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Cellule dendritiche e cellule natural killer: le fasi iniziali della risposta immune

Prof. Guido Ferlazzo
Università degli Studi di Messina
Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia
6 Aprile, 2006

Fasi iniziali della risposta immune

Innate

Adherence to epithelium
Macrophages
Dendritic Cells

Local infection, penetration of epithelium

Macrophages
Dendritic Cells
Natural killer cells

Adaptive

Local infection of tissues
T cells
B cells
Protection against infections

Antigen capture

  • Epithelial border
  • Immature DC
  • DC precursors
  • MF
  • NK
  • Eosinophils
  • Cytokines

Antigen presentation

  • Migration maturation
  • Lymphoid organ
  • Lymphocyte selection
  • Mature DC
  • DC apoptosis
  • Lymphocyte activation

CTL helper and regulatory T cells

Il secondo segnale (costimolo)

MHC + antigens
APC
IL-2R
Costimulus
T lymphocytes
IL-2

Molecole coinvolte nella sinapsi DC/T

  • Adhesion Molecules: ICAM-1, DC-SIGN, LFA-1, ICAM-3
  • Semaphorins: Neuropilin-1, SEMA-4A
  • B7 Family: B7-1, B7-2, B7-H1, B7-DC, B7RP-1, B7-H3, B7x
  • CD28 Family: CD28, CTLA-4, PD-1, ICOS, BTLA
  • TNF Family: 4-1BBL, CD27, LOX40L, LIGHT
  • TNFR Family: 4-1BB, CD27, OX40, HVEM
  • CD40
  • Other Mediators: TXA2, TP

Antigene e costimolo sono necessari per l'attivazione dei T linfociti.

Malignant tumor cells

Expressing TRA but no co-stimulatory molecules

  • Naive CD8 T cells specific for TRA cannot be activated by the tumor cells and may be rendered anergic
  • Tumor grows progressively
  • Transfect tumor cell with B7
  • Tumor cells expressing B7 can activate TRA-specific CD8 T cells
  • Activated CD8 T cells eliminate tumor
  • Mouse can now reject parental B7-negative or GM-CSF-negative tumor
  • Transfect tumor cell with GM-CSF
  • GM-CSF recruits dendritic cells, which can present tumor antigens to T cells

Processazione dell'antigene

  • MHC di classe I
  • Peptidi
  • Complesso del Golgi
  • Peptide
  • Calreticolina
  • Proteasoma
  • Proteina
  • TAP
  • Tapasina
  • Antigene esogeno
  • Comparti endocitici
  • CLIP
  • Catena invariante digerita
  • Reticolo endoplasmatico rugoso
  • Calnessina
  • MHC di classe II
  • Nucleo
  • Catena invariante
  • Via endogena (MHC di classe I)
  • Via esogena (MHC di classe II)

Processazione dell'antigene e presentazione mediante molecole MHC-simili

  • Peptide antigenico
  • Lipide antigenico
  • CD1
  • MHC di classe I
  • MHC di classe II
  • Compartimenti endocitici
  • Reticolo endoplasmatico rugoso
  • TAP
  • Peptidi
  • Batteri intracellulari
  • Lipidi
  • Endosoma
  • Batteri

Il fenomeno del "Cross-priming"

Un'eccezione delle cellule dendritiche alle vie classiche di presentazione

  • Apoptotic (or necrotic?) cells in peripheral tissues
  • DC migration to draining lymph node
  • Mature DC stimulate Virus/tumor-specific CTLs

Progenitori e precursori ematopoietici

PROGENITOR
BLOOD PRECURSOR
CD34+ myeloid
CD34+ lymphoid
CD14+ CD11c+ CD1-Monocytes
GM-CSF IL-4
M-CSF
CD14- CD11c+ CD1+
GM-CSF IL-4 TGFβ
M-CSF
IL-3

Fattori di induzione

  • GM-CSF
  • IL-3
  • IL-4
  • Viruses

Proprietà delle cellule dendritiche immature

  • ANTIGEN CAPTURE
  • High intracellular MHC II
  • Endocytosis
  • Phagocytosis
  • High CCR1, CCR5, CCR6
  • Low CCR7
  • Low CD54, 58, 80, 86
  • Low CD40
  • Low CD83, No DC-LAMP

Proprietà delle cellule dendritiche mature

  • ANTIGEN PRESENTATION
  • High surface MHC II
  • Low endocytosis
  • Low phagocytosis
  • Low CCr1, CCR5, CCR6
  • High CCR7
  • High CD54, 58, 80, 86
  • High CD40
  • High CD83, high DC-LAMP, high p55

Struttura di un linfonodo

  • Secondary lymphoid follicle (with germinal center)
  • Afferent lymphatic vessel
  • Paracortical area (mostly T cells)
  • Germinal center
  • Primary lymphoid follicle (mostly B cells)
  • Medullary cords (macrophages and plasma cells)
  • Medullary sinus
  • Artery
  • Vein
  • Efferent lymphatic vessel
  • Senescent germinal center
  • Marginal sinus

Percorso delle cellule dendritiche

  • Mature DCs travel to lymph nodes
  • Dendritic cells in peripheral tissues
  • Dendritic cells in the lymphatic circulation
  • Dendritic cells in lymphoid tissues

T cells enter lymph node across high endothelial venules in the cortex.
T cells monitor antigen presented by macrophages and dendritic cells.
T cells that do not encounter specific antigen leave lymph node through lymphatics.
T cells that encounter specific antigen proliferate and differentiate to effector cells.

Immunofluorescenza

Per cellule dendritiche e per macrofagi

NK cells and DCs colocalize in T cell areas of normal human lymph node

CD20, DEC205, CD3, CD56

Chemokine receptors on dendritic cells

Receptor Ligands
Immature DC CCR1 MIP-1α, RANTES, MCP-3, MIP-5
CCR2 MCPs
CCR4 TARC, MDC
CCR5 MIP-1α, MIP-1β, RANTES
CCR6 (LC only) MIP-3α
CXCR1 IL-8
CXCR4 SDF-1
Mature DC CCR7 MIP-3β, SLC (6Ckine)

CD34+ progenitors

  • BONE MARROW
  • BLOOD
  • CCR6+ CCR7-TISSUES
  • MIP-3α
  • PATHOGEN ENTRY
  • Immature DC
  • 6Ckine
  • CCR6- CCR7+DR. LYMPH NODES
  • CCR6- CCR7++mature DC
  • MIP-3β

Cellule dendritiche

  1. Catturano gli antigeni nei tessuti periferici
  2. Migrano negli organi linfoidi secondari
  3. Presentano gli antigeni ai linfociti T

Cellule natural killer

  1. Sono la terza popolazione linfocitaria
  2. Riconoscono i loro bersagli mediante la somma di segnali ricevuti attraverso recettori attivatori ed inibitori
  3. Contengono le infezioni virali e la progressione tumorale finché l'immunità acquisita (adaptive immunity) non è effettiva

NK limit viral load and tumor burden prior to the initiation of the adaptive immune response.

  • Production of IFNα, IFNβ, TNFα and IL-12
  • NK cell mediated killing of infected cells
  • T cell mediated killing of infected cells

Virus titer

Time after viral infection (days)

NK burst precedes T cell activation during viral infections

B cell receptor

Membrane-bound IgM (mIgM) recognition
Light chain
Heavy chain
Igß Igα signaling

T cell receptor

TCR recognition
CD3
CD3α βε δγ ε
ITAMsζ ζsignaling

I linfociti B riconoscono

Determinanti conformazionali ed esterni dell'antigene

  • Epitopi B: formati da aa localizzati in punti diversi della catena amino acidica ed avvicinati dal ripiegamento della molecola
  • Epitopi T: aa in sequenza

Recettori inibitori delle cellule NK

  • KIR: killer immunoglobulin-like receptor (killer inhibitory receptors)
  • LIR-1/ILT2
  • NKG2A

Ligands: HLA-A3, -A11, HLA-Bw4, HLA-C, all MHC class I, HLA-E

Recettori attivatori delle cellule NK

  • Ligands: MICA/B, ULBPs, CD48, PVR CD155, Nectin-2 CD112, NKp46, NKp30, NKp44, NKG2D, 2B4, NTBA, DNAM-1, NKp80
  • Receptors: IgV IgC Lectin domain ITAM YxxM (PI3-K binding motif) Tyr-based motif SAP SHP-1 SHP-2

Mechanisms of NK cell functions

Regulated by a balance between activating and inhibitory signals

  • Inhibitory receptor
  • Activating receptor
  • SHP1
  • ZAP 70

Physiological conditions
Pathological conditions

  • Class I MHC IR No lysis Normal cell AR ligand AR NK cell IR Lysis Neoplastic cell Virus infected cell Class I MHC AR ligand AR NK cell

Sinapsi linfocita-cellula bersaglio

  • Nucleo
  • Monomeri di perforina
  • Granulo
  • CTL
  • Poro
  • Perforina polimerizzata
  • Cellula bersaglio

Receptors

  • NCRs (NKp30, p44, p46) +
  • KIRs, CD94, ILT2 -
  • 2B4, NTBA +
  • NKG2D +

Ligands: ?, HLA, CD48, ?, MICA, MICB, ULPBs

NK cell and target cell interactions

NK STOP CD16 KIR Class I MHC Natural Killing ADCC Target ADCC Antibody Dependent Cell Cytotoxicity Citotossicità anticorpo-dipendente

La cellula citotossica che effettua ADCC

Deve esprimere sulla membrana un recettore Fc per le Ig.
Le cellule NK hanno il CD16 e lisano cellule “aberranti” anche via ADCC.

Meccanismi di citotossicità dell'immunità innata

  • Enzimi litici
  • Perforina
  • TNF
  • Granzimi
  • Neutrofilo
  • Eosinofilo
  • Recettore per Fc
  • Macrofago
  • Cellula NK
  • Cellula bersaglio
  • Antigene di superficie (Ag)
  • Ag legato all'Ab legato al recettore per l' Fc

Subsets of natural killer cells

Division of labor

  • CD56brightCD16- NK cells: Cytokine producers: IFNγ, TNF, GM-CSF, CD56hi c-KIT CD25 KIR CCR7 CD94
  • CD56dimCD16+ NK cells: Killers: CD56low KIR CD16

Colucci et al., Nat Rev Immunol 2003
Natural killer cell content in secondary lymphoid organs
Peripheral Blood
Lymph Node
Spleen
Tonsil

Inflamed!
CD3
CD56

NK% of total cells in the organ:
20 %
5 %
17 %
0.4 %
(7-25%)
(1-7%)
(7-50%)
(0.2-0.7%)

Ferlazzo et al, J.Immunol. 2004

Distribution of lymphocytes estimated in a normal young adult man

  • 2.2 % Blood
  • 41.3 % Lymph Nodes
  • 15.2 % Spleen
  • 4.3 % Gut lymphoid tissue
  • 10.9 % Thymus
  • 10.9 % Bone Marrow
  • 15.2 % Other Tissues

F.Trepel, 1974

Natural killer cell content in secondary lymphoid organs

  • Peripheral Blood
  • Lymph Node
  • Spleen
  • Tonsil

CD3
CD56
95 : 5
25 : 75
85 : 15
25 : 75

Inflamed!
NK% of total cells in the organ: 20 % (7-25%), 5 % (1-7%), 17 % (7-50%), 0.4 % (0.2-0.7%)

Estimated number of total NK cells resident in this organ(s):
(Westermann and Papst, Clin Investig 1992)
2 x 109
10 x 109
13 x 109
< 109

Ferlazzo et al, J.Immunol. 2004

NK limit viral load and tumor burden prior to the initiation of the adaptive immune response

  • Production of IFNα, IFNβ, TNFα and IL-12
  • NK cell mediated killing of infected cells
  • T cell mediated killing of infected cells

Virus titer
Janeway and Travers, 1994

NK burst precedes T cell activation during viral infections

La cellula dendritica è responsabile dell'attivazione precoce delle cellule NK.

Le cellule dendritiche inducono le cellule NK a:

  • Proliferare
  • Secernere IFNγ
  • Potenziare la citotossicità

Ferlazzo et al. J.Exp.Med., 2002
Fernandez et al. Nat.Immunol., 2000
Piccioli et al. J.Exp.Med., 2002
Ferlazzo et al. Eur.J.Immunol., 2003

IFNγ secretion
Activation of cytotoxicity
Proliferation and survival

TNFα Other soluble molecules?
mbIL-15
NK activating receptor-ligand interaction?
IL-12
TNFα
Maturation
IFNα Other soluble molecules?

Subsets di linfociti T

  • CD8 T cells: peptide + MHC class I
  • CD4 T cells: peptide + MHC class II

Cytotoxic (killer) T cells

cytotoxins
virus-infected cell

TH1 cells

cytokines
macrophage

TH2 cells

cytokines
antigen-specific B cell

Cytotoxic effector molecules

  • Perforin
  • Granzymes
  • Fas ligand
  • Others: IFN-γ, TNF-β, TNF-α

Macrophage-activating effector molecules

  • IFN-γ
  • GM-CSF
  • TNF-α
  • CD40 ligand
  • Fas ligand
  • Others: IL-3, TNF-β (IL-2)

B-cell-activating effector molecules

  • IL-4
  • IL-5
  • CD40 ligand
  • Others: IL-3, GM-CSF, IL-10, TGF-β, Eotaxin
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Scienze mediche MED/09 Medicina interna

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Sara F di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Immunologia e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Messina o del prof Ferlazzo Guido.
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