Imunologie v zubním lékařství
3/2018
Zánět jako komplexní reakce systému vrozené imunity
Indukce a rozvoj adaptivních imunitních reakcí
Imunologická paměť
(prof. J. Lokaj)
Tři fáze imunitní reakce
• Neindukovaná, nespecifická reakce
Bezprostřední, během 0-4 hodin: preformované
faktory (kožní a slizniční bariéry, pH, lysozym a jiné
enzymy)
• Indukovaná, omezeně specifická reakce
Odvíjí se během 4- 96 hodin: aktivace
komplementového systému, fagocytóza, cytotoxicita,
zánětlivá reakce
• Indukovaná adaptivní reakce-specifická
po 96 hodinách: tvorba protilátek, efektorové
lymfocyty T (Tc, Th)
Zánět
• základní, geneticky zakonzervovaná, obranná reakce mnohobuněčných
organismů na infekční i jiné podněty, součást efektorových mechanismů
adaptivní imunity.
• stereotypní v průběhu (induktory – sensory – mediátory – efektory).
• univerzální ve svém směrování (cílem je aktivovat děje, které směřují
k likvidaci škodliviny, ale současně i k obnově poškozených struktur a
funkcí).
• při nadměrné aktivaci nebo abnormální regulaci dochází k poškození
vlastních buněk, tkání, orgánů, systémů; zánět pak chorobnou změnu
přímo vyvolává nebo k ní přispívá.
Klasické projevy zánětu
Aulus Cornelius CELSUS, Rudolf VIRCHOW
„bloudivé buňky mesodermální pohlcují jak zbytečné části
samotného těla živočichů, tak cizí tělesa, která pronikla zvenku nebo,
je-li to nemožné, aspoň je obklopují a zadržují“ (I.I.Mečnikov)
Fagocyty: makrofágy a mikrofágy
Mečnikovova koncepce
„fyziologického zánětu“
• Zánět je způsobem a zárukou udržování identity a integrity
organismu.
• Organismus je „dysharmonickou entitou“ a musí se snažit
dosáhnout stavu „harmonie“, jejímž výrazem je zdraví.
• Harmonizujícím procesem je fyziologický zánět, výkonnými
buňkami jsou fagocyty.
R.Medzhitov: Inflammation 2010: New Adventures of an Old Flame
Zánětlivá reakce při udržování stálosti
vnitřního prostředí organismu
• Fyziologický stav tkáně: homeostáza
• Stres, malfunkce: parainflamace
• Poškození, infekce: inflamace
(Medzhitov,R: Nature 2008; 454: 428-435)
Ruslan Medzhitov,
původem Taškent, Uzbekistan,
žák prof. Janewaye
ZÁNĚT
Indukce zánětu:
infekce
poškození tkání
stres nebo funkční porucha buněk
ZÁNĚT
Induktory:
exogenní:
mikrobiální (PAMP, faktory virulence)
nemikrobiální (alergeny, iritancia, toxické sloučeniny,
cizí materiály, implantáty)
endogenní:
signály ze stresovaných, malfunkčních, poškozených
tkání, produkty rozkladu extracelulární matrix, DAMP
ZÁNĚT
Fyziologický účel:
Obrana hostitele proti infekci
Reparace poškozené tkáně
Adaptace na stres, obnovení homeostázy
ZÁNĚT
Patologické následky:
Zánětlivé poškození tkání, systémová zánětlivá reakce
autoimunizace.
Fibróza, metaplazie, růst tumoru.
Autoinflamace.
Mediátory zánětlivé reakce
• IL-1, IL-6, TNF-a - celkové zánětlivé příznaky
• IL-1, TNF-a, IL-18 - lokální aktivace buněk imunitního
systému
• IL-8, leukotrieny, prostagladiny, C5a- chemotaxe.
• Histamin, serotonin, metabolity kys. arachidonové vazodilace,
ovlivnění permeability.
Celkové příznaky zánětu
• Uplatňuje se zejména vliv IL-1, IL-6 a TNF-a.
• Ovlivěním hypotalamického centra se zvyšuje tělesná teplota.
• Zvyšují se hladiny plazmatických “proteinů akutní fáze”.
• Klesá sérová hladina Fe a Zn.
• Objevuje se únavnost, nechutenství.
Monitorování akutního zánětlivého procesu
• Tělesná teplota
• Sedimentace erytrocytů (FW)
• Počet leukocytů v krvi
• Změny spektra sérových bílkovin
v elektroforéze (pokles albuminu, vzestup a1 a a2
globulinů)
• Sledování hladin proteinů “akutní fáze”
Proteiny “akutní fáze”
Produkovány játry po stimulaci prozánětlivými cytokiny
(IL-1, IL-6, TNFa)
• C-reaktivní protein (CRP)
• Sérový amyloid A
• Alfa-1-antitrypsin
• Orosomukoid (alfa1- kyselý glykoprotein)
• Prealbumin
• Prokalcitonin
• Fibrinogen
• Složky komplementového systému
Změny v koncentraci proteinů akutní fáze při zánětu
(N E J Med 1999;340(6):448-454)
Farmakologické ovlivnění zánětlivé odpovědi
• Blokáda tvorby metabolitů kyseliny
arachidonové: nesteroidní antiflogistika
• Blokáda tvorby cytokinů, odpovídavosti na
cytokiny, exprese adhezivních molekul:
glukokortikoidy
• Ovlivnění chemotaxe a dalších stádií fagocytózy:
antimalarika
• Blokáda TNF-a monoklonálními protilátkami
Molekulární podstata rozvoje zánětu
• INFLAMASOM
multiproteinový komplex tvořený NLRP3 (PRR), adaptorovým
proteinem ASC a proteolytickým enzymem, kaspázou-1, aktivujícím
IL-1beta a IL-18
• KOMPLOSOM
intracelulární složky komplementu (C3, C3a, C5, C5a, C3aR, C5aR)
interagují s inflamasomem
Arbore G, Kemper C, Kolev M:
Intracellular complement- the complosome – in immune regulation.
(Molecular Immunology 2017; 89: 2-9)
IMUNITA VE STÁŘÍ
Biologický proces stárnutí je provázen poklesem
imunity, zvýšeným výskytem běžných infekčních
nemocí, vyšší prevalencí maligních nádorů,
chorob autoimunitních a chronických, slabší
odpovědí při vakcinaci.
Odhaduje se, že v roce
2050 bude v rozvinutých
zemích 25% lidí nad 65 let;
světová populace dosáhne
počtu 9 miliard.
IMUNOSENESCENCE
S věkem imunitní systém postupně chřadne.
Podstatou „imunosenescence“ je dysregulace
imunitního systému, na níž se podílí involuce
primárních imunologických orgánů i vnitřní
defekty tvorby, zrání, migrace, homeostázy
buněk imunity a jejichž příčinou jsou i změny
epigenetické
Stárnutí je spojeno s chronickým
prozánětlivým stavem („inflammaging“).
Inflammaging
• Charakteristický znak imunosenescence.
• Chronický, mírný, sterilní zánět; význam zmnožení „DAMP“.
• Zvýšení produkce pro- i protizánětlivých cytokinů (IL-6, TNFa,
IL-1b, IFNg, IL-10) především mononukleárními fagocyty, ale též
buňkami svalové a tukové tkáně a v neposlední řadě starými
buňkami s charakteristickým, se senescencí asociovaným
sekrečním fenotypem.
Franceschi C et al: Inflamm-aging. An evolutionary perspective on immunosenescence.
(Ann NY Acad Sci 2000; 908: 244- 254)
Franceschi C et al: Inflammaging and „Garb-aging“.
(Trends Endocrinol Metab 2017; 28: 199-212)
Horror
autoinflammaticus
Edward Munch:
„The Scream“
1893–1910
Autoinflamace
McDermott MF et al.: (Cell 1999; 97: 133- 144)
Manthiram K et al.: The monogenic autoinflammatory
diseases define new pathways in human innate immunity
and inflammation (Nature Immunology 2017; 18: 832- 842)
Autoinflamační syndromy
• Onemocnění s abnormálně vysokou zánětlivou reakcí, která je důsledkem
geneticky podmíněných dysregulací v systému vrozené imunity. V poslední
době jsou řazeny mezi primární imunodeficience.
• Jsou to vzácná onemocnění začínající většinou v dětském věku a projevují
se kolísavými nebo opakujícími se epizodami horečky a zánětů serózních
povrchů, kloubů, kůže, očí – infekční příčina není zjištěna, autoprotilátky
nejsou přítomny.
• Př.: familiární středomořská horečka, syndrom hyperimunoglobulinemie D
(deficience mevalonát kinázy), periodická horečka s afty, faryngitidou a
krční adenitidou (PFAPA) a další.
• U řady těchto chorob jsou též orální manifestace (aftózní ulcerace).
Autoinflamace a autoimunizace v patogenéze chorob
(Peckham D et al.: The burgeoing field of innate immune-mediated disease and autoinflammation.
J Pathol 2017; 241: 123 – 139)
Syndrom PFAPA: „periodic fever, aphthous stomatitis,
pharyngitis, cervical adenitis syndrome“ (Marshallův syndrom)
Ataky začínají zpravidla před 5. rokem, častěji jsou u chlapců.
Horečky v měsíčních intervalech (39 st. C, trvají 3-6 dnů).
Exudativní faryngitida a tonsilitida s negativním nálezem
bakteriologickým (72%).
Cervikální lymfadenitida (88%).
Aftózní stomatitida (u 40-70% pacientů).
Mezi epizodami úplně asymptomatické období.
Rychlá odpověď na jednu dávku glukokortikoidů ( 60 mg
prednisonu), příznivý terapeutický účinek má i cimetidin (H2antihistaminikum)
nebo tonsilektomie.
Zánět a nemoci parodontu
•Gingivitis: zánět dásní, pojivová tkáň přiléhající k zubům zůstává
intaktní
•Parodontitis: zánět podpůrných pojivových tkání zubů s progresivním
uvolněním a destrukcí kosti
Iniciální zánět v parodontu je fyziologickým obranným
mechanismem namířeným proti mikroorganismům. Destruktivní
fáze znamená přechod gingivitidy v parodontitidu.
Sepse
• Celosvětově velmi závažný zdravotnický problém (odhaduje se, že je
ve světě ročně 31,5 milionů pacientů se sepsí, 19,4 milionů s těžkou
sepsí a že v důsledku sepse zemře 5,3 milionů osob (Fleischmann C. et
al. 2016).
• Ústředním patofyziologickým mechanismem je silná aktivace systému
vrozené imunity a nadměrná zánětlivá reakce, uvolnění cytokinů,
chemokinů, aktivace fagocytů, komplementového systému,
koagulačního systému a současně výrazná imunosuprese na úrovni
fagocytů, buněk předkládajících antigenů i lymfocytů CD4+ a CD8+.
• Výzkumné projekty k terapii sepse jsou zaměřeny jak na protizánětlivé
tak na imunostimulační preparáty.
Definice sepse
(2016 Third International Concensus for Sepsis and Septic Shock)
SEPSE:
• život ohrožující dysfunkce orgánů, která je způsobena dysregulací reakce
hostitele na infekci
• dysfunkce orgánů může být učena jako akutní změna celkového skóre
SOFA (the sequential organ failure assesment) o 2 body a více.
SEPTICKÝ ŠOK:
• sepse, kdy základní cirkulační a buněčné nebo metabolické abnormality
výrazně zvyšují mortalitu
• klinicky definován jako sepse s přetrvávající hypotenzí, která vyžaduje
vasopresory udržující arteriální tlak na 65 a více mmHg, a koncentrací
laktátu v séru nad 2mmol/L.
Indukce a rozvoj adaptivních
imunitních reakcí
Adaptivní imunita: specifičnost
Všechny fáze adaptivní imunitní reakce (poznání
antigenu, aktivace lymfocytu, efektorové
mechanismy) jsou zaměřeny na konkrétní
antigenní determinantu (epitop)
Lymfocyt má genetickou informaci pro jeden
„antigenní receptor“ zajišťující tvorbu tisíce
identických kopií tohoto receptoru.
Rozpoznávání cizorodých struktur imunitním systémem
Vrozená imunita:
• receptory rozeznávající molekulární
• signaturu („archetopy“, např. PAMPs) –
• „pattern recognition receptors“ (PRR)
Adaptivní imunita:
• molekuly MHC I. a II. třídy (HLA)
• receptory lymfocytů T (TCR)
• receptory lymfocytů B (BCR)
ANTIGEN – adaptivní imunita
(Antibody generating substance)
• Struktury, na něž reaguje adaptivní imunitní
systém.
• Receptory lymfocytů B a T poznávají epitopy
antigenů. epitopy B: sekvenční i konformační
na nativní molekule, epitopy T: většinou
lineární peptidy tvořené intracelulárně.
Antigennost vs. imunogennost
Receptor lymfocytů B (BCR)
(IgM, IgD)
Receptor lymfocytů T (TCRab, TCRgd)
Populace lidských dendritických buněk
• Myeloidní (dermis, dýchací cesty, střevo, thymus,
slezina, játra, lymfoidní tkáně)
• Plasmacytoidní (lymfoidní orgány, játra, plíce,
kůže)
• Langerhansovy (epidermis, slizniční epitel)
presentace antigenů – adaptivní imunitní reakce,
podpora vrozené imunity (interakce s NK, NKT,Tgd)
Transport antigenů dendritickými buňkami
Indukce imunitní reakce závisí na tom, zda se
antigen dostane do lymfoidních orgánů v
dostatečném množství a zůstane tam dostatečně
dlouhou dobu.
Jestliže se antigen do lymfoidních orgánů
nedostane, je imunitními buňkami ignorován.
Pro transport antigenu z periferie do lokálních
organizovaných lymfoidních tkání jsou kriticky
významné buňky předkládající antigen.
Rolf M. Zinkernagel et al.:
Antigen localization regulates immune responses in a dose- and time- dependent fashion:
a geographical view of immune reactivity
Immunological Reviews 1997; 156: 199-209
Imunizace
Antigennost vs. imunogennost
1. Signál : Epitop – receptor buněk B, T (BCR,TCR)
2. Signál : „kostimulace“, „kosignály“
adhesivní molekuly,
cytokiny – (fagocyty, APC, lymfocyty T)
fragmenty komplementu - C3d
Downloaded from: StudentConsult (on 15 July 2006 09:09 AM)
© 2005 Elsevier
Imunologické adjuvans
• Zesiluje, udržuje a směruje imunogennost
antigenu.
• Účinně moduluje imunitní reakci.
• Redukuje potřebné množství antigenu i nutnost
opakovaného podání.
• Zvyšuje účinnost vakcín především u novorozenců,
starých osob i nemocných s podlomenou imunitou.
•Má ale také schopnost prolomit přirozenou
imunologickou toleranci
Antigeny aktivující lymfocyty B
Thymus-independentní, typ 1 a 2
Typ 1: polyklonální aktivátory, mitogeny,
stimulují B-bb nespecificky
Typ 2: polysacharidy bakterií, aktivace je
specifická
(především IgM, nízká afinita, krátká paměť)
Thymus-dependentní
Proteiny, glykoproteiny. Vyžadují kooperaci T-B.
(IgM, IgG, IgA, vysoká afinita, dlouhodobá paměť)
Aktivace B lymfocytů a produkce Ig
• Ag se váže na membránový IgM a IgD receptor zralého naivního Blymfocytu
– aktivaci buňky
• Aktivace vede k proliferaci Ag specifických B-lymfocytů, k jejich
diferenciaci a vzniku paměťových a plazmatických buněk
• Jediná buňka během jednoho týdne může vyprodukovat více než
5000 plazmatických buněk, které sekretují více než 1012 molekul Ig za
den
PROLIFERACE A DIFFERENCIACE LYMFOCYTŮ B
Isotypový přesmyk
Somatická hypermutace
Presentace antigenů lymfocytům T
• T-lymfocyty poznávají antigeny pouze ve formě peptidových
fragmentů vázaných na MHC I nebo II (fenomen MHC-restrikce
neboli syngenní preference).
• Antigen musí být nejdříve v buňkách presentujících antigen „zpracován“
(processing)- nativní protein je proteolyticky degradován na peptidy, které
se (intracelulárně) váží na molekuly MHC. Tento komplex se dostává na
buněčnou membránu, kde je schopen reagovat s TCR lymfocytů T.
• T-lymfocyty jsou schopny poznávat i lipidové a glykolipidové struktury: je
to populace NK-T, která poznává tyto antigeny „neklasickými molekulami
MHC“ – CD1
• Imunogennost proteinových antigenů je podmíněna schopností buněk předkládajích
antigen vytvořit peptidy, které se budou vázat na vlastní molekuly MHC.
Downloaded from: StudentConsult (on 18 July 2006 08:13 AM)
© 2005 Elsevier
Imunologická paměť
„Adaptivní změny jsou vázány s obecnou schopností
biologických systémů zapamatovat si prožitou
zkušenost a účinněji reagovat na opakované
podněty kvantitativní i kvalitativní změnou“.
Jaroslav Šterzl: Imunitní systém a jeho fyziologické funkce
(Česká imunologická společnost, Praha, 1993)
Jaroslav Šterzl 1925-2012
Obsah a rozsah pojmu „imunologická paměť“ se vyvíjí –
imunologická paměť se netýká pouze adaptivní imunity,
jisté rysy paměti lze vidět i u imunity vrozené.
Farber DL, Netea MG, Radbruch A, Rajewsky K, Zinkernagel RM:
Immunological memory: lessons from the past an a look to the future
(Nature Reviews Immunology 2016; 16: 124 -128)
_______
Chester KS: The problem of acquired physiological immunity in plants. (Q Rev Biol 1933; 8: 275 – 324)
„Paměťové stopy“ v systému vrozené imunity
Trained immunity Innate immune memory Inflammatory memory
Hromadí se důkazy, že buňky systému vrozené imunity
(makrofágy, buňky NK) po infekci nebo vakcinaci mění své
funkční programy; vykazují vyšší a dlouhodobější odpovídavost
na sekundární stimuly. Tedy i komponenty systému vrozené
imunity mají adaptivní schopnosti.
Tyto vlastnosti jsou podmíněny jejich epigenetickým
reprogramováním po stimulaci exogenními i endogenními
faktory.
Biologický význam: např. nespecifické protekční účinky
(vakcinací), poškozující důsledky nepatřičné aktivace
(imunologická paralysa, autoinflamační procesy, ateroskleróza).
F.M. Burnet, F. Fenner:
The production of antibodies
(Macmillan, Melbourne, 1949)
Phage C16 (rabbit – i.v.)
Staphylococcal toxoid
Imunologická paměť
Downloaded from: StudentConsult (on 15 July 2006 09:09 AM)
© 2005 Elsevier
Paměť lymfocytů B
Aktivace lymfocytů B:
• v lymfoidních folikulech sekundárních lymfatických orgánů se diferencují krátce
žijící plasmatické buňky, které se dostávají do kostní dřeně a do sleziny, kde tvoří a
produkují specifické protilátky
• v zárodečných centrech lymfatických orgánů se zároveň formují buňky
paměťové. Především to jsou dlouho žijící plasmatické buňky, které se dostávají do
kostní dřeně a kontinuálně tvoří protilátky. Druhým typem paměťových buněk jsou
centrální paměťové buňky, které zůstávají v sekundárních lymfatických orgánech,
mírně proliferují, netvoří protilátky, ale mohou nahrazovat hynoucí dlouho žijící
plasmatické buňky a po setkání se specifickým antigenem rychle přecházet do
stadia krátce žijících plasmatických buněk.
Paměť lymfocytů T
Aktivace lymfocytů T:
• naivní T-lymfocyty jsou aktivovány, proliferují a diferencují se jako efektorové
lymfocyty T, které v tkáních působí proti specifickému antigenu jednak přímo, jako
cytotoxické lymfocyty T, jednak nepřímo, prostřednictvím cytokinů; asi 90% z nich
pak podlehne apoptóze
• některé z efektorových lymfocytů T zůstávají v tkáních v blízkosti místa vniku
antigenu, jsou schopny rychlé reaktivace, proliferace a účinku – označují se jako
efektorové paměťové buňky.
• část z aktivovaných T-lymfocytů zůstává v sekundárních lymfatických
orgánech jako tzv. centrální paměťové buňky T. Po opakovaném střetu s
antigenem jsou rychle aktivovány, proliferují a diferencují se v efektorové
elementy, některé v lymfatických orgánech zůstávají.
PAMĚŤOVÉ BUŇKY T
• Centrální paměťové buňky (CCR7+, CD62L+)
jsou v sekundárních lymfatických orgánech, vykazují nízkou cytolytickou
aktivitu a omezenou schopnost migrace; jsou nejúčinnější při systémových
infekcích
• Efektorové paměťové buňky (CCR7-, CD62-)
jsou v nelymfoidních tkáních (plíce, tuková tkáň), jsou cytolytické a mají
výrazný cirkulační potenciál; jejich lokalizace umožňuje bezprostřední
reakci na infekce v periferních tkáních
Vlastnosti adaptivních paměťových buněk
• Množství antigen-specifických paměťových buněk je asi tisíckrát vyšší
než původních (z 1:106 na 1: 103)
• Paměťové buňky T i B jsou snadněji aktivovatelné
• Paměťové buňky B nesou isotypový přesmyk (IgM-IgG,IgA, IgE) a jejich
receptory vykazují vyšší afinitu způsobenou somatickou hypermutací
• V populaci buněk T není ekvivalent dlouho žijících paměťových buněk B
• Receptory buněk T nepodléhají somatickým hypermutacím
Paměť adaptivního imunitního systému je „osobní“:
každý z nás si zapamatoval jen to, s čím se setkal
Imunologická paměť a vakcinace
The Global Alliance for Vaccines and Immunization (GAVI)
• Více než 10 milionů dětí zemře do svých pěti
let; z nich 1,5 milionu na choroby, jimž lze
zabránit vakcinací.
• Ve všech věkových skupinách zemře 2 miliony
lidí na choroby, kterým lze předejít vakcinací.
• Meningokokové, pneumokokové a rotavirové
infekce, proti nimž se vakcíny v současné době
vyvíjejí, jsou příčinou smrti 2 milionů lidí.
(údaje z WHO, 2002)
Vakcinace je hodnocena z medicínského
i ekonomického pohledu jako jeden z
nejefektivnějších způsobů prevence vzniku
a šíření infekčních chorob.
Na individuální úrovni chrání jedince před onemocněním.
Na populační úrovni (kolektivní imunita daná vysokou
proočkovaností populace) brání šíření infekčních agens a
ochrání i neočkované osoby.
Za počátek imunologie lze označit objevnou metaforu s
generativní schopností: lidskou tvář s jizvami po černých
neštovicích.
Bylo nápadné, že jizvy jsou odrazem stavu odolnosti proti
nové atace onemocnění.
Ali Maov Maalin,
Merka Town, Somalia
26. 10. 1977
Poslední nemocný
na světě s přirozeně
vzniklou variolou.
On 9th December 1979, the W.H.O. officially declared
smallpox to be completely eradicated