Immunologia

Immunologia: introduzione e funzioni

L'immunologia è lo studio del sistema immunitario, ovvero un insieme di cellule, tessuti e organi che migliora la resistenza alle infezioni. La risposta immunitaria è la reazione coordinata delle cellule del sistema. Si definisce immunità la resistenza all'agente infettivo.

Funzioni del sistema immunitario

• Protezione dalle infezioni
• Rimozione di cellule morte o danneggiate (globuli rossi, ferite)
• Riconoscimento e rimozione di cellule che hanno subito una trasformazione tumorale con azione di immunosorveglianza

Il sistema immunitario riconosce qualsiasi corpo estraneo nell'organismo e si attiva per eliminarlo. Questo fenomeno sta alla base del rigetto dei trapianti e delle conseguenti terapie immunosoppressive per evitarlo.

Nascita dell'immunologia

La nascita dell'immunologia è attribuita a Edward Jenner nel 1796. Egli si rese conto che le donne addette a mungere le vacche non si ammalavano di vaiolo, soprattutto se venivano a contatto con mucche malate di vaiolo. Prese il materiale essiccato delle lesioni di vaiolo nelle vacche e lo iniettò a dei bambini. Successivamente iniettò materiale delle lesioni umane e si rese conto che i bambini non si ammalarono; da qui nacque il termine vaccinazione (da "vacca"). L'ultimo caso di vaiolo nel mondo è stato nel 1979, quindi questa malattia viene considerata eradicata.

Soltanto nel XIX secolo si scoprì che le malattie infettive erano trasmesse dai microrganismi. Nel 1880 Pasteur produsse un vaccino contro il colera dei polli e la rabbia nell'uomo. Nel 1890 Behring e Kitasato scoprirono che anche gli individui vaccinati avevano nel siero del sangue un'attività antitossica, chiamata anticorpo. Il sistema immunitario genera una memoria contro le infezioni; dopo un successivo incontro con lo stesso patogeno non ci si ammala più.

Immunità adattativa e innata

Il sistema immunitario può essere anche attivato contro i tumori, e su questo si basano le immunoterapie. Il sistema immunitario costituisce una barriera per i trapianti. Qualsiasi malattia ha una componente infiammatoria e quindi un'attivazione del sistema immunitario. Gli anticorpi sono altamente specifici per la molecola target e sono fondamentali in terapia e diagnostica, possono essere infatti usati per identificare qualsiasi classe di molecola.

Organizzazione del sistema immunitario

Il sistema immunitario è caratterizzato da difese esterne, ovvero barriere anatomiche, e difese interne che si dividono in immunità innata e immunità adattativa.

Difese esterne e interne

• Esterne: cute, mucose, giunzioni strette delle cellule, lisozima, muco e ciglia, pH acido dello stomaco
• Interne: immunità innata, immunità adattativa

L'immunità innata è un'immunità che si conserva nell'evoluzione, è mediata dai fagociti ed è la prima risposta del sistema immunitario. L'immunità adattativa ha una componente cellulare ed è definita immunità cellulo-mediata oppure può essere mediata dagli anticorpi. L'immunità adattativa è presente solo nei vertebrati, in cui ha costituito un vantaggio evolutivo grazie allo sviluppo di una memoria immunologica che ha garantito una lunga sopravvivenza. Tutta l'immunologia si è inizialmente sviluppata intorno all'immunità adattativa e solo negli anni 2000 si è concentrata sull'immunità innata. L'immunità innata è la prima ad attivarsi e la sua funzione è il confinamento e il riparo per riportare l'individuo in una condizione di omeostasi. Si basa su meccanismi aspecifici che non dipendono dall'infezione e su un meccanismo ripetitivo. L'immunità adattativa ha una risposta più tardiva, è in grado di distinguere molto specificatamente i patogeni ed è la fonte della memoria immunologica, in grado di rispondere in modo sempre più potente dopo contatti ripetuti.

Antigeni

Un antigene è una qualunque sostanza che può essere riconosciuta dal sistema immunitario. Alcuni antigeni sono patogeni, altri no, come ad esempio le proteine. Un antigene può attivare il sistema immunitario oppure no. Gli antigeni patogeni includono batteri intracellulari, virus, organismi pluricellulari e batteri extracellulari. I virus sono dei parassiti obbligati e sono patogeni intracellulari; essi possono essere identificati dagli anticorpi solo prima dell'infezione. I meccanismi di funzionamento del sistema immunitario sono molto diversi a seconda della metodologia di infezione e dalle caratteristiche del microrganismo.

Organi linfoidi

Gli organi linfoidi si dividono in organi primari e organi secondari. Gli organi primari sono il timo e il midollo osseo, in cui si sviluppano e maturano le cellule del sistema immunitario. Negli organi secondari risiedono la gran parte delle cellule immunitarie e hanno una struttura tale da permettere l'attivazione del sistema immunitario.

Midollo osseo

Il midollo osseo è il tessuto da cui hanno origine tutte le cellule del sangue. Le cellule del sistema immunitario si originano da cellule staminali localizzate principalmente nelle cavità delle ossa brevi. Sono cellule in grado di riprodursi e possono originare tutte le possibili cellule del sistema immunitario, a parte le cellule T che maturano nel timo; tutte le altre si sviluppano nel midollo osseo. Le cellule si dividono in cellule della linea mieloide e cellule della linea linfoide. Le cellule della linea linfoide appartengono sia all'immunità innata, e queste sono le cellule Natural Killer, sia all'immunità adattativa, ovvero tramite linfociti T e B. I linfociti B producono gli anticorpi mentre i linfociti T producono un recettore specifico per l'antigene. Le cellule T maturano nel timo mentre le cellule B maturano nel midollo osseo.

Organi linfoidi secondari

• Cellule dendritiche
• Megacariociti, successivamente in globuli rossi e piastrine
• Granulociti macrofagi:
  • Mastociti
  • Monociti che maturano in macrofagi nei tessuti
  • Granulociti che si dividono in neutrofili, basofili, eosinofili

Tipi di cellule del sistema immunitario

Neutrofili

Costituiscono il 50-70% dei leucociti. Sono immediatamente reclutati nei tessuti in seguito a un danno e hanno la funzione di confinare l'infezione. Hanno un tipico movimento detto di swarming. Presentano un nucleo plurilobato formato da tre o cinque lobi, sono tutte cellule a vita breve.

Eosinofili

Costituiscono l'1% o il 2% dei globuli bianchi. Presentano un citoplasma molto rosa che è evidente in seguito a utilizzo di eosina. Intervengono nelle infezioni mediate da parassiti pluricellulari e sono quindi impiegati nell'immunità di tipo 2.

Basofili

Importanti nell'immunità di tipo 2.

Monociti

Sono il 2-8% dei globuli bianchi. Una volta all'interno dei tessuti, danno origine ai macrofagi. Sono caratterizzati da un nucleo a boomerang. I macrofagi sono cellule fagocitarie, si trovano in tutti i tessuti ma non si trovano nel sangue.

Cellule dendritiche

Sono dei fagociti e la loro funzione è a metà tra l'immunità innata e l'immunità adattativa. Sono ubiquitarie.

Mastociti

Si trovano a livello mucosale o sulla cute, possono anche essere reclutati a partire dai precursori. Sono reclutati nei potenziali siti di ingresso dei patogeni.

Linfociti

I linfociti si dividono in cellule B, cellule T, e cellule Natural Killer. Le cellule B e T fanno parte dell'immunità adattativa, mentre le cellule Natural Killer fanno parte dell'immunità innata. Le cellule B sono caratterizzate dalla produzione di anticorpi, le cellule T riconoscono gli antigeni in maniera specifica e possono uccidere le cellule, quindi sono una componente dell'immunità cellulo-mediata. Le cellule Natural Killer hanno un’immunità cellulo-mediata ma sono classificate come cellule dell'immunità innata.

Sistema linfatico

Il sistema linfatico è caratterizzato dalla presenza di vasi linfatici che corrono parallelamente ai vasi sanguigni. Questo sistema ha la funzione di drenare il liquido che si accumula negli spazi interstiziali delle cellule; questo liquido prende il nome di linfa. Se il liquido ristagna, si va incontro a un processo infiammatorio. Fondamentali per il sistema linfatico sono i linfonodi, ovvero i siti dove viene portata la linfa attraverso i vasi linfatici, che hanno il compito di sottrarre la linfa e di eliminare tutti gli scarti oltre ai microrganismi presenti. La linfa è diversa a seconda del tessuto drenato; nei linfonodi il liquido viene controllato e vengono eliminate le sostanze infiammatorie. I linfonodi sono disposti a grappolo in modo che la linfa possa passare successivamente attraverso i vari linfonodi ed uscire dall'ultimo tramite vasi linfatici efferenti con dimensioni sempre maggiori fino a quando non si rimetterà in circolo sanguigno tramite la vena succlavia destra e sinistra. I vasi linfatici terminano a fondo cieco negli spazi interstiziali, non sono quindi un sistema chiuso. Possiedono inoltre un endotelio abbastanza basso per facilitare il passaggio di sostanze. Il sistema linfatico non possiede un meccanismo propulsore; la linfa può essere spinta in una sola direzione poiché i vasi possiedono delle valvole, il movimento della linfa è spinto dal movimento dei muscoli. I vasi che entrano nel linfonodo vengono definiti vasi linfatici afferenti, quelli che vi fuoriescono sono i vasi linfatici efferenti. In seguito a un'infezione, i linfonodi coinvolti sono sempre localizzati; se l'infezione è in circolo, si ha un’infezione sistemica.

Linfonodi

Sono piccoli organi diffusi a grappolo in tutto il corpo con la funzione di drenare la linfa, presentano una capsula esterna e un parenchima. Il parenchima è a sua volta suddiviso in:

• Regione corticale che presenta i centri germinativi per le cellule B, ed è caratterizzata da una densità cellulare particolarmente elevata
• Zona paracorticale che presenta cellule T e cellule dendritiche
• Regione midollare dove vi sono i vasi linfatici efferenti
• Regione subcorticale dove si trovano i macrofagi

Le cellule che si trovano in un linfonodo in un preciso momento sono il risultato di un ricircolo: in minima parte i linfociti arrivano nei linfonodi attraverso i vasi linfatici afferenti, la maggior parte tuttavia entra nei linfonodi attraverso la circolazione sanguigna. Sono presenti capillari che si trasformano in venule; queste venule vengono definite venule ad endotelio alto. Queste venule consentono il passaggio delle cellule anche in uno stato non infiammatorio. Queste cellule usciranno successivamente dai vasi linfatici efferenti.

Milza

La milza è un organo che ha come principale obiettivo quello del filtraggio del sangue. È organizzata in due unità: la capsula e il parenchima. Il parenchima è diviso in polpa bianca, dove sono presenti unità del sistema immunitario, e polpa rossa, dove sono presenti macrofagi per eliminare i globuli rossi. La polpa bianca è organizzata come un linfonodo: è presente un’area delle cellule T e delle cellule dendritiche, un’area delle cellule B, una zona marginale con i macrofagi e presenta una zona perifollicolare intorno alla polpa bianca. Le cellule entrano attraverso la circolazione sanguigna, in particolare tramite venule ad endotelio alto.

Timo

Il timo è un organo linfoide primario in cui si sviluppano le cellule T. È un organo che subisce un’involuzione fino a rimanere solo un abbozzo nell'adulto. Si trova dietro lo sterno, sopra il cuore. È strutturato in due lobi timici circondati da una capsula; i due lobi sono divisi in tanti lobuli. I lobuli sono formati da una regione corticale e da una regione midollare. La densità cellulare è altissima. Il precursore delle cellule T (timociti) si posiziona nella regione corticale; andando verso la regione midollare, le cellule maturano fino a diventare cellule T mature che entrano nella circolazione sanguigna. Queste cellule non hanno mai visto l'antigene e vengono definite cellule T Naïve. Nella regione corticale vi sono cellule epiteliali corticali timiche, fondamentali per la maturazione delle cellule T; sono presenti anche macrofagi per eliminare eventuali cellule morte. Nella regione midollare vi sono cellule dendritiche e cellule epiteliali midollari timiche, sempre coinvolte nel processo di maturazione. La maggior parte dei timociti che arrivano nel timo muoiono lì; solo il 5% riuscirà ad uscire.

Mucose

A livello delle mucose e della cute sono presenti cellule del sistema immunitario. Il tessuto linfoide associato alla mucosa è chiamato MALT. Le cellule dendritiche si sviluppano anche tra le cellule epiteliali. Vi sono delle zone organizzate come un linfonodo, chiamate placche del Peyer. Le mucose sono caratterizzate da cellule M interposte tra le cellule epiteliali, che hanno una permeabilità molto superiore e lasciano quindi passare gli antigeni nel lume intestinale. I vasi efferenti portano linfa e linfonodi mesenterici che drenano anche le placche del Peyer. Queste mucose sono alla base della nostra tolleranza agli antigeni del cibo e assicurano uno sviluppo senza fenomeni allergici. A livello della mucosa del tessuto respiratorio, sono presenti tutti i tipi di cellule e inoltre un aggregato subito sotto lo strato epiteliale; sono fondamentali anche le tonsille.

Anticorpi

L'immunità adattativa ha un'azione antigene specifica e si basa su due tipi di cellule: le cellule T e le cellule B. Queste ultime sono le uniche a produrre anticorpi, chiamati anche immunoglobuline. Gli anticorpi possono essere espressi sulla superficie delle cellule B oppure possono essere secreti. Quando sono sulla superficie, svolgono il ruolo di recettore per l'antigene; sono infatti delle proteine specifiche per un solo tipo di antigene. Gli anticorpi sono formati da due catene pesanti legate da ponti disolfuro e possiedono due catene leggere legate alle catene pesanti da un ponte disolfuro. I due tipi di catene sono identiche tra di loro, ogni catena è formata da una regione variabile e da una regione costante. Il sito di legame dell'antigene si trova nella regione variabile nella posizione N-terminale. Le catene possiedono domini immunoglobulinici che sono strutture in grado di conferire resistenza alle proteasi; questo garantisce agli anticorpi un'estrema stabilità. Questi domini sono formati da foglietti β antiparalleli che si piegano a formare una struttura globulare tenuta insieme da ponti disolfuro.

A livello della regione variabile vi sono dei loop che formano il sito per l'antigene; ve ne sono tre nella catena leggera e tre nella catena pesante. Queste regioni sono chiamate regioni ipervariabili (CDR) e sono regioni che determinano la complementarietà; quindi, sei regioni CDR formano il sito di legame per l'antigene. Trattando un anticorpo con papaina, si evidenziano due regioni: una regione Fab e una porzione FC formata dalle catene pesanti. Ogni regione Fab contiene il sito di legame per l'antigene; essendovene due, l'anticorpo è definito bivalente. Trattando un anticorpo con pepsina, si ottengono i frammenti Fab bivalenti uniti tra di loro e chiamati Fab 2. La regione cerniera collega le due catene pesanti e fornisce mobilità ai due bracci degli anticorpi. Le regioni interposte tra le regioni ipervariabili si chiamano regioni framework. Il complesso antigene-anticorpo viene chiamato immunocomplesso, e le regioni che riconoscono l'antigene sono molto differenti tra i vari anticorpi. L'immunità adattativa è un’immunità acquisita che non viene trasmessa geneticamente. Gli anticorpi sono in grado di riconoscere proteine, acidi nucleici, polisaccaridi, lipidi e piccole molecole chimiche chiamate apteni. La relazione tra antigene e anticorpo è un’interazione mai covalente ma assicurata da forze elettrostatiche, legami idrogeno, forza di van der Waals, forza dipolare.

Interazione con le proteine

La porzione dell'antigene chiamata epitopo è la porzione riconosciuta dall’anticorpo. La maggior parte degli antigeni ha molteplici epitopi; questi epitopi possono essere:

• Epitopi di sequenza che vengono riconosciuti dalla sequenza amminoacidi
• Epitopi di conformazione che sono riconosciuti grazie al particolare ripiegamento

L’epitopo di sequenza rimane inalterato dopo la denaturazione, mentre l’epitopo di conformazione viene perso. Gli antigeni in cui l’epitopo è ripetuto diverse volte si trovano spesso sulla superficie dei batteri e dei funghi e vengono definiti antigeni multivalenti. Anticorpi diversi diretti verso lo stesso antigene si definiscono anticorpi policlonali; questi riconoscono regioni diverse dell'antigene. Anticorpi identici diretti contro un unico epitopo si definiscono anticorpi monoclonali. Per affinità si intende la forza di interazione tra un anticorpo e un antigene. Per avidità si intende la forza che prende in considerazione sia la forza di legame sia il numero di interazioni; vi sono anticorpi che vengono secreti come monomeri, altri come dimeri e altri ancora come pentameri. Per specificità ci si riferisce alla capacità di un anticorpo di interagire con un solo antigene. Per cross-reattività si definisce la capacità di un anticorpo di legare diversi antigeni.

Classi di anticorpi

La porzione costante della catena pesante identifica la classe di appartenenza degli anticorpi:

• IgA sono secrete come dimeri e presentano 4 siti di legame, a loro volta sono divise in due sottoclassi
• IgD sono anticorpi di membrana delle cellule B e non vengono secreti
• IgE sono secrete come monomeri
• IgM sono secrete come pentameri; anche se l’affinità è ridotta, l'avidità può risultare elevata
• IgG sono secrete come monomeri bivalenti

Sulla superficie delle cellule dell'immunità innata vi sono recettori per la porzione FC; gli anticorpi, a seconda della porzione FC che presentano, saranno legati a recettori specifici.