Trendy v imunologii 2019 J. Lokaj ÚKIA LF MU Brno (18. 11. 2019) Lidský genom a Mikrobiom Imunitní systém Endokrinní systém Nervový systém SEBEUDRŽOVÁNÍ Faktory prostředí a životní styl Mikroorganismy metabolismus SYSTÉM VROZENÉ IMUNITY SYSTÉM ADAPTIVNÍ IMUNITY Imunitní systém člověka • • Imunitní mechanismy • zajišťující vrozenou a adaptivní imunitu • • jsou integrovány, • doplňují se a jsou na sobě závislé, • tvoří funkční celek • • Koncepce spojeného, jednotného • imunitního systému • Imunitní systém je součástí fyziologického řádu organismu nervový systém metabolismus endokrinní systém IMUNITNÍ SYSTÉM genom mikrobiom epigenetické vlivy Nové paradigma v imunologii •Janeway CA, Jr.: •Approaching the asymptote? •Evolution and revolution in immunology. •(Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 1989;54: 1-13) • •vrozený imunitní systém poznává (infekční) původ antigenu • „pattern recognition theory“ • •adaptivní imunitní systém odlišuje specifičnost antigenu • „clonal selection theory“ • • • Jedním z nejvýznamnějších objevů •v imunologii je průkaz a charakterizace •receptorů („senzorů“), zakodovaných •v zárodečné linii. • • Pattern – recognition receptors (PRR) Receptory vrozené imunity („PRR“) •V cirkulaci, rozpustné, sekretované: • lektin vázající manózu ( MBL) •Na buňkách, membránové: • zprostředkovávající endocytózu ( např. pro manan na makrofázích) • signalizační „Toll-like receptory“, TLR •Intracelulární: • „Nucleotide-binding oligomerization domain proteins“, NOD • „Retinoic acid inducible gene I“, RIG • PRR- Pattern Recognition Receptors •TLR (Toll-like receptor): TLR1 -11 • v buněčné membráně (např. TLR2, 4) • v endosomech ( TLR3, 7, 9) •RLR (RIG-I-like receptor): • intracelulární (reakce s viry, tvorba IFNa) •NLR (Nod-like receptors): např. NOD2,NALP3 • v cytoplasmě, složky inflamasomů •CLR (C-type lectin receptor) • poznávají nekrotické buňky, manosové zbytky Nezapomínejme na „komplement“! • •Komplementový systém je archetypový imunosensor („PRR“), který poznává strukturální motivy a signatury mikroorganismů i hostitele, “patterns“, „archetopy“, které spouští kaskádu jeho aktivace. Aktivace komplementového systému Alternativní dráha aktivace komplementu Properdin jako imunoreceptor: Properdin zahajuje aktivaci tím, že se nekovalentně váže na terčové struktury (zymosan, Neisseria gonorrhoeae, králičí erytrocyty) pak angažuje solubilní C3b Lektinová dráha aktivace komplementu MBL – MASP – C4–C2–C3 … MBL (manose-binding lectin) Reaguje především s terminálními zbytky manosy, ale i jiných cukrů, např. N-acetyl-D-glukosaminem. Klasická dráha aktivace komplementu C1q – imunokomplexy (Fc-Ig) CRP vázaný na ligand fosfatidylserin v membráně apoptotických buněk, některé viry a G- bakterie Vrozená imunita – poznávané struktury: PAMP • • •Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMP) • () •- 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 • • • • C. A. Jeneway Jr, 1989 Vrozená imunita – poznávané struktury: DAMP Danger, Damage-Associated Molecular atterns (DAMP) endogenní molekulární struktury hostitele uvolňované při apoptóze nekróze, poškození buněk HMGB1 (high mobility group box 1) eCIRP (extracellular cold-inducible RNA-binding protein) Histony ATP, Kyselina močová Jaderná i mitochondriální DNA C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\Polly_&_Annie.jpg Polly Celine Eveline Matzinger,1994 C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\beutler.jpg C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\hoffmann.jpg C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\steinman.jpg Bruce A. Beutler Jules A. Hoffmann Ralph M.Steinman The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2011 for the discoveries concerning the activation of innate immunity (Beutler, Hoffmann), for the discovery of the dendritic cell and its role in adaptive immunity (Steinman) 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) C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\R. Medzhitov.jpg Ruslan Medzhitov, původem Taškent, Uzbekistan, žák prof. Janewaye 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) nri.2016.90-f1.jpg C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\aging.jpg 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. Podle UNPD počet starých osob vzroste z 600M v současné době na 2B v r. 2050.V rozvinutých zemích bude více než 25% starších 65 let. 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 •Zvýšení pro- (IL-6, TNF alfa, IL-1 beta) i proti-(IL-10) zánětlivých cytokinů, • tvořených především mononukleárními fagocyty, ale též • buňkami svalové a tukové tkáně a v neposlední řadě starými • buňkami s charakteristickým, se senescencí asociovaným • sekrečním fenotypem. • • • • (Franceschi et al: Ann NY Acad Sci 2000; 908: 244- 254 • Franceschi et al: Trends Endocrinol Metab 2017; 28: 199-212) • Horror autoinflammaticus C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\Munch_Scream.JPG 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 •Poruchy s abnormálně zvýšenou zánětlivou reakcí, které jsou zprostředkovány především buňkami a molekulami systému vrozené imunity u predisponovaných organismů •Jsou důsledkem nadměrné produkce anebo biologické aktivity zánětlivých mediátorů (především IL-1beta) nebo chybění endogenních inhibitorů. •Př.: familiární horečka středozemního moře, kryopyrinopatie, hyperimunoglobulinemie D, syndromy periodických horeček…. 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) Dochází v systému vrozené imunity k adaptivním změnám? Existuje paměť i na úrovni vrozené imunity? „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 C:\Users\Uživatel\Pictures\FOTOGRAFIE\Prof. J. Šterzl.jpg C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\Burnet_in_the_lab.jpg F.M. Burnet, F. Fenner: The production of antibodies (Macmillan, Melbourne, 1949) Phage C16 (rabbit – i.v.) Staphylococcal toxoid Imunologická paměť S0241X-001-f006 Downloaded from: StudentConsult (on 15 July 2006 09:09 AM) © 2005 Elsevier top_logo 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. • • 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 • • • • • •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) Existuje paměť i na úrovni vrozené imunity? • Innate immune memory: towards a better understanding of host • defense mechanisms • Quintin J, Shin-Chin Cheng, van der Meer JWM, Netea MG: Curr Opin Immunol 2014; 29: 1-7 • •Reakce vrozeného imunitního systému má adaptivní charakteristiky, které jsou funkčně ekvivalentní klasické imunologické paměti („trained immunity“) •Základními mechanismy se jeví epigenetické modifikace histonu a modifikace buněčných receptorů (PRR). •Projevuje se na úrovni mononukleárních fagocytů a buněk NK. • • • „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). • • • • • • • • • • • • • • Netea MG et al: Science 2016 • • Jen ten uvidí budoucnost, kdo vystoupí na vrchol minulosti Antoine de Saint Exupéry Celková mortalita ve skupině 20 000 dětí v prvních čtyřech letech života byla nižší u dětí imunizovaných BCG než u neimunizovaných. Uvažovalo se o tom, že BCG indukuje „nespecifickou imunitu“. (Näslund C, 1932) Infekce určitými mikroorganismy často vede i k navození rezistence proti jiným, nepříbuzným mikrobům (Lurie, 1942, Suter 1953, Elberg 1960). Zvýšená odolnost experimentálních zvířat po infekcích určitými bakteriemi je způsobena získanou schopností fagocytů destruovat mikroorganismy. Mackaness GB: The immunological basis of acquired cellular resistence. (J exp Med 1964; 120: 105 – 120) Význam „heterologního“, „nespecifického“ „necíleného“ účinku vakcín je v současné době studován i pod záštitou WHO (Working group on nonspecific effects of vaccines). Pozornost je věnována živým atenuovaným mikrobům (BCG, virus spalniček a poliomyelitidy). Prof. Mihai G.Netea Radboud University, Nijmegen, The Netherlands Netea MG, van der Meer JWM: Trained immunity: an ancient way of remembering (Cell Host Microbe 2017; 21: 297 -300) Netea MG, Quintin J, Van der Meer JWM: Trained immunity: a memory for innate host defense. (Cell Host Microbe 2011; 9: 355 – 361) Innate immune activation by infections or vaccinations leads to histone modifications and functional reprogramming of cells (such as monocytes, macrophages, or NK cells) termed “trained immunity” or “innate immune memory.” Mihai G. Netea et al. Science 2016 Published by AAAS Innate immune activation by infections or vaccinations leads to histone modifications and functional reprogramming of cells (such as monocytes, macrophages, or NK cells) termed “trained immunity”or “innate immune memory.” Trained immunity evolved to lead to adaptive states that protect the host during microbial colonization or after infections. However, in certain situations, trained immunity may result in maladaptive states such as postsepsis immune paralysis or hyperinflammation. miRNA, microRNA. Systém vrozené imunity má schopnost adaptačních změn, které, na rozdíl od adaptivní imunity, neznamenají nutnost genetické rekombinace, ale spočívají v epigenetické remodelaci, která ovlivňuje genetický profil aniž by došlo ke změně sekvence DNA. Adaptační změny („trénink“) byly popsány u profesionálních fagocytů, buněk NK, ILC2, dendritických, endotelových a fibroblastových buněk stromatu, kmenových buněk epitelu, ale i u hematopoetických prekursorových buněk kostní dřeně, stimulovaných bakteriemi (BCG), b-glukanem, ale též oxLDL. Výzkumné projekty INTRIM (International Trained Immunity Consortium) jsou zaměřeny na infekce (tbc, malarie, mykózy), vakcinaci (heterologní účinky vakcinace), autoinflamaci, aterosklerózu, imunosenescenci, nežádoucí účinky chemoterapie nádorů (hematopoetické a progenitorové buňky kostní dřeně). Komplementový systém starobylý pilíř imunity Václav Tomášek: Bakteriologie (Vysokoškolské rukověti, řada spisů lékařských , Melantrich, 1938) „Komplement jest součást normálních sér živočišných vyznačující se tím, že se váže na sensibilisované antigeny a rozpouští je, jsou-li k tomu způsobilé. Schopnost fixace jest obecnou vlastností komplementu, schopnost lysy jest účinek specielní. Podle povahy rozpuštěného antigenu rozeznává se účinek hemolytický a bakteriolytický. Jest pravděpodobno, že funkcí komplementu jsou ještě jiné účinky sera, např. účinek opsonisační záležející v tom, že serum připravuje bakterie k fagocytose. Komplement je činitel nespecifický, je obsažen v seru normálním a jeho účinnosti nepřibývá v průběhu imunisace.“ ledovec v moři Fyziologie komplementového systému mikrobicidní účinky zánětotvorné působení regulace adaptivní imunity ovlivňování buněk, orgánů a systémů Evoluční aspekty komplementového systému a hemostázy • •Hlavní proteolytické kaskády krve – komplement a koagulace – začínají v evoluci společně. •Např. „živá fosilie“, charakteristický členovec, podkovovitý krab z doby před 500 miliony lety, využívá integrovaného systému koagulace a komplementu k zábraně vykrvácení i k obraně proti infekci. Evoluční aspekty •V průběhu vývoje došlo k rozrůznění: •savci reagují na poranění a nebezpečí vykrvácení aktivací hemostázy, zatímco antimikrobiální obrana je zprostředkována imunitními mechanismy vrozenými a později adaptivními. Přesto řada pozorování svědčí, že hemokoagulace a aktivace trombocytů má stále vztah k obraně protiinfekční, že některé původní funkce zůstávají zachovány. • C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\KOMPLEMENT\C_koag_fibrinolysa.jpg Komplement – koagulace – fibrinolýza Komplementový systém základní složky C3 C1 C4 C2 C5 C6 C7 C8 C9 Properdin Faktor B Faktor D MBL MASP 1,2,3 Ficolin L,H,M Regulační proteiny komplementu Receptory pro komplement Komplementový systém (regulační proteiny komplementu) • •C1 INH (váže se na C1r a C1s oddělujíce je od C1q) •Faktor I (štěpí C3b a C4b využívaje faktoru H, C4BP, MCP • a CR1 jako kofaktorů) •Faktor H (váže C3b a vyřazuje Bb) •C4BP (C4-binding protein, váže C4b C-3 konvertázu AP) a vyřazuje C2) •Properdin (stabilizuje •Vitronectin (brání vazbě C5b-9 na membrány a polymerizaci C9) •Clusterin (brání vazbě C5b-9 na membrány a polymerizaci C9) •Karboxypeptidáza N (inaktivuje C3a a C5a, štěpí C-term. arginin) Solubilní Komplementový systém (regulační proteiny komplementu) • •CR1-CD35 (urychluje rozklad CP i AP C3-konvertáz) •MCP-CD46 (membrane cofactor protein – kofaktor pro I) •DAF-CD55 (decay accelerating factor, urychluje rozklad • CP i AP C3- a C5- konvertáz ) •Protectin-CD59 (blokuje vazbu C9 a brání tvorbě MAC) •CRIg (váže se na C3b a inhibuje AP C3 a C5 konvertázy) Vázané na membrány buněk Komplementový systém (receptory pro komplement – CR) • •CR1 (CD35) – vazba C3b a C4b, transport a klírens • imunokomplexů, fagocytóza •CR2 (CD21) – vazba C3d, C3dg, iC3b, CD23, IFNg, • EBV, aktivace B- lymfocytů •CR3 (CD11b/CD18) – vazba iC3b, ICAM-1, LPS, fibrinogenu, • koagulačního faktoru X, mikrobních proteinů; fagocytóza •CR4 (CD11c/CD18) – vazba iC3b, fibrinogenu; fagocytóza •CRIg – vazba C3b, iC3b, C3c; fagocytóza, • inhibice aktivace T- lymfocytů • Komplementový systém (receptory pro komplement – CR) • •C1qRp (CD93) - fagocytóza •cC1qR (calreticulin) – fagocytóza, respirační vzplanutí, • odstraňování apoptotických buněk •gC1qR – chemotaxe • •C3aR – prozánětlivá aktivace •C5aR (CD88) – prozánětlivá aktivace Komplement jako imunoreceptor •Klasická dráha aktivace • •C1q – • imunokomplexy (Fc-Ig) • CRP vázaný na ligand • fosfatidylserin v membráně apoptotických buněk, • některé viry a G- bakterie • • C1 r,s – C4-C2-C3 … • Komplement jako imunoreceptor •Lektinová dráha aktivace • •MBL – MASP – C4–C2–C3 … •MBL (manose-binding lectin) reaguje •především s terminálními zbytky manosy, •ale i jiných cukrů, např. N-acetyl-D- •glukosaminem. • •Ficoliny – MASP1,2,3 – C4-C2-C3 … •jsou receptory pro acetylové skupiny cukrů Komplement jako imunoreceptor •Alternativní dráha aktivace • •Standardní model: •Aktivace je zahájena kovalentní vazbou C3b, který je tvořen spontánní hydrolysou thioesterové vazby C3, na proteinové, sacharidové, lipidové struktury mikroorganismů i na jiné povrchy. • •Properdin jako imunoreceptor: •Properdin zahajuje aktivaci tím, že se nekovalentně váže na terčové struktury (zymosan, Neisseria gonorrhoeae, králičí erytrocyty) pak angažuje solubilní C3b • (Spitzer D et al. J Immunol 2007; 179: 2600-2608) Čtvrtá cesta aktivace komplementu? •Aktivace C5 trombinem • •Byla prokázána v experimentu na „C3-knock-out myších“, u nichž se netvoří C3-konvertáza. • •Inkubace trombinu s lidským C5 vede k tvorbě C5a. • • Huber –Lang M et al.: • Generation of C5a in the absence of C3: • new complement activation pathway • (Nat Med 2006; 12: 682-687) Aktivace komplementového systému C5a, C3a, C4a: „anafylatoxiny“ C5a je 20x účinnější než C3a a 2500x účinnější než C4a degranulace mastocytů a basofilů chemoatraktans (hlavně neutrofilů) zvyšují expresi CR3 na neutrofilech a ICAM-1 na endotelu stimulace degranulace a respirační vzplanutí neutrofilů zvýšení exprese adhesivních molekul a makrofázích, zvýšení sekrece IL-1 a IL-6 stimulace proliferace aktivovaných lymfocytů T Komplement a angiogenéze •Vaskulární endotelové růstové faktory (VEGF) a receptory pro ně (VEGFR) mají zásadní roli při tvorbě nových krevních cév i při jejich remodelování. • •Jejich tvorbu ovlivňuje i komplementový systém, který může být terčem terapie např. makulární degenerace závislé na věku, retinopatie prematurity, poruch intrauterinního vývoje plodu. Komplement komplikuje graviditu (Girardi G et al.: J exp Med 2006; 203: 2165-2175) Porucha vývoje placenty vedoucí k potratu nebo k omezení intrauterinního růstu plodu může být způsobena nadměrnou aktivací komplementového systému : C5a vede k dysregulaci angiogenních faktorů (funkční deficience VEGF a zvýšení koncentrace sVEGFR-1). VEGF –vascular endothelial growth factor sVEGFR-1 – VEGF receptor 1 Komplement v patogenéze chorob •Deficience funkčních proteinů C-systému •Poruchy regulace aktivace C-systému •Persistentní aktivace C-systému •Únik mikroorganismů před účinky komplementu •Nefunkčnost C-systému u maligních procesů •CR jsou receptory i pro mikroorganismy a viry Vrozené deficience C-systému (Speth C et al, 2008) • •C1 (SLE, bakteriální infekce) 50-100 •C4 (SLE, bakteriální infekce) 20-50 •C2 (SLE, bakteriální infekce) > 1000 •C3 (bakteriální infekce) 20-50 •C1-INH (hereditární angioedém) > 10 000 •B 0 •D (bakteriální infekce) < 5 •P (meningokokové infekce) > 100 Vrozené deficience C-systému (Speth C et al, 2008) • •H (meningokokové infekce >100 • glomerulonefritis MPGN II • atypický hemolytický uremický syndrom, • věkem podmíněná makulární degenerace) •I (bakteriální infekce) 20-50 •Karboxypeptidáza (angioedém, urtika) <5 •C5 (meningokokové infekce) 20-50 •C6,C7,C8 (meningokokové infekce) cca po 100 •C9 (meningokokové infekce) >1000 naja naja Flexner S, Noguchi H: Snake venom in relation to hemolysis, bacteriolysis and toxicity (J exp Med 1903; 6: 277-301) Komplementový systém: atraktivní terapeutický terč Ovlivnění aktivity C-systému jako možnost imunoterapie •C1-inhibitor • •Ovlivnění C3 a C5 konvertáz • CR1 (CD35)-complement receptor type 1 • DAF (CD55)-decay-accelerating factor • MCP (CD46)-membrane cofactor protein • •Ovlivnění komplexu atakujícího membránu (MAC) • CD59 • • Inhibice C5 • Humanizované monoklonální protilátky • (Pexelizumab, Eculizumab) • • Možnosti ovlivnění komplementové kaskády (Reis ES et al: Clin Immunol 2015) kompliment komplementu Complement Melody Girls Člověk a jeho mikroby: „superorganismus“; „kompletní já“ Mikrobiota obsahuje 1014 bakteriálních buněk, tj. 10x více než je buněk, které tvoří naše tělo. (Jsme tedy z více než 90% „mikrobiální“). Počet genů našeho mikrobiomu převyšuje 150x počet genů v lidském genomu. (V lidském trávicím traktu je 3,3 milionu genů z více než tisíce druhů mikrobů; lidský genom má 20-25000 genů). Myšlenka, že mikroorganismy, které jsou všude kolem nás, mají snahu dostat se nám pod kůži a zničit nás, je stále pevně zakořeněna i v moderním vědomí. C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\Lovci mikrobů - Paul de Kruif _ Databáze knih_soubory\mid_lovci-mikrobu-44960.jpg C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\Krysy,vši a dějiny 1.JPG Ale z mnoha tisíců mikrobiálních druhů je jen asi stovka patogenních! C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\Krysy,vši a dějiny 1.JPG „Parasitismus vznikl v temné prapůvodní dávnověkosti jako následek stálého styku mezi různými živými bytostmi. Znamená průlom do oné obrany, kterou se normálně každá živá struktura brání vpádu jiných živých jednotek.“ Hans Zinsser, 1935 Bacilonosičství C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\Lewis Thomas.jpg Lewis Thomas 1913 - 1993 „Mikroorganismy, jak bylo zjištěno, jsou spíše přihlížející. Je to naše odpověď na jejich přítomnost, která způsobuje nemoc. Naše výzbroj pro likvidaci bakterií je totiž tak silná, že nás ohrožuje mnohem víc než útočník“. Úloha mikroorganismů při vzniku a rozvoji alergických a autoimunitních chorob Ekologické interakce mikrobů a hostitele Parasitismus Komensalismus Mutualismus PATHOBIONT – PATHOGEN •…Člověk hned po narození už není jen sám sebou. Lidský organismus se stává gigantickým sídlištěm pro miliardy mikroorganismů. •Soužití hostitele s mikroorganismy je výsledkem oboustranných adaptací, které se v průběhu věků neustále vyvíjely a zdokonalovaly… • • Jiří Kruml a Ivo Miler: Život bez mikrobů (Orbis, Praha, 1975) • • Terminologie Microbiota (dříve mikroflóra): společenství mikroorganismů v různých místech hostitele Mikrobiom: původně kompletní set genů v mikrobiotě, hromadný genom mikrobů žijících v a na nás, nyní mikrobiota a její veškerý genetický materiál Mikrobiota obsahuje 1014 bakteriálních buněk, tj. 10x více než je buněk, které tvoří naše tělo. (Jsme tedy z více než 90% „mikrobiální“). • •Počet genů našeho mikrobiomu převyšuje 150x počet genů v lidském genomu. •(V lidském trávicím traktu je 3,3 milionu genů z více než tisíce druhů mikrobů (lidský genom má 20-25000 genů). • • ! Gilbert JA et al.: Current understanding of the human microbiome • Nature Medicine 2018; 24(4): 392 -400 • • • • RIKEN, 2016 C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\Staří mikrobiologové.jpg „molekulární biologové“ 16S rRNA gene sequence „prabakteriologové“ mikroskopie, kultivace, pokus na zvířeti C:\Documents and Settings\lokaj\Dokumenty\Obrázky\Mol.gen..jpg Průkaz a identifikace mikroorganismů (dříve a nyní) Molekulární biologické metody při studiu mikrobioty •16S rRNA – kódující geny •Metagenomická analýza – sekvenování veškeré mikrobiální DNA komplexního společenstva •Analýza transcriptomu, proteomu, metabolomu Mikrobiom člověka Wendy S. Garrett J Cell Biol 2015;210:7-8 © 2015 Garrett The human microbiome. Illustration depicting the diversity of the human body’s microbiomes at their respective body sites. The outstretched hand reaching for the cell symbolizes the potential of cell biology to enrich microbiome studies. http://img.medscape.com/article/848/391/848391-fig1.jpg Rozmanitost mikroorganismů v lidském těle OTU, operational taxonomic unit. Fyziologická mikrobiota indukuje tvorbu „přirozených protilátek“ •Isohemaglutininy (anti A, B) •Xenoaglutininy (např. anti aGal) •Protilátky proti antigenům mikrobioty • •Nízká séroreaktivita proti některým mikrobům (např. Firmicutes, Proteobacteria) v raném dětství je asociována s vývojem alergie v pozdějším období). Christman et al. JACI 2015 „Hygienická“ hypotéza Strachan DP: Hay fever, hygiene, and household size (BMJ 1989; 299: 1259-1260) Imunologicky nezralý jedinec Genetická predispozice • Industrializovaná společnost •„Aseptické“ prostředí • Antibiotika • Limitované spektrum bakterií v mikrofloře •Život na venkově •Časná kolonizace (enterobacteriacae, laktob.) •Jesle •Parazitární infekce Lymfocyty Treg Vysoké riziko alergií Lymfocyty Th2 (Umetsu et al., 2002) Nízké riziko alergií Mikroby a autoimunitní choroby Molekulární (antigenní) mimikry: Genetická konservace klíčových molekul v průběhu evoluce zaručuje, že četné významné molekuly infekčních agens a jejich hostitele jsou si velmi podobné, v určitých doménách dokonce identické. Rozšiřování spektra epitopů v průběhu infekčního procesu Vliv střevní mikrobioty Experimentální modely vč. bezmikrobních zvířat: vliv na zánětlivé choroby střeva, ale i na extraintestinální autoimunitní choroby (revmatoidní arthritida, T1 diabetes, roztroušená skleróza,uveitida). Immunity 2015 43, 343-353DOI: (10.1016/j.immuni.2015.07.014) Aktivace autoreaktivních lymfocytů T střevní mikrobiotou provokuje autoimunitní reakci i v imunologicky privilegovaných oblastech. Horai R et al: Immunity 2015; 43(2): 343-353 Mikrobiota a nádory •Hromadí se důkazy, že fyziologická, komensální mikrobiota má významný vliv na karcinogenezi, progresi nádorů i odpověď na protinádorovou léčbu. •Tyto účinky mohou být lokální i celkové. •K praktickému využití se nabízí úprava diety, prebiotika, probiotika, transplantace stolice nebo definované mikrobioty. • • (Dzutsev A et al, Eur J Immunol 2015; 45: 17-31) Možnosti ovlivnění mikrobioty •Antibiotika •Probiotika •Prebiotika •Imunomodulátory •Terapie bakteriofágy •Transplantace stolice (u infekcí C. difficile) •Produkty mikrobioty (např. bakteriální polysacharidy Bacteroides fragilis) Od Mečnikova k současné koncepci probiotik Metchnikoff E: Intestinal poisons and arteriosclerosis. (Annales de l´Institut Pasteur 1910;24: 753- 70) Metchnikoff E, Williams HS: Why not live forever? (Cosmopolitan 1912; 53: 436 – 464) Bacillus bulgaricus Lacto-bacilline of Metchnikoff PROBIOTIKA živé mikroorganismy aplikované perorálně, působící blahodárně na zdraví člověka a zvířat nejčastěji používaná probiotika: laktobacily, streptokoky, enterokoky bifidobakterie, E. coli (kmen Nissle), kvasinky (Saccharomyces boulardii) PREBIOTIKA Selektivně fermentované složky potravy, které vedou k specifickým změnám ve složení a aktivitě střevní mikrobioty s blahodárným vlivem na zdraví hostitele: Inulin, fructo-oligosacharidy, galacto-oligosacharidy, lactulosa… Transplantace mikrobioty stolice (fecal microbiota transplantation) •Od jednoho dárce, často blízkého příbuzného. •Od více dárců (stool banks). •Transplantace autologní stolice (odebrané v klidovém období a vhodně uchované). •Anaerobně kultivovaná stolice od zdravých dárců. • Využití: průjem vyvolaný antibiotiky průjem způsobený Clostridium difficile perspektivně metabolické, kardiovaskulární, neurologické, autoimunitní, alergické choroby Každý máme svůj vlastní mikrobiální „makeup“ • •„Náš individuální osud, zdraví a možná i některé z našich činností je mnohem více závislé na variantách genů v našem mikrobiomu než v našich vlastních génech“. • • Ackerman J: The ultimate social network. • (Scientific American 2012) Podkladem individualizované, personalizované, „precizní“ medicíny bude nejen analýza organismu, ale i jeho mikrobiomu. „c´est les microbes, qui auront le dernier mot“ Louis Pasteur Jsou to mikroby, které budou mít poslední slovo. Jsou to lékaři, kteří jim ho chtějí utnout. Ale je to žádoucí ? Zcela určitě jen někdy!