Immunologia

Patologia

La difesa del nostro organismo si compone in una precoce immunità innata e di una più lenta immunità adattativa. L'immunità innata consiste di sistemi di difesa preesistenti all'infezione e pronti a reagire, l'immunità adattativa invece necessita un'attivazione ad hoc, ovvero si sviluppa in risposta a un'infezione e si adatta all'infezione stessa. Mentre la risposta innata è sempre uguale a se stessa, non migliora e non ha capacità di adattarsi, quella adattativa invece è nulla nel primo giorno di esposizione all'agente infettivo ed entra in gioco quando l'agente patogeno non c'è più, ma permette di imparare a riconoscere il patogeno.

In seguito a un'esposizione a un batterio infatti al giorno zero la risposta adattativa sarà zero e quindi la sopravvivenza è data dalla sola risposta innata di cui la risposta adattativa rappresenta una tardiva integrazione. Quindi ciò che ci mantiene vivi è la risposta innata mentre la risposta adattativa è quella che permette l'adattamento agli agenti patogeni; i due sistemi sono molto diversi ma integrati tra di loro.

Risposta innata

La risposta di tipo innato si basa su tre diversi componenti, il primo dei quali è rappresentato dalle barriere fisiche e chimiche (es. epitelio) che hanno lo scopo di ridurre la probabilità di essere esposti in maniera pericolosa a un agente infettivo; sono strutture di tipo fisico biochimico di carattere preventivo. Questa prima linea di difesa è nella maggioranza dei casi sufficiente.

La seconda linea di difesa entra in gioco quando le barriere sono state superate ed è rappresentata dai fagociti, cellule del sistema immunitario di tipo innato e dalle proteine plasmatiche tra cui i fattori del sistema del complemento. Questa seconda linea di difesa è sufficiente per gestire sia il danno indotto dal patogeno che quello indotto dalla risposta al patogeno ed è essenziale per istruire la terza linea di difesa di tipo adattativo in cui entrano in gioco i linfociti.

La risposta immunitaria innata ha come principale caratteristica distintiva di essere una risposta veloce che necessita di qualche minuto, la risposta adattativa invece ha bisogno di un paio di settimane di tempo per agire; quindi se la risposta innata non funziona, quella adattativa non è in grado di proteggere l'organismo.

Risposta adattativa

L'immunità adattativa invece ha come principale caratteristica una spiccata specificità per molecole diverse, può ricordare e rispondere più vigorosamente a uno stesso microbo ed infatti viene anche detta immunità specifica. I principali componenti dell'immunità adattativa sono i linfociti ed i loro prodotti di secrezione (es. anticorpi); le sostanze che inducono la risposta adattativa e che ne costituiscono il bersaglio vengono dette antigeni.

Risposta infiammatoria

La risposta infiammatoria si esprime in una lesione che provoca un arrossamento della sede a causa dell'aumento del contenuto di sangue, tumefatta, calda e dolorosa inoltre presenta una loss of function. La prima struttura biologica che risponde a un'infiammazione sono i vasi, infatti in genere i tessuti avascolari non si infiammano. È necessario che sia presente un microcircolo (parte compresa tra l'arteriola e la vena efferente): il microcircolo è un distretto funzionale ovvero in condizioni normali un terzo dei distretti microcircolatori sono aperti mentre i due terzi sono chiusi; in condizioni fisiologiche l'albero vascolare di un organo è perfuso per un terzo mentre quando si ha un'infiammazione la perfusione aumenta e l'albero vascolare si dilata.

Poiché l'organo è fortemente irrorato di sangue diventa caldo; il dolore che deriva dall'infiammazione è la strategia con cui il sistema cerca di convincerci a non usare il distretto, poiché la riparazione del danno richiede l'immobilizzazione del distretto. La risposta infiammatoria serve a controllare la noxa, a distruggerla e bloccarne l'attività e ad eliminarla se possibile. Se l'agente infettivo non si può eliminare la risposta infiammatoria permane e oltre qualche giorno si trasforma da acuta a cronica; è necessario quindi controllare la risposta acuta in modo che non diventi cronica oppure controllare gli effetti della risposta cronica.

Risposta al danno

Se il processo di infiammazione non funziona e si ha un difetto nella risposta, come avviene nell'epatite, il virus infetta la maggior parte delle cellule ed il sistema immunitario continua ad attaccare il virus e nel corso di anni la risposta cronica degrada il fegato. Quindi nel tentativo di eliminare lo stimolo la risposta infiammatoria attacca i tessuti, nella maggior parte dei casi infatti il danno d'organo è quasi totalmente dovuto alla risposta e non all'agente infettivo; il secondo obiettivo della risposta immunitaria è riparare il danno. Quando la risposta diventa cronica e il meccanismo di riparo diventa di tipo fibroso e si ha un continuo riparo di un tessuto che allo stesso tempo viene degradato dalla stessa risposta immunitaria. Quindi in seguito all'eliminazione dell'agente si ha un meccanismo di riparo, se invece il sistema non è in grado di eliminare l'agente il processo diventa cronico e funzionalmente invalidante per l'organo.

La struttura inizialmente coinvolta nella risposta sono i vasi: la cellula endoteliale è reattiva in condizioni fisiologiche, ma quando il microcircolo si infiamma risponde con una risposta finalizzata a portare le cellule circolanti nel sangue da dentro il vaso a dentro il tessuto.

Reclutamento dei leucociti

Il processo di reclutamento dei leucociti avviene mediante due meccanismi:

• Le cellule endoteliali diventano adesive
• I vasi si dilatano in modo da rallentare il flusso: in condizioni di flusso normale le strutture corpuscolari (leucociti) scorrono al centro del vaso mentre all'esterno è presente una fascia di plasma che non consente al leucocita di toccare l'endotelio, quindi i leucociti per entrare in contatto con le cellule endoteliali devono spostarsi a una posizione periferica nel flusso.

Il leucocita spinto verso la parete ingaggia l'endotelio mediante molecole di adesione; a questa prima fase di ingaggio ne segue una di rolling in cui il leucocita rotola sull'endotelio mediante interazioni transienti e reversibili che ne permettono il rallentamento ma soprattutto seleziona le cellule corrette. I leucociti reclutati dopo 30'/1h nella risposta infiammatoria acuta sono i granulociti neutrofili, i quali compongono il 60% della formula leucocitaria. Nelle fasi più avanzate invece il tessuto infiammato recluta diversi tipi di leucociti che differiscono da caso a caso a seconda dell'agente che ha causato l'infiammazione.

Alla fase di rotolamento segue una fase di adesione ferma irreversibile che consente alla cellula di agganciare l'endotelio e di oltrepassarlo mediante un processo di diapedesi. Le risposte infiammatorie acute sono caratterizzate dall'infiltrazione del tessuto di un numero elevato di cellule: in condizioni normali i granulociti neutrofili non si trovano nei tessuti, in seguito a un'infiammazione il tessuto invece si satura. Una volta giunti nei tessuti i granulociti vi transitano per circa 2 giorni e poi muoiono.

I neutrofili vengono selezionati controllando il passaggio dalla fase di rotolamento alla fase di adesione ferma: gli agenti chemiotattici prodotti dal tessuto andato incontro al danno vengono trasportati attraverso l'endotelio e permettono l'ingaggio dei vari tipi di leucociti a seconda della specifica combinazione di agenti chemiotattici. L'ingaggio del recettore sul leucocita per l'agente chemiotattico trasforma il rotolamento in adesione ferma e permette la diapedesi, nel caso in cui il recettore non sia corretto il leucocita viene rilasciato e diffonde via.

Molecole coinvolte nel reclutamento

Le fasi del reclutamento leucocitario sono controllate da due famiglie di molecole:

• Selectine → sono molecole proteiche in grado di riconoscere zuccheri e controllano il rotolamento. L'endotelio esprime le selectine P ed E a seguito di un'attivazione, i leucociti esprimono sempre le selectine L; tutte riconoscono zuccheri del tipo Sialylated Lewis X.
• Integrine → sono proteine espresse dai leucociti che legano proteine con domini globulari Ig-like proteins; il dominio è costituito da un loop formato da un ponte di cisteine. Le Ig-like family sono espresse dall'endotelio attivato e trovano il contro-recettore sul leucocita con cui formano interazioni proteina-proteina, più forti di quelle proteina-zucchero, che quindi bloccano il leucocita.

Le integrine si attivano solo se il leucocita è stato ingaggiato dall'epitelio e una volta attive agganciano le immunoglobulin-like presenti sull'endotelio. Gli step sono tre: selectine, integrine, immunoglobulin-like. Fondamentale per questo processo è lo stimolo chemiotattico: le molecole chemiotattiche svolgono due funzioni:

• Attivano le integrine del leucocita quando esso si trova nel vaso
• Una volta che il leucocita è extravasato ne direzionano la migrazione spostandolo dal punto in cui è uscita al punto in cui si trova lo stimolo lesivo che ha indotto il richiamo dei leucociti. Questo meccanismo è possibile grazie a una navigazione delle cellule nel tessuto che avviene mediante il riconoscimento della porzione anteriore del leucocita di gradienti di concentrazione: il leucocita misura la concentrazione delle molecole chemiotattiche tra il polo anteriore e il polo posteriore e si muove in direzione della concentrazione più elevata.

Il leucocita inoltre riconosce più stimoli e agisce in modo tale che i gradienti più importanti superino quelli meno importanti: in genere gli stimoli endogeni sono meno importanti di quelli scatenati dall'agente patogeno. L'obiettivo finale della migrazione del leucocita è raggiungere l'agente infettivo o la sede in cui esso si trova.

Citochine e infiammazione

Nella risposta infiammatoria un'altra famiglia di molecole che interviene sono le citochine che si dividono in:

• Citochine pro-infiammatorie → inducono l'infiammazione e si dividono in:
  • TNF
  • IL-1 → il recettore è un complesso eterodimerico formato da due catene ma può anche esistere in una forma che funge da trappola molecolare poiché nella parte esterna è uguale al recettore attivatorio mentre manca della parte interna e quindi funge da repressore (lo stesso vale per TNF)
  • IL-6
• Citochine anti-infiammatorie → IL-10

Il controllo delle citochine pro-infiammatorie che reclutano i leucociti permette il controllo della risposta stessa. I neutrofili sono fagociti in grado di riconoscere l'agente, inglobarlo e distruggerlo. I sensori dei patogeni sono recettori che riconoscono pattern molecolari ovvero qualsiasi struttura biochimica che identifica un agente vivente che il nostro organismo non possiede.

Ad esempio i batteri Gram- sono caratterizzati da una barriera cellulare su cui si trova il LPS, una struttura che le cellule eucariotiche non usano: un recettore in grado di avvertirne la presenza permette di individuare se è presente un batterio Gram- nell'organismo. LPS è un PAMP (Pathogen Associated Molecular Pattern) ovvero un pattern molecolare riconducibile al patogeno; il riconoscimento dei PAMP è a carico dei recettori PRR (Pattern Recognition Receptor). Il riconoscimento di tipo molecolare e nonostante la capacità di discriminazione sia bassissima è in grado di dare un orientamento alla risposta.

L'insieme dei recettori dell'immunità innata che identificano un pattern sono circa un centinaio e possono essere circolanti, citosolubili o membrana-solubili ed insieme sono in grado di identificare grandi categorie di patogeni: la loro discriminazione molecolare è di circa 10², ovvero sono in grado di identificare un centinaio di antigeni. Il sistema immunitario adattativo è invece altamente specifico e discrimina 10¹¹ pattern diversi.

I principali recettori sono i TLR (Toll-Like Receptors), PPR espressi sulla membrana plasmatica o nei vacuoli che presentano tutti la stessa struttura e sono in grado di discriminare per tipologia di agente infettivo, ovvero ogni specifico TLR è in grado di dire da quale agente patogeno è stato indotto il processo infiammatorio; l'uomo ne possiede 10 diversi. I TLR sono stati scoperti in Drosophila dove intervengono contro funghi; Drosophila non ha una risposta di tipo adattativo.

Conclusioni sull'infiammazione

Lo scopo finale del processo di infiammazione è il ritorno a una situazione di normalità partendo da una situazione lesa. Ci sono però condizioni che devono essere rispettate sia dal lato della risposta che della struttura: se la risposta si accompagna a un mancato danno tissutale e l'esudato viene rimosso in maniera efficace l'infiammazione viene risolta e si torna in condizioni normali; se invece l'esudato non viene rimosso (a causa dello stimolo che continua a richiamare nuovi neutrofili), la risposta diventa cronica e l'organismo induce fibrosi con conseguente formazione di una cicatrice formata appunto da tessuto fibroso. In caso di risposta cronica quindi l'organismo mette in atto un meccanismo di riparo piuttosto che di risoluzione, che porta a una lesione funzionalmente rilevante in base alla funzione che il tessuto svolge.

Se le cellule del parenchima sono cellule perenni (non sostituibili, es. neuroni) si ha la formazione di tessuto fibroso, se invece le cellule del parenchima sono cellule labili che quindi possono essere sostituite, è possibile ricostituire la massa parenchimatosa e si ha un recupero della funzione ma solo se la citoarchitettonica è preservata: l'organizzazione citoarchitettonica è data dallo stroma quindi è necessario che lo stroma sia intatto per rigenerare del tutto l'organo, se le cellule rigenerate si ritrovano in un organo non strutturato si ha comunque la fibrosi. L'entità della lesione è determinata dalla carica infettiva ovvero dalla quantità di batteri che sopraggiungono e dalla velocità della risposta.

Infiammazione acuta

L'infiammazione è un processo alla base di numerose patologie sia nel caso in cui la sua funzione sia positiva e quindi porta alla risoluzione del "problema", sia nel caso in cui evolva in forme croniche e sostenga la degenerazione fibrosa dell'organo. La forma acuta di infiammazione dura solo pochi giorni nei quali il processo ha un periodo di attività per poi risolversi, nelle forme di tipo cronico invece si ha una continua ripetizione di forme acute che si mescolano ai meccanismi di riparo con conseguente sviluppo di un danno del tessuto e di una risposta di riparo (e non di rigenerazione) che evolve in fibrosi. Gli stimoli per un'infiammazione acuta possono essere:

• Presenza di PAMPs derivanti da infezioni batteriche, virali o da parassiti
• Necrosi del tessuto (es. ischemia), trauma fisico, agente chimico → nei tessuti si trovano entità molecolari di varia natura dette DAMPs (Danger Associated Molecular Patterns) che vengono riconosciute come un segnale di pericolo: quando i tessuti subiscono un danno e le cellule rilasciano molecole endogene che il nostro sistema immunitario innato riconosce come segnali di pericolo ed induce una risposta a valle che ha lo scopo di riparare il tessuto andato incontro a danno;
• Reazione immunitaria (risposta da ipersensibilità) → risposte infiammatorie in cui il meccanismo di trigger è una risposta di ipersensibilità ed il meccanismo di danno è di tipo immunitario adattativo; in questi casi a creare danno è la risposta infiammatoria in sé.

La maggior parte delle volte la risposta infiammatoria è causata da una noxa che induce il processo ma non è di tipo infettivo. Nel caso dell'immunità innata qualunque sia la noxa l'effetto a valle è stereotipato e la risposta è automatica e sempre uguale a sé stessa. Dal punto di vista degli eventi cellulari la risposta è un processo combinato di una risposta da parte dei vasi e dei leucociti. Gli eventi vascolari sono caratterizzati da un cambiamento di dimensione e permeabilità vascolare il cui scopo è agevolare sia gli eventi cellulari attraverso il reclutamento di cellule infiammatorie sia il passaggio all'esterno del vaso di proteine ad alto peso molecolare che in condizioni normali sono trattenute all'interno del vaso: in condizioni normali solo le molecole più piccole di 40KDa sono in grado di extravasare per diffusione, quando invece il tessuto si infiamma le molecole circolanti nel vaso necessarie in sede extra-vascolare (es. anticorpi che hanno un peso di circa 150KDa) devono poter raggiungere il tessuto.

Questo processo avviene a livello del microcircolo, un distretto funzionale compreso tra l'arteriola e la venula che in condizioni normali può essere perfuso oppure può essere chiuso e il flusso passa dall'arteriola alla venula mediante un vaso di grosso calibro; in condizioni normali di solito 2 distretti su 3 sono chiusi. Il primo evento di regolazione della risposta infiammatoria è l'apertura di tutti i distretti che porta a una vasodilatazione e a un aumento della vascolarizzazione ma soprattutto aumenta lo scambio.