volte le difese dell’organismo non sono sufficienti ed i batteri riescono ad entrare e proliferare nell’organismo. Il corpo possiede però ulteriori meccanismi.

Immunità innata

L’immunità innata è l’immunità presente dalla nascita e rappresenta una prima risposta aspecifica all’infezione. La prima cellula ad intervenire è il macrofago, presente in vari tessuti e specifico per ognuno di essi (sinusoidi splenici nella milza, cellule di Kupfer nel fegato, osteoblasti nelle ossa...). In condizioni basali, i macrofagi tengono pulito l’organismo da cellule morte per apoptosi, ma durante un’infezione utilizzano i recettori di membrana per riconoscere e fagocitare batteri/virus. Nel frattempo, il macrofago richiama altre cellule per mezzo delle citochine, quali altri macrofagi e granulociti, neutrofili (stanno in circolo 24/48 ore prima di invecchiare) ed il sistema del complemento.

Immunità specifica

L’immunità specifica è invece adattativa, ovvero si adatta alle esperienze infettive del soggetto. Le prime cellule coinvolte sono i linfociti presenti nel linfonodo più vicino al luogo di infezione (ex: taglio nel piede, cavo popliteo) ed i macrofagi che migrano lì attraverso i vasi. Dopo 5/10 giorni i linfociti migrano nel tessuto e rendono la risposta specifica, richiamando varie cellule (cellule B...) che elimineranno il patogeno e procederanno alla seconda fase riparativa (ad integrum o formando una cicatrice). Questo tipo di risposta è estremamente specifica, discrimina tra self e non self e mantiene la memoria dell’infezione in modo da procedere eventualmente all’elaborazione in solo 1/2 giorni e far produrre anticorpi alle cellule B (base della vaccinazione).

Globuli bianchi e altre cellule del sistema immunitario

Le piastrine derivano dai megacariociti e sono utili all’omeostasi.

I globuli bianchi si distinguono in:

• Granulociti (50/70%): neutrofili (fagociti, 95%); eosinofili (infezioni, 2%); basofili (granuli/istamine, <0,2%)
• Linfociti (30/50%): linfociti; monociti (utilizzano il sangue per muoversi e diventano macrofagi e cellule dendritiche, le più grandi cellule circolanti e presentano pseudopodi per analizzare)

Altri ‘attori’ del processo infiammatorio sono i fibroblasti ed i mastociti nel tessuto connettivo, la membrana basale (collagene IV, lamina, fibronectina, proteoglicani, entactina...) e l’ECM (collagene, fibre elastiche e proteoglicani).

Meccanismi di riconoscimento e risposta

Durante la risposta immunitaria, il fagocita presenta batteri vivi all’interno del fagosoma (contiene anche proteine, lisozimi ed enzimi). Per ucciderli sfrutta diversi mezzi: prodotti intermedi reattivi di O2 e N (anione superossido O2-, radicali OH, perossido di idrogeno H2O2, anione ipoclorito ClO-, acido nitrico NO, diossido di nitrogeno NO2, acido nitroso HNO2...; derivati dal lisosoma) e l’interazione con il lisosoma per il rilascio di reattivi. Il processo porta allo scoppio ossidativo che attiva enzimi idrolitici e sostanze (difensina, il fattore necrotico...).

I leucociti vengono attivati da: chemichine, citochine, microorganismi, detriti cellulari e complessi Ab/Ag. In particolare, l’ipertrascrizione del gene NF-kB favorisce l’aumento della trascrizione di proteine (citochine, chemiochine), fattori di crescita, molecole di adesione, iNOS.

I lipidi della risposta immunitaria derivano invece dall’acido arachidonico e sono ad esempio prostaglandine e leucotrieni per la fase di combattimento ed enterochina e cicochina 10 per la fase di riparazione.

Altri fattori sono le interleuchine (1 per la risposta infiammatoria, 6 per l’immunità innata), proteine del complemento (risposta infiammatoria), interferoni (attivano vari geni per la produzione di proteine antivirali) e CSF (ematopoiesi).

L'immunità innata in dettaglio

Le cellule dell’immunità innata riconoscono alcune molecole espresse e/o prodotte dall’agente virale tramite numerosi recettori espressi sulla superficie o all’interno della cellula. I recettori più studiati sono:

• Recettori TLRs (toll-like receptors): recettori endosomiali (TLR3, TLR7, TLR8, TLR9) che riconoscono acidi nucleici virali e RNA a doppio filamento
• Recettori RIG-I (retinoic acid-inducible gene I): recettori citoplasmatici che riconoscono genoma virale a RNA
• Recettori NLRs (Nucleotide binding Olimerization Domain-like receptors): recettori intracellulari che riconoscono genoma virale a DNA

L’attivazione dei recettori causa la produzione di citochina pro-infiammatorie (interferon I, TNF, IL-6, IL-1β, chemiochine), il reclutamento di cellule coinvolte nella risposta (neutrofili) e l’induzione dell’immunità adattativa. Il tutto contribuisce ad eliminare il virus, provocando però danno tissutale.

I macrofagi

I macrofagi riconoscono:

• DAMP (Danger Associated Molecular Patterns): fattori di pericolo come particelle microbiche (vede i patogeni grazie ai loro Pathogen Associated Molecular Patterns PAMP) ed allarmine (materiale necrotico)
• Materiale apoptotico ACAMP (Apoptotic Cell Associated Molecular Patterns)

I recettori dei macrofagi funzionano per tutti i segnali, anche quelli arrivanti dall’ambiente.

Le PAMP sono LPS, lipoproteine, acidi lipotecoici, peptidoglicani, mannani, hps e vengono riconosciuti in due modi differenti.

Nel riconoscimento diretto, i recettori utilizzati sono quelli per LPS (ex: CD15) e i toll-like receptors (ex: T-LR4; possono essere extracellulari –TRL1-2-4-5-6- o intracellulari –TRL3-7-8-9; soprattutto per virus endocitati). Il riconoscimento indiretto viene invece mediato da componenti del siero (recettori per Ig FcR, complemento, MBP, PCR, SAP) e dalle opsonine, che legano il batterio in modo allosterico per richiamare il macrofago. Le opsonine sono tante (alcuni Ab fanno da opsonina) e possiedono una proteina C reattiva (marker dell’infiammazione; dal fegato).

I recettori per le allarmine sono diretti o indiretti.

I recettori diretti sono quelli per HMGB1 (proteina nucleare; REGE, TLR4), l’acido urico, cromatina/nucleosomi/DNA (TLR9), adenosina/ATP (P1/2x72y e A1/2a/2b/3), galectine (CD2), tioredoxina e difensiva (CCR6, TLR4). I recettori indiretti sono invece idrolasi e proteasi rilasciate da cellule necrotiche che inducono la produzione di fattori pro infiammatori da precursori extracellulari. Possono essere recettori per l’acido ialuronico (CD22, TLR2/4), eparan solfato (TLR4), peptidi di collagene (CXCR2), complemento, bradichinine, coagulazione, fibrinolisi...

Anche per ACAMP avviene un riconoscimento diretto ed uno indiretto; in generale i recettori riconoscono molecole associate alle cellule apoptotiche.

Lo spegnimento della risposta immunitaria

Lo spegnimento è di tipo attivo: il sistema combatte e ricostruisce tramite citochine antiinfiammatorie (IL-10 e TGF-beta) e derivati dall’acido arachidonico (lipossina, risolvina, prolattina). A seguito di un’infiammazione acuta, il corpo procede con l’immunità innata e poi con quella adattativa e si può andare incontro a strade differenti:

• Completa guarigione e riparo
• Non completa guarigione iniziale con formazione di un ascesso, ovvero un ammasso di batteri e pus avvolti da neutrofili ed altre cellule di controllo; a seguito di sepsi/setticemia, si va incontro a risoluzione
• Non avviene la guarigione e l’infiammazione diventa cronica, ovvero un processo infettivo e persistente; esempi di questo caso sono l’epatite (continua battaglia; distruzione del fegato) e le malattie autoimmuni come vitiligine ed alopecia

La risposta specifica

• Specificità: il linfocita possiede recettori specifici per l’Ag; riconosce un solo epitopo dell’Ag
• Discriminazione self/non-self: molto più fine rispetto a quella del macrofago; un linfocita è in grado di riconoscere un a.a. modificato in una proteina self, proteggendoci così da cellule potenzialmente cancerogene
• Memoria

I vaccini

Il padre della vaccinazione è senza dubbio Pasteur, che inventò il meccanismo secondo il quale nel paziente vengono iniettate delle forme di patogeno che però non provocano la malattia. Tuttavia, l’origine della vaccinazione risulta ancora più antica. I cinesi utilizzavano quello contro il vaiolo, iniettando vaiolo ‘blando’ proveniente dalle vescicole di altri malati. Gli indiani prelevavano invece croste delle vescicole in guarigione, una pratica meno pericolosa, ma a protezione variabile. Gli inglesi impararono la tecnica e scoprirono anche come il vaiolo risparmiasse le contadine addette a mungere le mucche (vaiolo mucca). Il termine vaccino è stato introdotto poi da Pasteur mentre cercava vaccini per il bestiame.

I vaccini fanno ‘meno male’ della malattia da cui proteggono e le malattie che potrebbero causare sono comunque meno frequenti e meno gravi. Il piano vaccinale cambia a seconda del tempo e dell’età. Il fenomeno di vaccinazione è di gregge: anche quello che non risponde al vaccino è protetto proprio perché gli altri sono vaccinati.

A partire dagli studi di Pasteur si iniziò a sviluppare l’immunologia moderna, prima come cellulare, poi come molecolare ed infine ad oggi in ambito clinico con i farmaci biotecnologici.

Il sistema immunitario specifico

All’arrivo del patogeno nel sistema linfatico secondario sono presenti diversi linfociti, ognuno con diversi recettori specifici; solo quello con il recettore giusto interagirà con il patogeno e si attiverà. L’attivazione consiste nella proliferazione (espansione clonale) e nella differenziazione in linfocita effettore. A seguito dell’eliminazione del patogeno, i linfociti espansi vengono eliminati per apoptosi: il difetto di questo processo è la sindrome autoimmune linfoproliferativa; solo una piccola parte di linfociti espansi permarrà come cellula memoria (100/1000 volte più efficaci delle vergini) per permettere una maggiore efficacia in caso di un secondo attacco.

I linfociti

I linfociti maturano in due fasi:

• Fase AG-indipendente: differenziazione della cellula nel midollo osseo/timo
• Fase AG-dipendente: incontro con l’Ag ed elaborazione della risposta

I linfociti B possiedono un anticorpo come recettore per l’antigene. Una volta formatosi il legame, avviene l’espansione in cellule figlie, che poi differenziano in plasmacellule (dai linfonodi al midollo osseo; 10/15 giorni di vita): il nucleo è spostato di lato e picnotico (condensato) ed il reticolo endoplasmico è abbondante.

Le plasmacellule producono immunoglobuline in forma di recettore solubile che si spostano nella zona infettata. A seguito dell’eliminazione del patogeno, una parte dei linfociti B (quelli long lived) diventa cellula memoria e si posizionano anche mesi o anni in nicchie protette. N.B.: l’Ab riconosce l’Ag in forma nativa. Per antigenesi intende qualsiasi molecola organica idrofilica (carboidrati, a. nucleici, fosfolipidi e proteine). Gli anticorpi fanno da opsonine (OPSONIZZAZIONE), lavorano in collaborazione con cellule come eosinofili (legano IgE-R-II a bassa affinità) e mastociti (legano le IgE-R-I ad alta affinità e rilasciano granuli con istamina durante le reazioni allergiche), lavorano con le proteine del siero per richiamare il sistema del complemento (l’Ab si lega al batterio ed attiva profattori come il complesso MAC, che buca il patogeno, le opsonine che marcano il macrofago e proteine solubili come anafilotossine).

I linfociti T possiedono il recettore T-cell receptor. In questo caso però, oltre al linfocita e all’Ag (solo di tipo proteico!), è necessaria un’altra cellula che riconosca l’antigene. Il macrofago per esempio degrada l’Ag in tanti peptidi; il fagosoma si lega così alle vescicole contenenti molecole MHC; i peptidi si legano alle molecole MHC e vengono riconosciuti dal linfocita, che lega la molecola MHC. Quindi, a differenza delle cellule B, i linfociti T riconoscono l’Ag modificato dalle cellule presentanti l’Ag e presentato da molecole MHC (molecola di istocompatibilità).

N.B.: le molecole MHC sono uniche (polimorfiche) mentre gli Ab si possono donare anche interspecie, i linfociti non funzionano nemmeno intraspecie.

Esistono due tipi principali di linfociti:

• Helper: producono diverse citochine in base al processo infiammatorio/difensivo; decide le caratteristiche della risposta e sceglie i mezzi dell’immunità adattativa; possiede il marcatore di membrana CD4+
• Citotossici: riconoscono cellule infettate da virus o tumorali, in particolare proteine non corrette; innescano l’apoptosi; possiede il marcatore di membrana CD8+

N.B: la memoria è specifica per ogni antigene. Un animale immunizzato con un Ag permette di studiare l’Ab contro l’Ag nel siero.

Origine delle cellule della risposta

Perlopiù, le cellule derivano dalle cellule emopoietiche staminali totipotenti presenti nel midollo osseo. La cellula si differenzia in cellule emopoietica staminale pluripotente, per poi dividersi in cellula staminale linfoide e cellula staminale mieloide.

• Cellula staminale linfoide: tutti i linfociti; quelli che rimangono nel midollo diventano cellule B (borsa di Fabrizio per il pollo), mentre quelli che vanno nel timo maturano come cellule T; dalla cellula staminale linfoide provengono anche le cellule natural killer, che riconoscono lo stato della cellula se infettata o tumorale
• Cellula staminale mieloide: cellula staminale eritroide da cui derivano i globuli rossi + seconda cellula staminale da cui derivano i globuli bianchi (granulocita monocitario, eosinofili, basofili e megacariociti per le piastrine)

La terapia consiste nel coltivare le cellule staminali in vitro e poi reimpiantarle nel paziente.

Patologie

L’immunodeficienza è caratterizzata da una ridotta funzione congenita o acquisita del sistema immunitario. L’immunodeficienza congenita, ovvero presente già dalla nascita è prevalente ed è legata a malattie genetiche ereditarie. L’immunodeficienza acquisita è di tipo variabile (NOXA); un esempio è AIDS, derivato dalla morte delle cellule T helper a seguito di attacco di virus HIV, che porta alla morte a causa di infezioni opportunistiche. Un esempio di NOXA definitiva è il danneggiamento del midollo osseo a seguito di radiazioni, mentre una NOXA non definitiva sono le allergie (curato con l’immunosoppressore cortisone).

L’ipersensibilità o allergia è una risposta eccessiva contro gli Ag non self che in realtà non dovrebbero essere riconosciuti. Il sistema immunitario è infatti normalmente tarato per riconoscere Ag pericolosi, mentre l’allergia provoca danno tissutale ‘gratuito’. La percentuale di persone affette è il 30%. Un esempio di allergia è la celiachia, in cui il corpo riconosce come dannoso un Ag del cibo.

L’autoimmunità è una risposta impropria ad Ag self. Le cellule B e T vengono meno a ciò che hanno imparato negli organi primari (midollo e timo). La frequenza è del 10% ed è di tipo multifattoriale: esiste un background genetico che coinvolge più geni e un innesco ambientale.

Il sistema linfatico

Il sistema linfatico è costituito da organi linfatici e tessuti secondari dove viene costituita la risposta immunitaria specifica, che poi passa in circolo e nei tessuti per svolgere l’azione di difesa.

• Midollo osseo: presente in tutte le ossa
• Timo: tra lo sterno ed il cuore
• Linfonodi: in zone specifiche che drenano la linfa dai tessuti (cavo popliteo, cavo inguinale, addome e cassa toracica...). Sono collegati da reti linfatiche che interagiscono con il circolo venoso
• Milza: collegata al circolo ematico (ematopoiesi)
• MALT: tessuto linfatico associato alle mucose; più organizzato nelle tonsille/appendice e meno nella cute (si organizza se è necessaria una risposta)

I linfonodi

I linfonodi sono filtri linfatici per la linfa, il liquido interstiziale. All’interno di essi avviene inoltre l’elaborazione dell’Ag da parte delle cellule T corrispondenti. La rete linfatica non è costituita da molti passaggi obbligati, ma se certe strettoie vengono bloccate è possibile fermare la linfa in determinati distretti: questo potrebbe creare un edema per esempio a livello degli arti e successivamente elefantiasi.

Il follicolo