Immunologia

Immunologia - Prof. Nicoletta Basilico

Infiammazione: generalità

L’infiammazione è un meccanismo che si instaura con lo scopo di difendere l’organismo e riparare i tessuti danneggiati, ogni qualvolta si verifichi un danno a livello tissutale che comporti la necrosi della cellula. Le cause del danno tissutale possono essere molteplici: agenti chimici, agenti fisici, microrganismi, ecc. L’infiammazione promuove:

• L’eliminazione delle cause del danno
• La rimozione del tessuto necrotico
• La riparazione dei tessuti danneggiati

Nota bene: l’infezione non è una patologia, ma una risposta fisiopatologica da parte dei tessuti ad un danno; quando l’infiammazione è prolungata nel tempo, oppure è particolarmente intensa, può avere risvolti patologici.

Tipi di infiammazione

• Infiammazione acuta: infiammazione con un esordio rapido (le cellule che mediano l’infiammazione acuta vengono attivate immediatamente dopo il danno) e con una durata relativamente breve. Caratteristici di questo tipo di infiammazione sono i granulociti neutrofili polimorfonucleati.
• Infiammazione cronica: infiammazione di durata molto superiore (mesi o anni); può derivare sia da un'infiammazione acuta non risolta che dall'infezione di particolari microrganismi (es. il batterio della tubercolosi). Caratteristici di questa infiammazione sono i macrofagi ed i linfociti.

Segni cardinali dell'infiammazione

L’infiammazione è caratterizzata da diversi segni cardinali, quali:

• Arrossamento
• Calore
• Gonfiore
• Dolore
• Perdita di funzione

Cellule coinvolte nel processo infiammatorio

• Leucociti circolanti: vengono richiamati nel tessuto infiammato.
• Cellule endoteliali: le cellule che rivestono internamente i vasi sanguigni; assumono particolare importanza durante le fasi vascolari del processo infiammatorio.
• Cellule residenti nei tessuti: cellule presenti normalmente a livello del tessuto. Sono generalmente mastociti che contengono nel sangue amine vasoattive.
• Macrofagi residenti nei tessuti: cellule con attività fagocitaria e secernente già presenti a livello del tessuto (ai quali si aggiunge la quota di macrofagi provenienti dai monociti circolanti).
• Fibroblasti: intervengono durante la fase di riparo tissutale.

Infiammazione acuta

L’infiammazione acuta è caratterizzata da un esordio molto rapido ed una breve durata. Viene suddivisa in due fasi:

• Fasi vascolari: caratterizzate da vasodilatazione ed aumento della permeabilità vascolare, con conseguente formazione di edema.
• Fasi cellulari: caratterizzate dalla migrazione dei leucociti circolanti verso la zona di lesione e dalla formazione dell’essudato infiammatorio.

Fasi vascolari

Sono caratterizzate da una vasodilatazione periferica, che comporta un aumento della permeabilità vascolare. In generale, vengono rilasciate:

• Inizialmente catecolamine, che mediano una prima fase di vasocostrizione.
• Successivamente istamina e ossido nitrico, che mediano la vasodilatazione arteriolare: porta ad un aumento del flusso sanguigno periferico, a livello dei capillari che si trovano nel sito di lesione.

Meccanismo

1. Le cellule necrotiche (morte a causa del danno tissutale) rilasciano sostanze che portano all’attivazione dei mastociti residenti.
2. I mastociti rilasciano granuli di secrezione contenenti amine vasoattive (la principale è l’istamina), che agiscono sulle cellule endoteliali stimolandole a:
• Rilasciare ossido nitrico (NO): un gas con una potente attività vasodilatatoria, che agisce sulla muscolatura liscia delle arteriole precapillari determinando un aumento del flusso ematico.
• Riarrangiare la propria struttura citoscheletrica: le cellule endoteliali si presentano normalmente unite per mezzo di giunzioni serrate, in seguito al riarrangiamento del citoscheletro si formano delle aperture tra le cellule che permettono di aumentare la permeabilità vascolare.

L’aumento del flusso ematico e della permeabilità vascolare determinano la fuoriuscita di liquidi e proteine dal capillare verso l’interstizio del tessuto danneggiato.

• La fuoriuscita di proteine plasmatiche è favorita dall’aumento della permeabilità vascolare: le proteine attraversano gli spazi formatisi tra le cellule endoteliali del capillare.
• La fuoriuscita di liquido è determinata da una modificazione delle forze pressorie che regolano la diffusione capillare (forze di Starling):
• Pressione idrostatica del capillare: pressione esercitata dal sangue sulla parete del capillare. L’aumento di flusso ematico, determinato dalla vasodilatazione, comporta un aumento della pressione idrostatica del sangue sulla parete ed un conseguente aumento nella fuoriuscita di plasma.
• Pressione oncotica delle proteine: pressione di richiamo esercitata dalle proteine plasmatiche verso i liquidi interstiziali. La fuoriuscita di proteine plasmatiche, determinata dall’aumento della permeabilità vascolare, comporta una riduzione della concentrazione di proteine nel plasma ed una conseguente diminuzione della pressione oncotica.

In generale si ottiene quindi un accumulo di liquidi nell’interstizio, che provoca edema: conseguentemente si verificano rossore, gonfiore, calore (segni cardinali dell’infiammazione). Il dolore e la perdita funzionale del tessuto sono dovuti al gonfiore che comprime le terminazioni nervose; il dolore è inoltre dovuto alla presenza di prostaglandine.

Terminologia:

• Edema: accumulo di liquidi negli interstizi.
• Versamento: accumulo di liquidi nelle cavità (peritoneo, pleure).
• Trasudato: liquido edematoso a basso contenuto proteico.
• Essudato: liquido edematoso ad alto contenuto proteico e contenente cellule infiammatorie (è questo tra i due quello tipico dell’infiammazione).

Fasi cellulari

Sono caratterizzate dalla migrazione dei leucociti (globuli bianchi - cellule immunitarie) verso i tessuti. Durante l’infiammazione acuta sono coinvolti prevalentemente i granulociti neutrofili polimorfonucleati: cellule bianche dell’immunità aspecifica, in grado di fagocitare i detriti cellulari e/o i patogeni presenti.

Le fasi cellulari dell’infiammazione acuta sono divise in:

• Fasi intravasali: marginazione, rotolamento, adesione, migrazione (o transmigrazione) e chemiotassi.
• Fasi interstiziali: fagocitosi ed eventuale degradazione dei microrganismi patogeni.

Fasi intravasali

I leucociti si portano sulla parete del vaso e rotolano lungo di essa, fino a raggiungere il sito di infiammazione a livello del quale fuoriescono dal vaso e raggiungono il sito di lesione.

Marginazione

Nell’area del vaso in cui si è verificato l’edema:

• Le cellule del sangue si trovano ad una concentrazione maggiore
• Il flusso risulta più lento (stasi).

Questo comporta che: i leucociti, che normalmente vengono trascinati dal flusso ematico al centro del vaso, si portino a livello della parete del capillare.

Rotolamento

Questa fase è mediata da molecole di adesione della famiglia delle selectine: proteine caratterizzate da un dominio lectinico sulla porzione N-terminale, che permette il legame con molecole glucidiche (in questo caso legano quindi gli oligosaccaridi della membrana cellulare).

Sono presenti 3 tipologie di selectine:

• L-selectine: espresse sulla parete dei leucociti.
• E-selectine: espresse sulla parete delle cellule endoteliali.
• P-selectine: espresse sulla parete delle cellule endoteliali e delle piastrine.

Nota bene: in condizioni normali l’endotelio non esprime né le E-selectine né le P-selectine, mentre i leucociti esprimono sempre le L-selectine (anche in assenza di infiammazione).

Meccanismo del rotolamento

1. L’intervento di mediatori dell’infiammazione (citochine ed altri regolatori) promuove l’espressione delle P-selectine a livello dei corpuscoli di Wave.
2. L’intervento dell’istamina favorisce una ridistribuzione delle P-selectine dai corpuscoli di Wave verso le cellule endoteliali.
3. L’intervento di ulteriori stimoli infiammatori favorisce l’espressione anche delle E-selectine da parte delle cellule endoteliali.
4. Le P-selectine ed E-selectine espresse dalle cellule endoteliali formano dei legami deboli con gli oligosaccaridi di membrana del leucocita, soggetti a rottura a causa del flusso sanguigno. Si instaura un meccanismo che comporta la continua formazione e rottura di questi legami favorendo il rotolamento del leucocita lungo la parete endoteliale.

Adesione

Questa fase è mediata da molecole di adesione delle famiglie delle integrine (espresse dai leucociti) ed immunoglobuline (espresse dalle cellule endoteliali).

• Integrine: sono proteine in grado di legare le immunoglobuline espresse dall’endotelio ed alcune componenti della matrice extracellulare (collagene, fibronectina, ecc.). Le integrine sono sempre espresse da parte dei leucociti, ma possono legare le immunoglobuline soltanto durante il processo infiammatorio: in condizioni normali si trovano in una conformazione a bassa affinità per le immunoglobuline e solo in seguito a stimolazione da parte dei fattori infiammatori (chemochine) cambiano la propria conformazione ed aumentano l’affinità per le immunoglobuline.
• Immunoglobuline: vengono espresse dalle cellule endoteliali soltanto in seguito a stimolazione da parte delle citochine infiammatorie.

Meccanismo: durante l’infiammazione le immunoglobuline legano le integrine, attraverso la formazione di un legame forte; questo permette al leucocita di arrestare il proprio rotolamento e di procedere con la successiva fase di transmigrazione.

Transmigrazione

Il leucocita fuoriesce dal vaso attraverso le giunzioni tra le cellule endoteliali. I leucociti formano degli pseudopodi, che gli conferiscono un movimento di tipo ameboide (il movimento dei leucociti è definito diapedesi).

I primi leucociti a transmigrare verso l’interstizio sono i granulociti neutrofili polimorfonucleati, seguiti dai monociti che poi si differenziano in macrofagi.

Chemiotassi

Il movimento dei leucociti all’interno dell’interstizio è definito chemiotassi. L’intervento dei fattori chemiotattici (chemochine, derivati dell’acido arachidonico, proteine del complemento, sostanze microbiche) crea un gradiente che attira i leucociti verso il sito di infiammazione.

Fasi interstiziali

Una volta migrati verso il sito di infiammazione, i leucociti procedono con la fagocitosi dei microrganismi estranei e con la produzione di mediatori dell’infiammazione.

Fagocitosi

È la capacità delle cellule di internalizzare particelle di grandi dimensioni, attraverso la formazione di pseudopodi che permettono di inglobare la particella da fagocitare.

Le cellule fagocitiche possono essere:

• Cellule professionali: cellule la cui funzione principale è la fagocitosi. Presentano recettori specifici di membrana per le proteine del complemento e per le immunoglobuline. Sono: monociti (e macrofagi), granulociti neutrofili, granulociti eosinofili, mastociti.
• Cellule non professionali: cellule in grado di svolgere la fagocitosi, ma la cui funzione principale è differente; generalmente fagocitano soltanto cellule morte o corpi apoptotici. Sono: fibroblasti, cellule epiteliali, cellule endoteliali.

Fasi della fagocitosi

1. Riconoscimento ed adesione: il fagocita riconosce la sostanza da fagocitare e vi aderisce, grazie alla presenza di recettori sulla propria membrana:
   • Recettori non opsonici: sono in grado di riconoscere a) direttamente le strutture dei microrganismi patogeni (definiti PAMPS: profili molecolari associati ai patogeni), b) strutture cellulari danneggiate (definite DAMPS).
   • Recettori opsonici: sono in grado di riconoscere i fattori opsonizzanti che ricoprono il patogeno favorendone il riconoscimento. I fattori opsonizzanti legano: da una parte il patogeno (o la cellula danneggiata) e dall’altra il fagocita. I principali fattori opsonizzanti sono: anticorpi della classe G (IgG) o proteine derivanti dall’attivazione del sistema del complemento.
2. Fase di internalizzazione e formazione del fagosoma: si verifica un riarrangiamento del citoscheletro del fagocita, che porta alla formazione di prolungamenti citoplasmatici attraverso cui viene inglobato il patogeno (o la cellula danneggiata). Il patogeno viene inglobato da un vacuolo circondato da membrana, che viene definito fagosoma.
3. Fase di digestione: la membrana del fagosoma si fonde con le membrane lisosomiali formando una struttura definita fagolisosoma, all’interno della quale il patogeno viene degradato grazie all’intervento di enzimi litici, ROS e radicali liberi dell’azoto.
   • Enzimi litici: gli enzimi che attaccano i patogeni all’interno del fagolisosoma sono:
     • Proteine cationiche: attivano le fosfolipasi, in grado di degradarne i fosfolipidi di membrana.
     • Lisozima: è un enzima con azione battericida, uccide i batteri Gram+ degradandone la parete.
     • Lactoferrina: è un enzima con azione batteriostatica, impedisce la proliferazione batterica chelando il ferro (necessario ai batteri per potersi replicare).
     • Defensine: proteine in grado di formare dei canali a livello delle membrane batteriche, provocandone la lisi.
   • Radicali liberi dell’ossigeno: vengono prodotti attraverso una esplosione respiratoria, che prevede:
     • L’intervento di un complesso enzimatico, definito NADPH-ossidasi: produce, a partire dall’ossigeno molecolare, l’anione superossido, attraverso l’ossidazione del NADPH.
     • Il superossido viene convertito, attraverso una dismutazione spontanea, in perossido di idrogeno (H₂O₂) che può: procedere con la distruzione dei microrganismi o dare origine ad altri radicali.
   • Radicali liberi dell’azoto: vengono prodotti dall’enzima NO-sintasi. Sono presenti due isoenzimi della NO-sintasi: eNOS (endoteliale) che è un enzima costitutivo, iNOS che è un enzima inducibile.
   Nota bene: gli enzimi lisosomiali ed i radicali liberi possono essere inoltre rilasciati nell’ambiente extracellulare, in modo tale da digerire eventuali altri patogeni presenti nel tessuto. Si tratta però di sostanze aspecifiche: possono quindi risultare dannose per l’organismo ospite se rilasciate in grandi quantità.

Recettori dei fagociti

In generale, a livello dei fagociti, sono presenti recettori per il riconoscimento dei microrganismi patogeni: PRR (pattern recognition receptors), che possono essere localizzati sulla membrana plasmatica del fagocita, nel citoplasma oppure essere secreti.

Questi recettori si dividono in due categorie:

• Recettori per la fagocitosi:
  • Recettori per le opsonine: legano le proteine del complemento o le immunoglobuline.
  • Recettori per le strutture microbiche: recettore per il mannosio, recettore scavenger.
• Recettori che stimolano il fagocita a produrre sostanze pro-infiammatorie: sono definiti TLR (toll like receptors) e costituiscono la principale classe di recettori dell’immunità innata. Sono proteine transmembrana con un dominio extracellulare (ricco in leucina) ed un dominio intracellulare; il legame del dominio extracellulare con i propri ligandi attiva il dominio intracellulare che, attraverso una cascata di reazioni interne, attiva il fattore di trascrizione NFkB (attraverso fosforilazione del suo precursore inattivo: IkB legato alle proteine P50 e P65) il quale induce la trascrizione di una serie di geni che codificano per diverse proteine infiammatorie. I TLR riconoscono due profili:
  • PAMPS: profili molecolari associati ai patogeni. Sono generalmente molecole essenziali per i patogeni, presenti a livello di tutti i microrganismi di una certa classe. Spesso sono componenti fondamentali per la vita del patogeno.
  • DAMPS: riconoscono cellule danneggiate o molecole danneggiate.
• Recettori per le chemochine: necessari al movimento chemiotattico dei fagociti; favoriscono una modificazione del citoscheletro che porta all’emissione di pseudopodi.

Mediatori dell'infiammazione

I mediatori dell’infiammazione intervengono con la funzione di amplificare il processo infiammatorio. Possono agire:

• Attraverso il legame con i recettori presenti sulla cellula bersaglio
• Enzimaticamente con una attività di tipo aspecifico

Presentano una attività molto breve: questi mediatori, una volta che hanno portato a termine la propria funzione, vengono rapidamente eliminati per impedire una infiammazione prolungata. Vengono distinti in:

• Mediatori plasmatici: derivanti da molecole già presenti nel plasma in forma inattiva; vengono attivati durante il processo infiammatorio.
• Mediatori cellulari: vengono prodotti localmente dalle cellule presenti nel sito di infiammazione. Sono:
  • Preformati: già presenti nel citoplasma delle cellule che li producono. L’attivazione della cellula ne determina soltanto la secrezione.
  • Di neosintesi: vengono sintetizzati ex-novo dalle cellule locali, quando queste vengono attivate.

Mediatori plasmatici

Comprendono diverse classi di mediatori: sistema del complemento, sistema delle chinine, sistema della coagulazione-fibrinolisi.

Sistema del complemento

Quando i microrganismi patogeni superano le iniziali barriere epiteliali e difese antimicrobiche incontrano le proteine del complemento, presenti sia nel sangue, che nella linfa, che nei fluidi interstiziali. Sono proteine prodotte a livello epatico in forma inattiva; la loro attivazione genera una cascata delle proteine del complemento che genera una serie di fattori con attività pro-infiammatoria.

Vie di attivazione del sistema del complemento:

• Via classica: il sistema del complemento viene attivato dalla formazione di complessi antigene-anticorpo; gli anticorpi, quando legano l’antigene, cambiano la propria conformazione ed espongono un sito di legame per le proteine del complemento, che vengono così attivate.
• Via alternativa: il sistema del complemento viene attivato per via diretta attraverso prodotti batterici.
• Via della lectina legante il mannosio: il mannosio è uno zucchero molto spesso presente a livello di microrganismi patogeni che stimola l’attivazione delle proteine del complemento.