Immunologia – Immunologia e immunopatologia

Introduzione al sistema immunitario

Il sistema immunitario naturale o innato ha delle caratteristiche:

• È aspecifico
• È attivo sin dalla nascita
• Non è dotato di memoria

Effettori della difesa naturale

Gli effettori della difesa naturale sono:

• Fattori solubili (complemento, lisozima ed interferone)
• Cellule: linfociti NK, sistema dei monociti/macrofagi anche denominato sistema reticolo-endoteliale, eosinofili, basofili e mastociti

Per azione di un'ampia gamma di segnali flogogeni che si liberano durante le infezioni, i monociti vengono attratti nel sito infiammatorio e si modificano diventando macrofagi infiammatori, la cui attività è molto efficace contro le cellule dell'organismo vecchie o danneggiate, contro particelle estranee e contro i comuni microrganismi, ma non contro le cellule tumorali. In quest'ultimo caso è necessaria l'azione dei linfociti che producono fattori solubili che attivano il macrofago affinché esso esplichi un'azione citotossica. Negli altri tipi di risposte, gli anticorpi, legandosi agli agenti patogeni (opsonizzazione), facilitano l'azione dei macrofagi.

Risposte immunitarie specifiche

Le risposte immunitarie specifiche sono dovute ai linfociti che derivano da cellule staminali presenti nel midollo osseo. Queste poi si sviluppano e maturano negli organi linfoidi primari o centrali (midollo osseo e timo) e, in epoca perinatale, migrano alla periferia, dove tendono ad aggregarsi nei cosiddetti organi e tessuti linfoidi secondari o periferici, dove hanno luogo le risposte immunitarie. Questi ultimi sono la milza, l'anello del Waldayer, i linfonodi, il MALT, il GALT e l'IEL.

I linfociti, antecedentemente alle risposte immunitarie specifiche, esprimono sulla membrana dei recettori specifici per essi. I cloni linfocitari sono in numero praticamente illimitato e sono dotati delle seguenti caratteristiche:

• Un numero molto limitato di elementi cellulari (prima della proliferazione), che esprimono recettori tutti identici tra loro
• Riconoscimento clonotipico, cioè cloni diversi interagiscono con antigeni diversi
• Solo la parte più esterna (regione variabile o V) interagisce con l'antigene, mentre la parte più interna (regione costante o C) non può essere utilizzata per discriminare recettori diversi

Le parti V e C del recettore sono codificate da porzioni di DNA diverse: il riavvicinamento dei geni che codificano per le regioni V e C e la loro particolare integrazione nel cromosoma è detto riarrangiamento e permette la differenziazione di ogni clone rispetto ad un altro a partire da cellule staminali linfoidi. La regione V è codificata da un segmento genico detto VDJ, che risulta diverso da quello degli altri cloni, perché, durante la maturazione linfocitaria, tra i tanti, un solo gene V si integra con un gene D e poi il complesso V/D si integra con un gene J, generando una straordinaria variabilità di siti molecolari della regione V.

Processo di maturazione e differenziazione

Il processo di maturazione e differenziazione dei linfociti consta di due fasi:

• La prima è antigene-indipendente, si svolge negli organi linfoidi centrali e consente da una cellula staminale indifferenziata di giungere al repertorio linfocitario dell'organismo
• La seconda fase è antigene-dipendente e si svolge negli organi linfoidi secondari; essa coinvolge solo il clone linfocitario stimolato dall'antigene. Ad essa segue la differenziazione dei linfociti B in plasmacellule e dei linfociti T in cellule effettrici. Non tutte le cellule si differenziano in cellule effettrici, infatti alcune danno vita alle cellule della memoria, le quali hanno una vita media più lunga e sono in maggior numero rispetto alle cellule della prima stimolazione e danno vita ad una risposta secondaria. Nell'ambito della risposta secondaria dobbiamo sottolineare che essa è data da una classe di anticorpi (IgG) dotata di una maggiore affinità nei confronti dell'antigene.

La risposta immunitaria a certi antigeni come i polisaccaridi è timo-indipendente, nel senso che è meno sottoposta all'influenza di questo organo linfoide centrale; essa non dimostra memoria immunologia e la classe di anticorpi sintetizzati è, pure nella risposta secondaria, quella delle IgM (caratteristiche della prima risposta).

Selezione clonale

La selezione clonale implica che ciascun clone è programmato nel suo DNA per produrre recettori tutti uguali tra loro e che reagiscono con un antigene specifico. L'antigene seleziona quindi il suo clone e ne induce la proliferazione. Tutto ciò non può essere valido per gli antigeni self e a questo proposito introduciamo il concetto di tolleranza immunologica. Questa consiste nel fatto che le cellule immunocompetenti vengono a contatto con gli antigeni self (nel timo) durante lo sviluppo, in una fase in cui il sistema immune non ha ancora raggiunto uno stato di maturazione tale da potere produrre una risposta adeguata; al contatto con l'antigene segue l'eliminazione dei cloni potenzialmente autoaggressivi.

Tipi di risposte immunitarie

Le risposte immunitarie sono distinte in umorali e cellulo-mediate e sono date da due diversi tipi di linfociti (B e T).

Le risposte umorali sono caratterizzate dalla liberazione nel sangue e nei liquidi biologici (muco prodotto dalle ghiandole ad esempio) degli anticorpi. Queste sono molecole glicoproteiche la cui eterogeneità è legata alla massa molecolare, al coefficiente di attrito e alla massa elettrica. Oltre che alla funzione anticorpale, le Ig svolgono anche una funzione di regolazione contribuendo a porre fine alla risposta immunitaria.

Le risposte cellulo-mediate, invece, vedono la proliferazione di popolazioni linfocitarie (T) che svolgono la loro azione effettrice o direttamente (CTL che distruggono le cellule bersaglio), o indirettamente (mediante la produzione di citochine che attivano per esempio i macrofagi come detto sopra). La risposta cellulo-mediata è caratteristica delle risposte contro i virus, tumori e rigetto nei trapianti.

In entrambi i tipi di risposte immunitarie la proliferazione e la differenziazione linfocitaria è sotto il controllo di sottopopolazioni di linfociti T detti regolatori. Tra questi distinguiamo i T-helper e i T-suppressor. Si preferisce utilizzare il termine T-inducer al posto di T-helper, per indicare quei linfociti T che portano alla generazione di CTL, o all'attivazione di macrofagi. Il termine T-helper perciò viene usato per quei linfociti T che cooperano con i B.

I linfociti B e T possono essere identificati per l'espressione di markers superficiali di membrana che prendono il nome di clusters di differenziazione (CD). I linfociti T, helper/inducer, sono prevalentemente CD4, mentre i linfociti Ts sono prevalentemente CD8.

Esiste anche una terza popolazione linfocitaria che non riconosce specificatamente il bersaglio e non è clonalmente distribuita. Essa è dotata generalmente di attività citotossica ed ha le caratteristiche morfologiche delle LGL (linfociti granulari grandi). In questa popolazione sono inclusi:

• Linfociti NK: hanno attività citotossica verso le cellule tumorali e le cellule infettate dai virus
• Linfociti K: acquisiscono l'attività citotossica dopo avere legato un anticorpo che serve da ponte tra esse e la cellula bersaglio. In vitro la loro attività viene chiamata ADCC
• Linfociti LAK: acquisiscono l'attività citotossica dopo l'attivazione data dalle linfochine

Struttura delle immunoglobuline (Ig)

Sono costituite da uno o più monomeri e ogni unità monomerica è costituita da due subunità perfettamente uguali tenuti insieme da ponti S-S. Ognuna di queste unità contiene il sito che lega l'antigene ed è costituita da una catena leggera L non glicosilata e da una catena pesante H che lega glucidi. Ogni catena consta di:

• Una regione N-terminale che prende parte alla formazione del sito per l'antigene ed è variabile. La variabilità della regione V è concentrata in tre o quattro segmenti denominati regioni ipervariabili o CDR; le rimanenti regioni hanno una variabilità meno accentuata e prendono il nome di framework
• Una regione C che per la catena H può essere costituita da cinque tipi diversi, ognuna dei quali dà il nome alla corrispondente classe di Ig (G, M, D, A, E), mentre le catene L sono di due tipi (k e λ) indipendentemente alla classe di appartenenza

Catene leggere e pesanti

Oltre ai due principali tipi di catene leggere di cui sopra, esistono alcuni sottotipi (ad esempio λ1, λ2, λ3, λ4). Ogni subunità elementare possiede una coppia identica di catene leggere, cioè non esistono in natura Ig che presentano una catena di tipo k ed una catena di tipo λ.

Al pari dei sottotipi della catena L, esistono sottoclassi di catene H; si parla di sottoclassi quando le differenze tra le catene si aggirano intorno al 10-40%, mentre le classi differiscono tra di loro per circa il 70% della sequenza aminoacidica. Le catene pesanti delle Ig sono glicoproteine il cui numero di residui glucidici varia a seconda della classe. Nel formare una subunità elementare, una coppia di catene pesanti, può associarsi indifferentemente ad una coppia di catene k o λ, ma non è possibile la formazione di subunità costituite da catene pesanti appartenenti a classi o a sottoclassi diverse.

Regioni omologhe e regione cerniera

Le catene polipeptidiche delle Ig presentano delle omologie interne che suddividono la regione costante della catena H in quattro segmenti. Esiste, tuttavia, un segmento peptidico peculiare che non ha omologia con le altre regioni e viene chiamato regione cerniera o regione H. Questo segmento presenta numerosi residui di Pro e Cys e, assumendo una struttura random coil, è flessibile ed esposta all'azione di enzimi proteolitici.

Le catene H ed L sono a loro volta strutturate in unità globulari compatte dette domini ed in particolare la catena L consta di VL e di CL, mentre la catena H consta di quattro o cinque domini, uno V e tre o quattro C. Ogni dominio ha una struttura tridimensionale ripiegata. I domini VH e VL sono più esterni e si affrontano in modo da formare un canale idrofilo che costituisce il sito per l'antigene, mentre gli altri domini sono più ricchi in aminoacidi idrofobi e sono più interni. I domini CL e CH1 hanno la funzione di distanziare il sito dell'antigene dal resto della molecola ed è collegato al CH2 da un tratto disteso della catena H che prende il nome di regione cerniera o “hinge” che conferisce alla molecola una particolare mobilità (struttura ad Y con bracci mobili). La regione cerniera è quella filogeneticamente più recente e non è chiaramente distinguibile nelle Ig più antiche che sono quelle a quattro domini C. Essa è sensibile agli enzimi proteolitici quali la papaina che stacca le due porzioni della molecola che legano l'antigene (Fab) dalla restante parte della molecola (Fc) e la pepsina che fa ottenere un grosso frammento denominato F(ab)’2. Da quanto detto si evince che i frammenti Fab sono monovalenti a differenza dell'immunoglobulina che è bivalente; anche il frammento F(ab)’2 è bivalente.

I ponti S-S possono essere spezzati trattando le Ig con agenti riducenti e si dividono in intermonomerici (si stabiliscono tra due subunità contigue), in intercatenari (è un ponte S-S che si stabilisce tra le catene pesanti e le catene leggere) ed in intracatenari (sono rappresentati da un numero di ponti S-S variabile a seconda della classe o sottoclasse e connette tra loro le catene pesanti). Dopo la riduzione si possono alchilare i gruppi SH ed infine si possono rompere le interazioni non covalenti tramite acidificazione del mezzo.

Ig di membrana ed Ig circolanti

Nel corso della sua maturazione il linfocita B presenta sulla propria membrana gli stessi anticorpi che verranno secreti dalla plasmacellula terminale. Per potere essere espressi sulla membrana tuttavia le Ig devono presentare all'estremità carbossilica della catena pesante una regione idrofoba (peptide m) che può inserirsi nel doppio strato lipidico della membrana. Viceversa, le catene pesanti delle Ig secrete in circolo terminano con un peptide idrofilico (peptide s) che ne permette il loro passaggio in soluzione.

La variabilità della regione variabile non è estesa a tutta la molecola ma è concentrata in alcune porzioni ben definite della catena. I segmenti polipeptidici relativamente invariabili funzionano da intelaiatura e prendono il nome di FW e tra questi sono intercalati segmenti ipervariabili detti regioni HB o CDR (regioni determinanti la complementarità). Le catene leggere k e λ presentano ciascuna un proprio repertorio di regioni V, mentre le catene pesanti delle varie classi attingono ad uno stesso pool di regioni VH e ciò si traduce nel fatto che mentre abbiamo distinto tra Vk e Vλ per quanto riguarda VL non abbiamo fatto la stessa distinzione nei confronti di VH.

Classi e sottoclassi di immunoglobuline

Per classe di Ig si intende una famiglia di molecole caratterizzate da una coppia di catene L e da una coppia di catene H appartenenti ad una delle varie classi di catene pesanti.

• IgG: rappresentano la classe di Ig più abbondanti nel siero e si compone di quattro sottoclassi che differiscono tra loro nella regione cerniera. Le catene presentano un solo residuo glucidico localizzato nella regione CH2 e che ha la funzione di spaziatore, cioè tiene separate le regioni CH2 delle due catene pesanti. Gli anticorpi IgG sono gli anticorpi della risposta secondaria; in virtù della loro abbondanza essi rivestono un ruolo predominante nelle difese dell'organismo contro gli agenti infettivi. Essi passano facilmente i tessuti, per esempio le IgG materne passano attraverso la placenta e quindi nei primi tre mesi di vita rappresentano il principale fattore di difesa del neonato. Gli anticorpi IgG sono opsonizzati e fissano il complemento seppur con una minore efficacia rispetto alle IgM.
• IgM: esse sono formate dalla polimerizzazione di cinque subunità. La catena M dell'uomo è suddivisa in cinque regioni omologhe e, anche se manca una vera e propria regione cerniera, può flettersi a livello della giunzione CH2-CH3. La corretta polimerizzazione delle IgM è assicurata dalla presenza di una peculiare catena polipeptidica, sintetizzata dalla plasmacellula stessa che prende il nome di catena J, la quale si lega agli ultimi quattro aminoacidi del peptide s. Va sottolineato che nonostante sia probabile che la polimerizzazione sia facilitata dalla catena J essa può avvenire anche in sua assenza, pertanto secondo alcuni studiosi il suo ruolo andrebbe rivalutato. Per esempio essa potrebbe essere importante per il legame con il recettore per le Ig polimeriche. Le IgM sono quelle filogeneticamente più antiche e sono anche le prime ad essere sintetizzate dall'embrione. Pertanto nell'adulto rappresentano gli anticorpi della risposta primaria; per le loro dimensioni non passano i tessuti e quindi nemmeno la placenta, mentre passano nelle secrezioni esterne grazie al recettore poliIgR. La loro funzione principale è quella di protezione del circolo sanguigno e di prevenzione delle setticemie: infatti essi sono i più efficaci nell'attivare il complemento e quindi nel causare la crisi batterica, inoltre intervengono nella neutralizzazione dei virus.
• IgA: sono presenti nel siero sia in forma monomerica che polimerica (dimerica nella maggior parte dei casi). Anche la polimerizzazione delle IgA è favorita dalla presenza della catena J. Nell'uomo vi sono due classi di IgA di cui la seconda presenta un'anomalia strutturale: una porzione peptidica è deleta e rappresenta un sito specifico di riconoscimento per le proteasi prodotte da numerosi batteri intestinali: la delezione ha reso le IgA2 più resistenti all'attacco della flora batterica intestinale e ha pertanto rappresentato una mutazione vantaggiosa per la specie umana. Le IgA rappresentano la principale classe di Ig presenti in alcune secrezioni ghiandolari; il passaggio in queste secrezioni è permesso dalla presenza sulle cellule epiteliali ghiandolari di un recettore per le IgA polimeriche. La molecola di IgA, legata dal recettore sulla superficie baso-laterale della cellula, viene inglobata in una vescicola endocitodica e trasportata al polo apicale della cellula. Durante tutto il trasporto, la porzione del recettore legata all'IgA viene scissa dal resto della molecola recettoriale, cosicché nel lume ghiandolare vengono liberati dei complessi IgA-recettore che costituiscono le cosiddette IgA secretorie o SIgA. Il pezzo del recettore che rimane legato all'IgA viene detto componente secretorio SC. Anche le IgM possono essere trasportate con lo stesso meccanismo: per tale motivo il recettore viene più propriamente indicato come poli-IgR, ossia recettore delle Ig polimeriche. Le IgA sono deputate principalmente alle difese delle superfici esterne dell'organismo e un loro deficit si accompagna pertanto a frequenti infezioni respiratorie e gastrointestinali. Sono i più efficaci neutralizzatori virali e possono attivare il complemento tramite la via alternativa. Passando nel latte contribuiscono alla protezione del neonato.
• IgD: esse sono le uniche a presentare un solo ponte S-S tra le catene H: questa peculiarità, assieme alla lunghezza della regione cerniera, rende le IgD particolarmente flessibili e sensibili alla proteolisi. Esse sono presenti solo in tracce nel siero e il loro ruolo è in parte misterioso. Si ritiene che il ruolo più importante sia quello di fungere da recettori per l'antigene a livello dei linfociti B, soprattutto nella risposta primaria.
• IgE: sono le Ig presenti in minore quantità nel siero e presentano quattro regioni omologhe nella regione costante che è priva di regione cerniera. La presenza di due ponti S-S nelle catene H è caratteristica di questa classe di Ig, che sono coinvolte nelle risposte allergiche e di ipersensibilità.