Immunologia

Malattie infettive nella storia umana

Le malattie infettive hanno avuto un grande impatto nella storia dell’uomo, alcune civiltà sono state decimate come gli Aztechi ed Inca. Anche in Europa la caduta dell’impero romano ha avuto delle basi biologiche dovute al vaiolo ed alla peste importate dai barbari. Ciò che contraddistingue l’homo sapiens dalle altre specie è che riesce ad operare delle forme di adattamento che non sono soltanto di tipo genetico (mutazione a carico dell’emoglobina che allo stato omozigote causa anemia falciforme, allo stato eterozigote tende a dare protezione nei confronti della malaria) o fisiologico (sudorazione, allenamento sportivo) ma anche l’adattamento culturale (vaccini).

Conoscenza e scienza

Il primo livello di conoscenza è il sapere di non sapere; la scienza non è democratica (osservazione, individuazione problematica, ipotesi, verificare ipotesi, risultati, analisi interpretazione e conclusioni, ipotesi confermata o non confermata; il tutto deve essere ripetibile) ed in questo internet non aiuta. Un virus se non si vede non vuol dire che non esiste ma che è controllato da una certa profilassi. Il vaiolo dall’introduzione del vaccino (1798) è stato eradicato nel 1975.

Termini immunologici di base

I T Cell Receptors sono molecole strutturalmente simili agli anticorpi ma sono presenti sui linfociti T. Gli anticorpi possono essere secreti o trovarsi sulla membrana dei linfociti B. I linfociti B (possono differenziare in plasmacellule) sono cellule mentre gli anticorpi sono molecole. Si possono distinguere una risposta immunitaria innata o adattativa.

Risposta immunitaria innata

La risposta immunitaria innata interviene subito nel momento in cui incontriamo un patogeno ed è costituita dalle superfici mucosali (superfici interne del nostro corpo a contatto con la superficie esterna), dalla cute (la prima barriera del nostro organismo), da molecole e cellule (difese cellulari ed umorali come i fagociti -> macrofagi, cellule della microglia, neutrofili). Nell’ambito dell’immunità innata ci sono anche dei riflessi come vomito o starnuti.

Risposta immunitaria adattativa

La risposta immunitaria adattativa interviene quando l’immunità innata non riesce a regolare il microrganismo, generando così una risposta infiammatoria che attiva l’immunità adattativa regolata da linfociti T e B.

Caratteristiche delle risposte immunitarie

Non è antigene specifica, il che significa che reagisce allo stesso modo nei confronti di patogeni diversi. Non è potenziata da una seconda esposizione, anche se studi recenti suggeriscono il contrario. Le ultime tre caratteristiche sono alla base del funzionamento dei vaccini e di test diagnostici.

Per sapere se una persona è venuta a contatto con il virus dell'HIV si effettua una ELISA per rilevare la presenza di anticorpi anti-HIV.

Formula leucocitaria

• Granulociti (neutrofili, basofili, eosinofili) sono polimorfonucleati
• Linfomonociti (linfociti T, B e monociti)

I linfociti sono i responsabili dell’immunità adattativa. Nell’immunità innata abbiamo i macrofagi (fagociti che mostrano tutte le caratteristiche delle cellule dell’immunità innata, però hanno la presentazione antigenica).

Il linfocita B, attraverso le immunoglobuline, riconosce l’antigene non self nel suo stato nativo. Il linfocita T, con il suo TCR, non può riconoscere l’antigene non self nel suo stato nativo ma lo riconosce dopo che esso è stato captato dalla cellula che presenta l’antigene, come ad esempio il macrofago, è stato fagocitato, processato cioè tagliuzzato sotto forma di peptidi, essi vengono presentati all’esterno alloggiati su una molecola chiamata MHC (molecola del maggiore complesso di istocompatibilità).

Mediante mediatori solubili che vengono definiti citochine o chemochine. Che cosa sono le chemochine? Sono citochine chemiotattiche ossia favoriscono la chemiotassi, ovvero la migrazione di cellule in un distretto che seguono un gradiente chemiotattico.

Le APC (antigen presenting cell) sono cellule che presentano l’antigene. Un linfocita T citotossico uccide una cellula bersaglio quando il suo TCR riconoscerà il peptide (derivante da una proteina esogena) associato alle MHC. La presenza/assenza ed i livelli di espressione di alcune molecole controllano i meccanismi di contatto cellulare, che a loro volta sono coinvolti nei fenomeni di migrazione, specificità antigenica, presentazione antigenica, costimolazione, funzioni helper, funzioni effettrici.

Natura clonale della risposta adattativa

• Ogni linfocita esprime un recettore (TCR) con una singola specificità antigenica (solamente per un epitopo).
• Ci sono milioni di linfociti nel nostro corpo, e così milioni di differenti recettori antigenici.
• Ogni linfocita naive con una singola specificità antigenica è il progenitore di un identico clone di cellule figlie.

Problema: La distribuzione clonale dei recettori antigenici comporta che linfociti di una data specificità potrebbero essere poco frequenti per riuscire a montare una risposta immunitaria efficiente. Un processo chiamato selezione clonale aumenta la frequenza clonale delle cellule con una data specificità antigenica (in base agli antigeni che si incontrano prolifereranno determinati tipi di cellule con una specificità utile per contrastare quel determinato microrganismo).

Se io inoculo un topolino con un antigene A mi aspetto che dopo circa 10-12 giorni il topolino produrrà anticorpi che si mantengono nel tempo, ma poi il titolo anticorpale scende. Se noi rinoculiamo lo stesso topolino con l’antigene A la risposta anticorpale diventa molto più alta perché c’è stata la memoria e ci saranno molti più antigeni che rispondono in un tempo molto più breve e in maniera molto più intensa. Se lo inoculiamo con un antigene B la risposta sarà inferiore perché non ci sono anticorpi specifici elevati.

Meccanismi effettori immunitari contro patogeni extracellulari

• Neutralizzazione: si basa sulla caratteristica che l’anticorpo neutralizzante può legare l’antigene in regioni che sono importanti per la sua funzione, ad esempio se l’anticorpo si lega nella regione dell’antigene che gli permette di prendere contatto nella cellula ospite, esso non potrà prendere contatto con la cellula ospite.
• Opsonizzazione: l’anticorpo può legare molecole che non sono direttamente coinvolte nel processo di infezione ma le riveste, favorendo l’accesso dei nostri fagociti al microrganismo poiché essi possono riconoscere attraverso dei recettori specifici presenti nelle code del nostro anticorpo, che in questo caso fa da ponte quindi e favorisce così la fagocitosi.
• Complemento: l’anticorpo può legare l’antigene presente sulla superficie del batterio e favorire la cascata del complemento che porterà alla lisi della cellula batterica.

MHC

Si possono distinguere le:

• MHC I presentano l’antigene ad un tipo particolare di linfociti T che sono i linfociti T citotossici.
• MHC II: viceversa i linfociti T helper riconoscono l’antigene quando esso è esposto nelle MHC II.

Le molecole MHC sono espresse su cellule dette APC. Le molecole MHC II sono espresse sulle APC (macrofagi, cellule dendritiche, linfociti B che sono importanti nella maturazione della risposta immunitaria ossia nel rendere la risposta immunitaria sempre più specifica). Le molecole MHC I riconosciute dai linfociti T citotossici sono importanti nell’eliminazione di cellule infettate come ad esempio da virus i quali possono infettare qualsiasi cellula dell’organismo; questo vuol dire che le MHC I sono espresse non soltanto sulle APC ma devono essere espresse in tutte le cellule nucleate del nostro organismo (no globuli rossi).

Risposta immunitaria innata

È uno dei meccanismi più importanti della risposta immunitaria innata. Elie Metchnikoff, premio Nobel 1908, disegnava ciò che vedeva su un microscopio.

Cellule coinvolte nella fagocitosi

• Macrofagi: sono cellule differenziate che provengono dai monociti, vengono reclutate nel tessuto periferico nel momento del bisogno e differenziano in macrofagi che hanno attività fagocitaria. Essi hanno ruoli diversi a seconda del tessuto in cui si trovano. Hanno questa eterogeneità fenotipica perché si trovano in tessuti diversi e perciò sono diversi i segnali differenziativi che il tessuto gli manda.
• Cellule dendritiche
• Neutrofili: sono cellule polimorfonucleate perché il nucleo appare multilobato alla microscopia e sono caratterizzate dall’avere nuclei ricchi di mieloperossidasi che ha il ruolo di produrre molecole ad attività microbicida.

Processo di fagocitosi

Come avviene il processo di fagocitosi: il fagocita fagocita e forma il fagosoma che è una vescicola riempita del materiale fagocitato ma esso non è in grado di uccidere o degradare ciò che ha fagocitato perciò altre vescicole all’interno della cellula devono fondersi per rilasciare al suo interno molecole ad attività battericida. Queste molecole sono ad esempio proteasi o intermedi reattivi dell’ossigeno.

La fagocitosi può avvenire tramite:

• PAMP: profili molecolari conservati del mondo microbico (il lipopolisaccaride, peptidoglucano).
• La proteina legante il mannosio è una proteina rilasciata da cellule dell’immunità innata, è solubile, che riconosce i microrganismi e li opsonizza facilitando la fagocitosi.
• La proteina C reattiva è una proteina prodotta dal fegato in presenza di infezione batterica.

Il riconoscimento self modificato (la fagocitosi può essere un processo fisiologico quando, ad esempio, avviene l’eliminazione dei corpi apoptotici). Il corpo apoptotico viene riconosciuto poiché durante il processo apoptotico un fosfolipide particolare che normalmente è presente all’interno della membrana plasmatica, viene traslocato all’esterno e questo è la fosfatidilserina. Quindi il processo avviene poiché il fagocita presenta recettori per la fosfatidilserina.

I recettori che riconoscono i PAMP si chiamano PRR (pattern recognition receptor) o recettori che riconoscono il profilo. Tra i PRR una classe particolare sono i TLR (toll like receptor). Ne esistono di vari tipi e molto spesso agiscono in coppia. Come vedono gli antigeni i PRR delle cellule della risposta innata? Il sistema immunitario innato vede un antigene con minor capacità di entrare nel dettaglio molecolare rispetto al sistema immunitario adattativo.

Profili molecolari e PRR

Un esempio di profilo molecolare è l’esposizione delle regioni idrofobiche. Il recettore Toll-4 “vede” regioni idrofobiche presenti su ligandi esogeni ed endogeni. L’esposizione di regioni idrofobiche è un classico DAMP (damage associated molecular patterns o profili molecolari associati al pericolo). I DAMP contengono i PAMP poiché hanno un significato più esteso (l’infezione rientra nel danno). Tra i DAMP rientrano delle strutture molecolari che non rientrano nei PAMP come l’esposizione delle strutture idrofobiche che ci indica che in quel tessuto c’è stato un danno.

Meccanismo della fagocitosi

Cosa succede nel meccanismo di fagocitosi? Ad esempio, attraverso il recettore per il mannosio vengono riconosciuti residui di mannosio presenti sulla parete di un batterio. La prima cosa che succede è l’invaginazione della membrana plasmatica con la formazione di un vacuolo che prende il nome di fagosoma. La membrana di esso è molto simile a quella della membrana plasmatica da cui esso deriva, il contenuto vacuolare sarà rappresentativo del microambiente esterno laddove è stato internalizzato il microrganismo. Questo fagosoma non ha l’azione microbicida, esso deve maturare attraverso un processo dinamico e complesso. Fagosoma early -> in seguito a fusione con endosomi primari e poi con endosomi secondari e tardivi matura -> late endosome a questo stato c’è la fusione con lisosomi -> fagolisosoma. Questo processo è dinamico, con processi continui di fusione e fissione delle membrane, si modifica sia il contenuto vacuolare che di membrana. La fissione serve poiché il volume deve rimanere costante e perché è necessario ripristinare la superficie della membrana plasmatica. Modificando la membrana si acquisiscono lipidi che possono legare dei domini che legano lipidi presenti su proteine esposte ad esempio su vescicole endosomali tardive. Il processo è sequenziale ed è dovuto alla presenza di proteine che il fagosoma che sta maturando via via acquisisce che possono diventare essi stesse bersaglio di riconoscimento di vescicole tardive e lisosomi. In questo processo si modifica anche il PH del vacuolo che piano piano diventa sempre più acido fino ad arrivare a 4.5 del fagolisosoma. Il PH acido è importante per il funzionamento di enzimi come idrolasi che funzionano a PH acido.

L’acido fosfatidico è un secondo messaggero lipidico che viene generato a partire dalla fosfatidilcolina e viene generato da un enzima che è la fosfolipasi D. Essa genera una reazione di idrolisi dove a partire da fosfatidilcolina viene generano acido fosfatidico e colina. L’acido fosfatidico oltre a legare proteine che posseggono proteine di legame specifici per esso, ha una struttura particolare perché è conica con una testa polare piccola seguita da una coda idrocarburica consistente. Questa forma conica fa sì che una volta che si forma acido fosfatidico la membrana tende a curvare la membrana.

Meccanismi di uccisione dei patogeni

1. Meccanismi ossigeno dipendenti: l’uccisione avviene attraverso la produzione di intermedi reattivi dell’ossigeno (ROS) come l’anione superossido, radicale idrossile, ipoclorito, o dell’azoto (RNI) come l’ossido nitrico e i perossinitrili.
2. Meccanismi ossigeno indipendenti: l’uccisione avviene tramite diverse sostanze contenute nei lisosomi: il lisozima, le proteine cationiche, le difensine e la lattoferrina.

Le proteasi sono importanti per la processazione dell’antigene. Uno dei meccanismi di primo tipo più importante è quello mediato dalla NADPH ossidasi. Essa è un complesso formato da più catene che si assemblano nel fagolisosoma maturo. Molti patogeni batterici per sopravvivere nella cellula batterica bloccano la maturazione del fagolisosoma.

Un altro processo è quello della ossido nitrico sintasi (INOS) che produce a partire da arginina e ossigeno, citrullina e ossido nitrico che può dar origine al perossinitrile. Oppure viene prodotto l’ossido nitrico.

Fagocitosi e risposta infiammatoria

La fagocitosi ha esiti infiammatori o anti-infiammatori? Dipende da che cosa fagocita (gram positivi, gram negativi, lieviti generano infiammazione perché vengono coinvolti i recettori di tipo toll, se viene fagocitato un corpo apoptotico no perché è un processo fisiologico legato al differenziamento). Il patogeno però potrebbe lasciare segnali nella cellula che induce apoptosi, in questo caso si inducono i pamp e perciò non è detto che l’apoptosi induca segnali antiinfiammatori. Quando sono coinvolte i pamp allora c’è una risposta infiammatoria. Tra i segnali che mediano i recettori di tipo toll tutti convergono in un segnale che è NF-kB. Esso è un fattore di trascrizione nucleare che è coinvolto nella trascrizione di geni coinvolti nella risposta infiammatoria. Quando si attiva NF-kB c’è infiammazione.

I recettori di tipo Toll collegano la risposta innata alla risposta adattativa. L’uomo usa la radiazione ultravioletta per la sintesi della Vitamina D3 (utile nella fissazione del calcio nelle ossa) ma la radiazione ultravioletta genera infiammazione, danneggiando il DNA ed i lipidi delle cellule epidermiche. La vitamina D, presente nell’epidermide, esercita una potente attività antiinfiammatoria inducendo contemporaneamente una potente attivazione di meccanismi battericidi!

Stessa cosa accade nel polmone dove nell’alveolo polmonare è presente il surfattante composto di fosfolipidi che serve per ridurre la tensione superficiale evitando che l’alveolo collassi su se stesso durante la respirazione. Ma il surfattante ha anche altri ruoli. Alcuni fosfolipidi dell’ospite sono coinvolti nell’attivazione della risposta antimicrobica dei macrofagi alveolari. Alcuni fosfolipidi del surfattante alveolare servono per far mantenere alta l’immunosorveglianza dei macrofagi alveolari che sono pronti ad eliminare qualsiasi cosa che possiamo inalare.

Fagocitosi e risposta infiammatoria/anti-infiammatoria è solo una questione di bilancio, dove la priorità è il mantenimento dell’integrità tissutale. Dipende da: intensità dello stimolo (PAMP), durata dello stesso, incapacità di risolverlo, composizione del microambiente, recettori coinvolti nella fagocitosi.

Infiammazione

(Idealmente avviene dopo la risposta immunitaria innata)

• Ippocrate: individua fenomeni quali rossore e gonfiore
• Celso: definisce i 4 punti cardinali dell’infiammazione
• Galeno: introduce il concetto della “funzione lesa”
• Hunter: non si tratta di una malattia ma di una risposta agli stimoli
• E. Metchnicoff: scopre i macrofagi

Il rossore è dovuto alla stasi ematica e quindi si ha accumulo di globuli rossi, il gonfiore è dovuto alla formazione dell’essudato, il dolore è dovuto alla pressione che si esercita. La risposta infiammatoria ha una funzione protettiva ma può essere anche causa di danno (quando diventa cronica l’infiammazione o quando avviene all’interno di un tessuto che non è dotato di capacità rigenerative). Reazioni infiammatorie acute sono attivate da una varietà di stimoli che generano un danno tissutale:

• Biologici: infezioni (batteriche, virali, fungine, parassitarie)
• Chimici: sostanze tossiche, acidi, basi
• Fisici: traumi, calore, radiazioni