Úvod do imunologie Jiří Litzman Ústav klinické imunologie a alergologie LF MU Brno Imunitní systém • Jeden ze základních homeostatických mechanismů organismů. • Jeho funkcí je udržení integrity organismu rozpoznáním cizorodého /škodlivého pro vlastní organismus. • Imunitní systém má schopnost rozpoznané cizorodé/nebezpečné látky eliminovat. Imunitní systém • Reaguje s cizorodými/nebezpečnými substancemi z vnějšího prostředí (zejména antimikrobiální ochrana). • Účastní se odstraňování starých a poškozených buněk vlastního těla. • Napadá nádorové a viry infikované buňky vlastního těla. Základní projevy imunitního systému • Obranyschopnost • Autotolerance • Imunitní dohled Antigen • Látka rozpoznaná imunitním systémem vyvolávající imunitní reakci – imunogennost (imunogen) • Produkty imunitní reakce (protilátky, Tlymfocyty) mají schopnost s antigenem specificky reagovat. Podmínky imunogenicity • Cizorodost • Dostatečná molekulová hmotnost (> 6 kDa) • Komplexní struktura Antigen – základní složení • Nosičská část molekuly • Antigenní determinanty (epitopy) (cca 5-7 aminokyselin!) Vztah antigenu a epitopu, nosičská část Vztah antigenu a epitopu, nosičská část… Chemické složení antigenů • Proteiny – obvykle výborné imunogeny. • Polysacharidy- jsou dobrými imunogeny zejména jako součást glykoproteinů. • Nukleové kyseliny- špatná imunogenicita, vázána zejména na komplexy nukleových kyselin a proteinů. • Tuky – velmi zřídka se uplatňují jako imunogeny. Nejznámější jsou sfingolipidy. Hapten • Nízkomolekulární látky které vyvolávají imunitní reakci po vazbě na jiné vysokomolekulární látky. • Mají schopnost s produkty imunitní reakce reagovat. • Typickými hapteny jsou některé kovy, vyvolávají IV. (buněčný) typ přecitlivělosti, nebo léky způsobující I. (atopický) typ přecitlivělosti. Imunogenicita haptenu Zkřížená reaktiva antigenů • Produkty imunitní reakce mohou někdy reagovat se substancemi odlišnými než byly spouštěče vlastní reakce. • Imunologická „podobnost“ nemusí vyjadřovat „podobnost“ chemickou. • Stupeň zkřížené reaktivity může být různý. • Zkřížená reaktivita se uplatňuje při patogenezi některých autoimunitních chorob (např. revmatická horečka). • Diagnostické využití – např. Weil-Felixova reakce Zkřížená reaktivita antigenů Vysoká afinita Nízká afinita Ab1 Ag2 Ab1 Ag1 SYSTÉM VROZENÉ IMUNITY SYSTÉM ADAPTIVNÍ IMUNITY Imunitní systém člověka Paul Ehrlich Adaptivní imunita Eli Metchnikoff Vrozená imunita Nobelova cena 1908 PAMPs - Pathogen-associated molecular patterns tj. molekulární motivy (vzory) asociované s patogenitou DAMPs- Damage (Danger) associated molecular patterns – molekulární vzory asociované s postižením buněk těla PRRs - Pattern recognition receptors tj. Receptory na buňkách hostitele, rozeznávající PAMPs, DAMPs Buňky imunitního systému • Hlavní buňky imunitního systému – Lymfocyty (T a B) • Vedlejší buňky imunitního systému – Granulocyty – Monocyty – Tkáňové makrogágy – Mastocyty – Dendritické buňky – NK buňky – Endotelie – Trombocyty, erytrocyty, fibroblasty, epiteliální buňky Roitt/Broskoff/Male: IMMUNOLOGy, 4th ed, 1996 Kostní dřeň jako místo vzniku buněk imunitního systému Vývoj buněk při hematopoese O diferenciaci buněk z kmenové buňky rozhoduje okolní prostředí (včetně růstových faktorů) Nejdůležitější buňky nespecifické imunity derivované z leukocytů Dendritické buňky • Důležitá složka vrozené imunity účastnící se aktivace buněk imunity získané. • Hlavní funkcí je zpracování antigenu a jeho prezentace T-lymfocytům. • Jsou i důležitým zdrojem kostimulačních signálů. • Langerhansovy dendritické buňky se významně uplatňují v přenosu antigenů z epidermis kůže. • Neaktivované dendritické buňky mají i výraznou fagocytární schopnost. Orgány imunitního systému Thymus Primární lymfatické orkány Sekundární lymfatické orgány Kostní dřeň Waldeyerův okruh BALT Lymfatické uzliny Kostní dřeň Slezina Payerovy pláty Mesenterické lymfatické uzliny Lamina propria Urogenitální MALT Lymfatické uzliny Struktura lymfatické uzliny Slezina jako orgán imunitního systému Struktura Payerových plaků High endotelial venules • Specializované venuly, jsou místem kde lymfocyty pronikají z krevního oběhu do stromatu lymfatických uzlin nebo do slizničního imunitního systému. • Jsou na nich adhezivní molekuly umožňující vazbu zejména „naivních“ (panenských) T- lymfocytů. Downloaded from: StudentConsult (on 15 July 2006 09:09 AM) © 2005 Elsevier Řízená migrace lymfocytů do lymfatické uzliny a do tkání Cirkulace lymfocytů v těle, role High Endotelial Venules Roitt/Broskoff/Male: IMMUNOLOGy, 4th ed Mechanismy nespecifické imunity Vrozená (nespecifická) imunita • Stále připravena rozpoznat eliminovat mikroby (PAMPs). • Většinou eliminuje mikroby dříve než se rozvinou mechanismy specifické imunity. • Receptory jsou přímo geneticky determinovány, nejsou produkty rekombinace genů. • Za určitých okolností mohou i vlastní antigenní signály (DAMPs) vyvolat zánětlivou reakci. Význam vrozené imunity „... za přežití obratlovců při infekcích jsou převážně - tj. více než z 90% - odpovědny vrozené, elementární, mechanismy rezistence, mezi něž patří interferonem aktivované makrofágy, polymorfonukleární fagocyty a četné jiné faktory hostitele…“ (Rolf M. Zinkernagel: On differences between immunity and immunological memory, 2002) Průběh infekcí u poruch na úrovni vrozené a získané imunity Deficience vrozené imunity Deficience získané imunity Imunokompetentní organismus SIGNÁLY NEBEZPEČÍ: - EXOGENNÍ (PAMPs) -ENDOGENNÍ (např. STRESOVÉ PROTEINY UVOLNĚNÉ Z NEKROTICKÝCH BUNĚK) Vrozená imunita – poznávané struktury (alarminy) Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMP) (C. A. Jeneway,Jr, 1989) stejné pro skupiny mikroorganismů, konservované, nevariabilní molekulární „motivy“, „signatury“, „vzorce“, nezbytné pro životnost a patogenitu mikroorganismů, odlišné od molekulárních struktur hostitele např. lipopolysacharidy, lipopeptidy, peptidoglykany, manosa povrchových struktur bakterií a hub, nemetylované motivy CpG charakteristické pro bakteriální DNA, dsRNA representující strukturální signaturu RNA-virů Danger, Damage-Associated Molecular atterns (DAMP) (Polly Celine Eveline Matzinger,1994) molekulární struktury hostitele např. HSP60, HSP70, fragmenty fibrinogenu, fibronektin, hyaluronan.. Receptory vrozené imunity („PRR“) V cirkulaci, rozpustné, sekretované: lektin vázající manózu ( MBL), C-reaktivní protein Na buňkách, membránové: zprostředkovávající endocytózu ( např. pro manan na makrofázích) signalizační „Toll-like receptory“, TLR Intracytoplazmatické: „Nucleotide-binding oligomerization domain proteins“, NOD „Retinoic acid inducible gene I“, RIG PAMPs: lipopolysacharid (LPS) peptidoglykany lipoproteiny manany glukany bakteriální DNA Downloaded from: StudentConsult (on 19 July 2006 06:34 AM) © 2005 Elsevier Aktivace buněk cestou TLR a cytokinových receptorů TOLL-LIKE RECEPTORY PAMP jsou důležité v aktivaci dendritických buněk Nespecifické ochranné bariéry lidského těla Systém vrozené imunity Celulární složky Epitelové buňky (antimikrobiální peptidy, cytokiny) Mastocyty (farmakologicky aktivní) Profesionální fagocyty (neutrofilní leukocyty, mononukleární fagocyty) NK buňky (natural killer) Dendritické buňky (prezentace antigenů) Innate lymphoid cells Systém vrozené imunity Humorální složky Mikrobicidní faktory (lysozym, defensiny, kathelicidiny a další) Histamin, eikosanoidy Komplementový systém Pentraxiny (CRP, SAP, PTX3) Kollektiny (MBL, SP-A, SP-B), Fikoliny Cytokiny (Interferony a,b, g, TNFa, IL-1, IL-6, chemokiny) Komplementový systém Všeobecná chakteristika aktivace komplementového systému • Jednotlivé složky jsou v plazmě přítomny v inaktivní formě, jsou aktivovány svým proteolytickým štěpením. • Štěpí se na menší část (označovaná jako a) a větší část (označovaná jako b). • Obvykle část b má také proteolytickou aktivitu, část a zajišťuje další funkce C-systém (chemotaxi, prozánětlivý efekt). • Složky C6-C9 nejsou štěpeny, pouze se vzájemně váží na sebe. Activation of the complement sytsem Aktivace komplementového systému • Klasická cesta: – Komplexy IgG-antigen, IgM-antigen, – C-reaktivní protein • Alternativní cesta – Lipopolysacharid G- bacterií – Buněčná stěna některých bakterií – Buněčná stěna kvasinek (zymozan) – Agregovaný IgA • Lektinová cesta – Manóza a další sacharidy Aktivace komplementu membranolytický komplex klasická cesta C1-INH C1 C4 C2 lektinová cesta MBL MASP 1, 2 C4 C2 alternativní cesta C3b B D P C3 konvertáza C3 C3b C5 C5b C5b C6 C7 C8 C9 C1 C2 C4 C2aC4b C3 C3a C3b C5 C5a C5b C5b, C6, C7, C8 IgG C9 Aktivace klasické cesty komplemntového systému Účinek C9 na buněčnou membránu Alternativní cesta aktivace komplementového systému • Iniciována spontánní aktivací C3 na povrchu některých bakterií (např vlivem LPS) nebo kvasinek (např vlivem zymozanu) • Aktivována složka B • Stabilizace komplexu se účastní složky D a P (properdin) • Vzniká alternativní C3 konvertáza (C3bBb) Aktivace alternativní dráhy komplementového systému C3 C3 C3aC3a B Ba Activating surfaces + proteolysis D, P C3b C3 Convertase C5 Convertase C3b, Bb, C3bC3b, Bb Regulace aktivity komplementového systému • Plasmatické faktory – Klasická cesta – zejména C1-INH (deficit vede k hereditárnímu angioedému). – Alternativní cesta – faktor H (polymorfismy vázány na vznik makulární degenerace sítnice, mutace u části pacientů s hemolyticko-uremickým syndromem), faktor I • Faktory vázané na buňky: – CD59, CD55,CD46 různým způsobem, brání aktivaci komplementového systému. Biologické funkce aktivovaných složek komplementového systému  lýza buněk (mikroorganismů) (MAC)  opsonizace (C3b)  chemotaxe (C5a, C3a)  prozánětlivá aktivita (C3a, C5a)  přenos imunokomplexů (C3b, C4b)  regulace paměťové odpovědi (C3b, C3d) Fagocytóza Downloaded from: StudentConsult (on 19 July 2006 06:34 AM) © 2005 Elsevier Polymorfonukleární granulocyt Profesionální fagocyty imunitního systému • Granulocyty – neutrofilní, částečně i eozinofilní • Monocyty makrofágy: – Kupfferovy buňky, – Mikroglie – Osteoklasty – Makrofágy sleziny, alveolů, vazivové tkáně, sinusů.. • Dendritické buňky (neaktivované) Downloaded from: StudentConsult (on 19 July 2006 06:34 AM) © 2005 Elsevier Vývoj makrofágů z monocytů Downloaded from: StudentConsult (on 19 July 2006 06:34 AM) © 2005 Elsevier Interakce leukocytů s endoteliemi při přechodu leukocytu z cévy do extravaskulárního prostoru Chemotaxiny • Produkty rozpadu buněk • C5a • IL-8, IL-1 • Leukotrieny • Destičky aktivující faktor (PAF) Opsoniny • Látky zlepšují adhesi fagocytující buňky k fagocytované částici. • Specifické: IgG, (IgM pouze nepřímo aktivací komplementového systému) • Nespecifické: C3b, fibronektin, CRP, MBL…. Jednotlivá stadia fagocytózy Adherence fagocytované čáetice k membráně fagocytující buňky Tvorba psudopodií, které postupně obalují fagocytovanou částici Tvorba fagosomu Splynutím fagosomu a lysozomu vzniká fagolysosom Uvnitř fagolysosomu dochází k usmrcení a degradaci fagocytovaného materiálu Nedegradovatelný materiál je uvolněn z buňky Lysosom Zabíjecí mechanismy fagocytujících buněk • Reaktivní metabolity kyslíku (H2O2, hydroxylový radikál (.OH), superoxidový aniont (O2 -), singletovaný kyslík(.O2) • Reaktivní dusíkové metabolity (NO, NO2) • Hydrolázy: proteázy, lipázy, DNAsy • Nízké pH • Lysozym • Lactoferin • Defenziny – antimikrobiální polypeptidy Přirození zabíječi (NK buňky) • Morfologicky se jedná o velké granulované lymfocyty (LGL). • Vznikají v odlišné linii než T a B- lymfocyty. • Nově jsou řazeny mezi innate lymphoid cells ( ILC). • Rozpoznání cílové buňky je antigen nespecifické. Záleží na vzájemném poměru aktivačních a inhibičních signálů na povrchu cílové buňky. • Nejdůležitějším negativním signálem stimulace KIR – killer inhibitory receptors. • Nejdůležitějším ligandem KIR je exprese (nepozměněných) HLA-I antigenů na povrchu cílové buňky. • Aktivační stimuly: například adhezívní (např. lektiny), receptor FcγIII receptor (CD16). Přirození zabíječi (NK buňky) • NK buňky jsou namířeny zejména proti nádorovým a viry infikovaným buňkám. • Vrchol odpovědi NK-buněk je již během několika hodin po primární infekci jako součást indukované vrozené imunitní reakce • Mechanismy cytotoxicity jsou stejné jako u Tc lymfocytů. • Důležitým stimulačním cytokinem je IL-12 (jako produkt aktivovaných makrofágů) IFN-a,b, IL-2, IL-18 • Jsou důležitým zdrojem prozánětlivých cytokinů – IFNg, IL-3, TNF-a Antibody dependent cellular cytotoxicity (ADCC) Fc receptor Buňka infikovaná virem NK Cell perforin granzyne Ig GFa b Fc Cizorodý epitop Fc receptor Usmrcení virem infikované buňky Large granulated lymphocyte Interferony (IFN) • Typ 1: IFN a, IFN b - jsou produkována některými buňkami infikovanými viry (hlavně fibroblasty, granulocyty). V cílové buňce inhibují virovou replikaci. • Typ 2 - „Imunní“: IFN g: produkován aktivovanými TH1 buňkami, NK buňkami, způsobuje především aktivaci makrofágů. • Interferony 3. typu - IFN l - IL28A,B, IL-29 – podobné IFN-I Mechanismus účinku interferonu (IFN) Virus Viral nucleic acid New viruses Antiviral proteins block viral reproduction Interferon molecules produced Interferon binding simulates cell to turn on genes for antiviral proteins Host cell 1 • Infected by virus • Makes interferon • Is kiled by virus Host cell 2 • Entered by interferon from cell 1; • Interferon induces changes that protect it Defensiny • Malé (18-45 aminokyselin) kationické proteiny, bohaté na cystein. • Polypepticy účinné proti řadě bakterií, plísní ale i některým virům. • Jsou produkovány především neutrofilními granulocyty a epiteliálními buňkami. Producenty mohou být ale i in buněky, T-lymfocyty. • Nacházejí se v řadě extracelulárních tekutin, včetně např. mateřského mléka. • Hlavním mechanisme je porušení integrity buněčné membrány, včetně tvorby pórů v membráně. • Dělí se na skupiny defensinů a a b. Lysozym • Enzym katalyzující rozklad polysacharidových řetězců v buněčných stěnách G+ baktérií. • Přítomen v granulích granulocytů, plazmě, sekretech Zánět Zánět • Jedná se o rychlou odpověď organismu na poškození tkání nebo infekci • Hlavní roli hrají složky nespecifické imunity • Hlavní události v místě zánětu – Vznik vasoaktivních a chemotaktických látek, často produktů aktivace komplementového systému. – Zvýšený přítok krve do místa zánětu. – Příliv zánětotvorných buněk, zejména granulocytů a makrofágů. – Zvýšená cévní permeabilita vede k přechodu bílkovin do extravaskulárních prostorů. ZÁNĚT Induktory: exogenní: mikrobiální (PAMP, faktory virulence) nemikrobiální (alergeny, iritancia, cizí materiály,toxické sloučeniny) endogenní: signály ze stresovaných, malfunkčních, poškozených tkání, produkty rozkladu extracelulární matrix (DAMP) Iniciace zánětlivé odpovědi Poškozené buňky Bakterie 1 . 2 . 3 . Fagocyty Poškození buněk a aktivce komplementu vede k uvolnění chemotaktických a vasoaktivních substancí a přílivu krve do místa poškození Histamin způsobuje zvýšenou permeabiliotu kapilár a následný průnik fagocytujíích buněk Fagocytující buňky ničí bakterie, mrtvé buňky a buněčnou drť, což postupně vede k tkáňové reparaci C3a C5a Lokální mediátory zánětu • Vasoaktivní aminy – histamin, serotonin - uvolněné z poškozených buněk, stimulovaných mastocytů. • Produkty kininového systému, komplementového systému, koagulačního systému. • Metabolity kyseliny arachidonové leukotrieny, prostaglandiny 5-HETE • Platelet activating factor • Produkty mononocytů, neutrofilů: IL-1, TNF-a, IL-6, IL-18, chemokiny, NO, • Produkty aktivovaných lymfocytů - TNF-a, IL-6, IFN-g, chemokiny Celkové příznaky zánětu • Vznikají zejména pod působením IL-1, IL-6, TNF-a • Teplota • Únava, ospalost, ztráta chuti k jídlu • Laboratorní známky: leukocytóza, zvýšená FW, zvýšené hladiny reaktantů akutní fáze, snížené hladiny železa a zinku v plazmě. Proteiny akutní fáze • Jejich hladina se zvyšuje v dob akutního zánětu • Jsou produkovány hlavně játry pod vlivem IL-1, IL-6, TNF-a • Nejznámější a diagnosticky nejčastěji využívaný: C-reaktivní protein (CRP) • Další: součásti komplementového systému, alfa-1-antitrypsin, sérový amyloid A, fibrinogen… C-reaktivní protein • Váže se na fosfatidylcholin buněčných membrán. • Aktivuje klasickou cestu komplementu, působí opsonizačně. • Produkován po zánětlivém stimulu zejména játry. • Rychlý vzestup (1-2 dny), poločas kolem 24 hodin – je dobrým monitorem zánětlivého procesu. • Hladiny jsou zvýšeny při infekčních ( hlavně bakteriálních) ale i neinfekčních zánětech (operace, úraz, infarkt myokardu…!) ZÁNĚT Patologické následky: Zánětlivé poškození tkání, autoimunisace, systémová zánětlivá reakce. Fibrosa, metaplasie, růst tumoru. Změna homeostatického nastavení, autoinflamace Nejdůležitější léky využívané k tlumení zánětlivých procesů • Nesteroidní antiflogistika (antirevmatika): kyselina acetylosalicylová, paracetamol… • Glukokortikoidy • Antimalarika • Monoklonální protilátky proti prozánětlivým cytokinům a adhezivním molekulám.