Immunologia - immunità adattiva

Antigene, recettori e linfociti

Immunità adattativa

La terza linea difensiva è rappresentata dall'immunità specifica. Al contrario della precedente, non è presente alla nascita, ma viene acquisita con il passare del tempo. È inoltre specifica per un determinato microrganismo, in particolare verso alcune molecole ben precise (antigeni) del patogeno. L'immunità acquisita si rafforza a seguito di ulteriori contatti con lo stesso patogeno (comparsa di memoria del riconoscimento effettuato). L'immunità acquisita interviene soltanto quando le altre linee di difesa non sono riuscite a contrastare efficacemente il patogeno. Essa si sovrappone all'immunità innata potenziando la risposta immunitaria: le citochine infiammatorie richiamano linfociti nella sede della reazione immunitaria e questi ultimi rilasciano poi le proprie citochine alimentando e potenziando la risposta infiammatoria specifica.

Linfociti

Gli organi linfoidi primari, o generativi, sono i luoghi in cui vengono prodotti o inizia la maturazione dei linfociti. I due organi linfoidi primari nell'uomo sono il midollo osseo, da dove derivano inizialmente i progenitori dei linfociti e dove maturano i linfociti B, e il timo, dove maturano i linfociti T.

I linfociti T si dividono principalmente in T-helper, T-citotossici e T-regolatori. Quando è in corso un'infezione una cellula APC (antigen-presenting cell) cattura l'antigene estraneo e lo trasporta attraverso i vasi sanguigni o i vasi linfatici fino ad un organo linfoide secondario, generalmente un linfonodo nel caso sia trasportato per via linfatica o la milza se per via ematica.

Ciò permette di concentrare gli antigeni estranei in un luogo relativamente ristretto dove c'è un'alta concentrazione di linfociti naive (poiché essi vi migrano continuamente), cioè linfociti che non sono ancora venuti in contatto con l'antigene per cui sono specifici, che possono interagire con le APC. Una volta che l'APC ha attivato il linfocita naive specifico per quell'antigene ha inizio la risposta immunitaria adattativa, il clone linfocitario attivato va incontro ad un'espansione clonale, cioè ad una forte proliferazione in seguito alla quale i linfociti attivati possono differenziarsi in linfociti effettori o cellule di memoria. Questi a loro volta migrano nel sangue dove circolano fino a quando non raggiungono mediante chemiotassi il sito dove è in corso l'infezione per svolgere le loro funzioni.

I linfociti costituiscono le cellule coinvolte nell'immunità adattativa poiché mediante l'immensa varietà dei loro recettori possono distinguere pressoché qualsiasi tipo di antigene estraneo che entri nell'organismo. Ciascun clone linfocitario è specifico per un singolo antigene e ciò ne determina la sua specificità. I linfociti sono in realtà una vasta famiglia di cellule distinguibili tra loro per l'espressione di determinate proteine di membrana che fungono da marcatore per un determinato tipo di linfocita; tali proteine vengono identificate mediante la nomenclatura CD che sta per Cluster of Differentiation. I linfociti T-helper, ad esempio, esprimono quasi sempre la proteina CD4, per cui si dice che sono CD4+. È da tenere a mente che le proteine CD non sono espresse esclusivamente nei linfociti ma anche in altre cellule del sistema immunitario o che hanno relazioni funzionali con questo. L'aspetto morfologico dei linfociti non permette di distinguere con un alto grado di specificità tra un tipo di linfocita e l'altro.

Principali classi di linfociti

• I linfociti B originano dal midollo osseo e lì maturano, sono i responsabili dell'immunità umorale. Una volta differenziati in plasmacellule producono gli anticorpi e sono le uniche cellule del corpo a farlo. Sono definiti "linfociti B" dall'inglese "bone marrow" ovvero midollo osseo, sede della loro maturazione. Esistono alcune sottoclassi di linfociti B, per esempio i linfociti B-1, presenti in notevoli quantità nel peritoneo, che hanno recettori per l'antigene dalla limitata diversificazione e producono in particolare IgM specifici per polisaccaridi e lipidi. Esistono anche i linfociti B della zona marginale e i linfociti B follicolari, così chiamati in base alla localizzazione all'interno di un follicolo linfatico.
• I linfociti T originano nel midollo osseo ma maturano nel timo (da qui la denominazione "linfociti T") e sono responsabili dell'immunità cellulo-mediata. Le sottoclassi sono i linfociti T-helper, T-citotossici, T-regolatori e T-γδ.
• I linfociti NK, ovvero natural-killer, sono una terza popolazione di linfociti meno numerosa delle altre due e coinvolta solo in parte nell'immunità adattativa in quanto i recettori di questa classe presentano una scarsa diversificazione. Una rara sottoclasse dei linfociti NK, i linfociti NKT, possiedono caratteristiche ascrivibili sia alla popolazione T che alla popolazione NK in quanto linfociti T, tuttavia, a differenza di questi, il recettore non è generato per ricombinazione somatica ma dalla linea germinativa, esattamente come quelli dei linfociti NK.

Antigene

Qualsiasi “struttura molecolare” riconosciuta da recettori specifici delle cellule B: BCR (B Cell Receptor) e delle cellule T TCR (T Cell receptor).

• Proteine estranee
• Virus
• Batteri
• Parassiti
• Funghi

Epitopo

È quella piccola parte di antigene che lega l'anticorpo specifico. La singola molecola di antigene può contenere diversi epitopi riconosciuti da anticorpi differenti.

• Epitopi sequenziali, caratterizzati da una specifica sequenza lineare aminoacidica (ad esempio Arg-Glu-Ser).
• Epitopi conformazionali, riconosciuti dal sistema immunitario come complessi tridimensionali. Gli epitopi conformazionali possono essere costituiti da elementi anche molto distanti tra loro in termini di struttura primaria (lineare), ma estremamente vicini a livello della struttura terziaria (tridimensionale) a causa del ripiegamento che caratterizza molte macromolecole biologiche.

Lo sviluppo di una risposta umorale contro gli epitopi di un determinato antigene porta allo sviluppo di una memoria immunologica anticorpale più o meno duratura (a seconda del tipo e dell'intensità del processo infettivo). Le cellule-memoria sensibilizzate contro gli epitopi di un determinato antigene tendono però a inibire la maturazione di nuovi linfociti naive eventualmente sensibili a quel determinato antigene in seguito ad una nuova esposizione all'antigene stesso. In altri termini viene favorita la ri-espansione e la ri-maturazione solo di cloni già rivelatisi efficaci contro l'antigene in questione, mentre gli altri linfociti (naive) vengono risparmiati per poter eventualmente rispondere contro altri antigeni. Tuttavia questo processo, definito "peccato originale antigenico", non consente la sensibilizzazione del sistema immunitario contro nuove varianti epitopiche di uno stesso antigene (in realtà questa carenza è parzialmente compensata dal processo di ipermutazione somatica a cui vanno incontro i linfociti B-memoria nuovamente stimolati dalla presenza dell'antigene). Il peccato originale antigenico è sfruttato da numerosi agenti patogeni (soprattutto virus) per limitare l'efficacia della risposta immunitaria.

Immunogenicità

Qualunque molecola capace di attivare una risposta immunitaria, dopo il suo riconoscimento. Alcuni antigeni sono immunogenici, altri no.

Antigene immunogeno

È riconosciuto/interagisce con TCR e BCR e attiva una risposta immune. Se la risposta è efficace, l’antigene viene eliminato.

Antigene non immunogeno/Ag tollerogeno

È riconosciuto/interagisce con TCR e BCR ma non attiva una risposta immune. L’immunogenicità dell’antigene è legata ad alcune proprietà dell’antigene:

• Estraneità: antigene molto diverso da molecole “self”
• Taglia: >1000 Dalton
• Natura chimica: migliori le proteine; poi, carboidrati e lipidi ma solo per linfociti B
• Complessità strutturale
• Conformazione (per i B)
• Degradabilità (per i T): suscettibilità alla processazione e presentazione
• Dose che determinano l’immunogenicità

Altri fattori

• Genotipo dell’ospite: determina un diverso grado di responsività
• Età dell’ospite
• Via di penetrazione
• Uso di adiuvanti: sostanze che potenziano la risposta immunitaria nei confronti dell’antigene (nell’immunizzazione artificiale: vaccini)

Aptene: piccola molecola che non è in grado di indurre/attivare una risposta immune a meno che non sia legata ad una proteina “carrier”. Molecola carrier: può agire come immunogeno (es. BSA).

Macrofagi

I macrofagi residenti sono presenti nella maggior parte dei tessuti e rappresentano cellule estremamente longeve e sono tra le prime che entrano in contatto con l’agente infiammatorio o con il patogeno (spesso le due cose coincidono). Questi macrofagi derivano da precursori presenti nel sacco vitellino e nel fegato fetale durante lo sviluppo prenatale e assumono fenotipi specifici a seconda dell’organo o del tessuto dove si andranno a localizzare.

Tra i più importanti macrofagi residenti si trovano le cellule della microglia presenti nel sistema nervoso centrale; queste hanno ruoli molto importanti: nella sorveglianza, nella rimozione dei detriti cellulari e depositi proteici (come la β-amiloide) che regolano l’omeostasi tissutale e mantengono l’integrità neuronale. I macrofagi tissutali hanno un ruolo anche nel mantenimento dell’omeostasi del sangue: sono presenti nel fegato (conosciuti come cellule di Kupffer, dal nome del loro scopritore) ed hanno il ruolo fondamentale del riciclo del ferro e nel mantenimento della sua omeostasi. Il ferro è ottenuto dalla digestione delle molecole di emoglobina contenuta in eritrociti ormai non più funzionanti a causa di un danno o della senescenza.

I macrofagi reclutati sono invece cellule derivanti dal reclutamento dal sangue periferico e successivo differenziamento nel tessuto infiammato dei monociti. Questi sono in tutto e per tutto macrofagi che intervengono nell’eliminazione dei patogeni più resistenti e nella risoluzione dell’infiammazione; talvolta se il danno è molto esteso possono rimpiazzare i macrofagi residenti ed assumere il loro fenotipo.

Funzioni dei macrofagi

I macrofagi, come già detto, sono cellule che possiedono molti ruoli: agiscono nell’eliminazione del patogeno con il conseguente avvio della risposta infiammatoria, hanno un ruolo centrale nel riportare l’omeostasi dei tessuti e nella loro riparazione in seguito al danno provocato dal patogeno e dall’infiammazione.

Ruolo infiammatorio

Il principale ruolo nell’infiammazione è quella di difesa dell’organismo. Questa funzione è mediata dal processo di fagocitosi dei microbi che vengono così ingeriti dal macrofago ed uccisi grazie alla produzione di radicali liberi. Un ulteriore ruolo è mediato dall’attivazione dei recettori di membrana (come i Toll-Like Receptors, TLRs) a causa del riconoscimento di profili molecolari comuni a più patogeni (PAMPs). L’attivazione di questi recettori causa nel macrofago un’intensa attività di trascrizione genica che porterà alla conseguente produzione di citochine pro-infiammatorie come: l’interleuchina 1 (IL-1), l’interleuchina 6 (IL-6) ed il Tumor Necrosis Factor α (TNF-α). Queste molecole porteranno ad una situazione di infiammazione locale con variazioni del microcircolo sanguigno così da favorire il reclutamento di ulteriori leucociti dal sangue tramite l’azione delle chemochine (anch’esse prodotte in seguito ad attivazione dei recettori) come l’interleuchina 8 (IL-8) che recluta i neutrofili dal sangue periferico. L’insieme di questi prodotti agiscono anche al livello sistemico portando ad un innalzamento della temperatura corporea e alla produzione di proteine di fase acuta come il complemento. Tuttavia se eccessivi possono provocare un collasso multiorgano o alla sindrome da risposta infiammatoria sistemica (SIRS).

Un’importante funzione, anche se maggiormente esercitata dalla cellule dendritiche, è quella della presentazione dell’antigene ai linfociti T tramite il Maggior Complesso di Istocompatibilità (MHC).

Ruolo anti-infiammatorio e risoluzione del danno

I macrofagi, oltre ad ingerire i microbi, contribuiscono anche alla risoluzione del processo infiammatorio attraverso l’ingestione di detriti cellulari, cellule morte causate dall’infiammazione stessa (come i neutrofili) o in seguito ad un trauma. Questo processo di pulizia è essenziale per ristabilire l’omeostasi tissutale ed avviare i processi riparativi del tessuto. Lo spegnimento della risposta flogistica e l’avvio della riparazione del tessuto è mediato dalla produzione di citochine anti-infiammatorie come l’interleuchina 10 (IL-10) ed il Transforming Growth Factor β (TGF-β) che agiscono su molteplici tipi cellulari come i fibroblasti che si attivano ed iniziano a produrre componenti della matrice extracellulare come collageno e proteoglicani.

I recettori per l’antigene dei linfociti B e dei linfociti T: BCR e TCR

Le molecole che riconoscono e legano l’antigene appartengono alla “Superfamiglia delle Immunoglobuline” (omologia strutturale). Ogni dominio immunoglobulinico è formato da: 2 foglietti β-planari uniti da un ponte disolfuro e connessi da brevi anse. Ogni dominio variabile (V) contiene 3 regioni ipervariabili chiamate CDR1-3 (CDR= Regioni Determinanti la Complementarietà) che si dispongono in modo da formare il sito combinatorio per l’epitopo antigenico.

BCR (B Cells Receptors)

È una proteina recettoriale transmembrana situata sulla superficie esterna delle cellule B. La frazione legante del recettore è composta da un anticorpo ancorato alla membrana che, come tutti gli anticorpi, ha un sito legante l'antigene unico e determinato casualmente. Quando una cellula B viene attivata dal suo primo incontro con un antigene che si lega al suo recettore (il suo "antigene affine"), la cellula prolifera e si differenzia per generare una popolazione di plasmacellule B che secernono l'anticorpo e cellule B di memoria.

Il recettore delle cellule B (BCR) ha due funzioni cruciali nella interazione con l'antigene. Una funzione è di trasduzione del segnale, che comporta modifiche nella oligomerizzazione del recettore. La seconda funzione è di mediare l'internalizzazione per la successiva elaborazione dell'antigene e la presentazione dei peptidi alle cellule T helper. Le funzioni del BCR sono necessarie per la produzione di anticorpi normali. Difetti nella trasduzione del segnale BCR possono portare ad immunodeficienza, disturbi da auto-immunità e malignità delle cellule B.

Componenti del recettore

• 2 catene pesanti e 2 catene leggere
• La frazione che lega il ligando: una molecola immunoglobulinica legata alla membrana, di un unico isotipo (IgD, IgM, IgA o IgE). Ad eccezione della presenza di un dominio integrale di membrana, esse sono identiche alle loro forme secrete. (Regione Variabile)
• La frazione di trasduzione del segnale: Un eterodimero chiamato Ig-α/Ig-β (CD79), tenuto insieme da ponti disolfuro. Ogni membro del dimero attraversa la membrana plasmatica e ha una coda citoplasmatica recante un ITAM (immunoreceptor tyrosine-based activation motif). (Regione Costante)

Vie di segnalazione

Il B-Cell Receptor può seguire diverse vie di segnalazione. Tra quelle più note quelle che implicano i percorsi di segnalazione intracellulare del PI3K, PLCy/calcio, IκB chinasi (IKK)/NF-κB, ERK.

TCR (T Cells Receptors)

È un recettore transmembrana che si trova sulla superficie dei linfociti T, responsabile del riconoscimento degli antigeni presentati dal complesso maggiore di istocompatibilità (MHC). Il legame tra TCR e il complesso MHC-antigene, associata ad altri segnali detti co-stimolatori, portano all'attivazione del linfocita T attraverso una caratteristica trasduzione del segnale di cui però il TCR non fa propriamente parte. Cloni di linfociti T che possiedono una diversa specificità esprimono TCR diversi. Il complesso del TCR è costituito dal TCR stesso e da proteine deputate alla trasduzione del segnale (principalmente CD3 e ζ) che gli sono legate tramite legami non-covalenti.

Struttura del TCR

Il TCR è un eterodimero composto nel 90% dei linfociti T da una catena alfa (α) e una beta (β), mentre nel restante 10% dei linfociti T si tratta di una catena gamma (γ) e una delta (δ). Questo permette la distinzione tra linfociti T αβ e linfociti T γδ. Ciascuna catena del TCR è formata (partendo dall'estremità N-terminale extracellulare) da un dominio Ig variabile (V), un dominio Ig costante (C), una regione transmembrana e una coda citoplasmatica. Il dominio variabile è codificato dai segmenti V, D (se presente) e J, mentre quello costante dal segmento C.

• Regione variabile: Nei domini V sono presenti tre regioni ipervariabili (frutto della ricombinazione) denominate regioni che determinano la complementarietà dal momento che formano una struttura tridimensionale che si adatta perfettamente a quella dell’epitopo per il quale il recettore è specifico. Sulla catena β è inoltre presente una quarta regione ipervariabile.