Infekční onemocnění Lukáš Kubala kubalal@ibp.cz Průběh typické akutní infekce E cd ra 1. Rozvoj a rozpoznání 2. Indukce adaptivní odpověd N 3. Adaptivní imunitní odpověď 4. Paměť Prahová koncentrace mikrobů potřebná k indukci adaptivní "V*^ imunitní odpovědi Vstup patogenu do organismu Trvání infekce Odstranění patogenu Figure 10-1 Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Časový průběh infekce u normálních a imunodeficientních jedinců Figure 10-6 Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Trvání infekce Průnik patogenu a imunitní odpověď Adherence na epitel * Penetrace epitelem Lokální infekce tkáně Proliferace a zrání lymfocytů Adaptivní imunita ------- ■—-- i —-j • mechanická bariéra • lokální chemické faktory • makrofágy • normální flóra komenzálních mikroorganismů aktivace faktorů srážení krve antimikrobiální proteiny a peptidy fa go cy ty komplement Y:6 T lymfocyty NK buňky Obrana proti infekci • zvýšená aktivace • makrofágů • produkce cytokinů (IL-1, IL-6, TNF-a, IFN-a, IFN-P) • migrace dendritic- • kých buněk do lymfatických uzlin antigény patogenů zachyceny a prezentovány v lymfatických tkáních iniciace adaptivní imunitní odpovědi specifické protilátky Tc a Th lymfocyty aktivované makrofágy žírné buňky Fig 10.2 © 2001 Garland science * Hlavně kůže nebo mukózní povrchy dýchacího, gastrointestinálního a urogenitálního traktu. Hlavní obranné strategie podle lokalizace patogenu Extracelulární Intracelulární Mezibuněčné prostory, krev, lymfa Epiteliální povrchy Cytoplasma Intracelulární vakuoly Lokalizace patogenu So* 0 A, 0 • • 0 • • 0 Obranný mechanismus • protilátky • komplement • fagocytóza * IgA protilátky * antimikrobiální peptidy • Tc lymfocyty * NK buňky • zvýšení aktivity makrofágů závislé na T lymfocytech a NK buňkách Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Patogenita mikroorganismu Patogeny = mikroorganismy vyvolávající onemocnění Cíl patogenů - rozmnožení v hostitelském organismu a další šíření Úspěšnost patogenů - dána jejich virulencí Virulence patogenů určena: • schopností patogenů poškodit organismus hostitele • schopností patogenů nevyvolat imunitní reakci • obranou patogenů před případnou imunitní odpovědí Virulence patogenů je dána také „kondicí" imunitního systému hostitele. U oslabeného organismu mohou i komenzální bakterie s nízkou virulencí vyvolat vážné oportunní infekce. Přímé mechanismy poškození tkáně hostitele Přímé mechanismy co Produkce Produkce Cytopatické exotoxin u endotoxinu působení Patoge mechani: © Patogenní organismus Staphylococcus Escherichia coli Poxvirus aureus Salmonella typhi variola Vibrio cholerae Myxovirus influenzae :nění Toxicky sokovy Sepse Neštovice Onemoc syndrom Břišní tyfus Chřipka Cholera Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Nepřímé mechanismy poškození tkáně hostitele Patogenní mechanismus Nepřímé mechanismy Imunní komplexy Protilátky proti hostiteli Cytotoxické lymfocyty m Patogenní organismus Malárie Většina akutních infekcí Streptococcus pyogenes Mycoplasma pneumoniae Mycobacterium tuberculosis Herpes simplex virus Onemocnění Ledvinová onemocnění Revmatoidní horečka Hemolytická anémie Tuberkulóza Herpesová keratitida Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Ochrana mukózních povrchů - sekreční IgA Syntéza IgA plasmatickými buňkami v lamina propria. Transport IgA do lumenu Vazba polymerní IgA na střeva epiteliálními buňkami mukózní vrstvu a tvorba Neutralizace patogenů ležícími na bázi krypt. obranné bariéry. a jejich toxinů pomocí IgA. Fig 10.20 © 2001 Garland science Iniciace imunitní odpovědi na bakteriální infekci Aktivace tkáňových makrofágů interakce mikrobiálních komponent s receptorem pro obecné antigény bakterií, např. interakce LPS s Toll-like receptory (TLRs) i Sekrece cytokinů a chemokinů např. TNF-a a IL-6 aktivovanými makrofágy i Cytokiny a chemokiny indukují aktivaci endotelu přilehlých krevních kapilár i Zvýšená exprese P- a E-selektinů a VCAM, zvýšená produkce oxidu dusnatého, zvýšení permeability cév i Rolování, adheze a průnik neutrofilů a monocytů do infikované tkáně Iniciace adaptivní imunitní odpovědi na bakteriální infekci Aktivace dendritických buněk (přítomných ve většině tkání) prostřednictvím receptorů pro obecné antigeny patogenů (CD14 a TLR). Aktivované dendritické buňky zvyšují syntézu molekul MHC II - umožní prezentovat zpracovaný antigén. Aferentní lymfatickou cévou antigén prezentující buňky přenáší antigén do nejbližšího periferního lymfoidního orgánu, kde iniciují adaptivní imunitní odpověď. Video TLR-4 Průběh bakteriální infekce a aktivace komplementu Adheze bakterií, kolonizace Průnik bakterií do tkání Protilátky vážící bakterie a toxiny Ak~T Vznik anafylatoxinů (fragmenty C3a, C4a, C5a) Zvýšení permeability cév pmn fáfc • • • "Produkce toxinů Migrace PMN Ti Poškození buněk indukované , toxiny a jejich lyže Kinin systém Plasmin systém Aktivace komplementu do místa zánětu Migrace M0 do / ^\ ° Q Vznik anafylatoxinů (fragmenty C3a, C4a, C5a) Zvýšení permeability cév Mechanismus protilátkami zprostředkované odpovědi na extracelulární bakteriální infekci Gram-negativní bakterie Gram-pozitivní bakterie 1-cR Makrofág Specifické Ab - opsonizace Složky komplementu Klasická cesta aktivace - formace MAC Proteázy, lipázy, nukleázy • m Kyslíkové radikály B FcR Specifické Ab - opsonizace ® Neutrofilní granulocyt Proteázy, lipázy, nukleázy . Kyslíkové radikály Mechanismus buňkami (lymfocyty) zprostředkované odpovědi na cytokiny intracelulární bakteriální infekci Makrofág Proteázy, lipázy, nukleázy CD4+ lymfocyt (Thl) NK buňky Bakteriální Ag Kyslíkové radikály Infikovaná hostitelská buňka CD8+ lymfocyt Imunitní odpověď makrofágů na intracelulární infekci bakteriemi (např. Mykobakterie) Mykobakterie interaguje s TLR-2 a infikuje makrofág. Vazba na TLR-2 aktivuje makrofág k produkci NO a sekreci IL-12. Makrofág předkládá Ag mykobakterie T lymfocytům, které v přítomnosti IL-12 produkují INF-y a stimulují makrofág. INF-y přiláká další makrofágy, které vytvářející granulom; stimulace likvidace intracelulárních bakterií a sebezničení makrofágů. Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Funkce y:ô T lymfocytů při intracelulární infekce epiteliálních buněk střeva bakteriemi Bakterie infikuje epiteliální buňku. Intracelulární infekce indukuje syntézu stresových proteinů. Via T lymfocyty rozeznávají infikované buňky exprimující tyto proteiny. Via T lymfocyty indukují buněčnou smrt a odstranění infikované buňky. rvww^^^ rvyV\AAAAAA/V(V\ bacteria o (D A A A A á <ň ; y:6 T lymfocyty '_ Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Vybrané mechanismy, kterými se bakterie vyhýbají imunitní odpovědi * Změna antigenních struktur > jeden patogen má více antigenních typů (serotypů) * Rezistence k likvidačním mechanismům komplementu * Rezistence k likvidaci fagocyty * Produkce proteinů vážících Fc fragmenty protilátek > např. A a G proteiny * Intracelulární přežívání, produkce toxinů,... Existence různých antigenních variant baktérie Streptococcus pneumoniae - existují v mnoha serotypech lišících se kapsulárními polysacharidy ._ Primární infekce jedním serotypem 5. pneumoniae. Indukce specifické odpovědi a paměťových buněk. Infekce jiným serotypem => odpověď paměťových buněk nefunkční. Indukce nové specifické odpovědi a paměťových buněk. Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Mechanismy úniku bakterií před likvidací komplementem A) Polysacharidová kapsule -> ochrana před vazbou opsonizujících složek na stěnu bakterie B) Rozsáhlé povrchové struktury zabraňují vazbě mezi C3b opsonizující povrch bakterie s receptory na fagocytech -> inhibice fagocytózy bakterie C) Exprese proteinů inaktivujících funkce lytického C5b67 komplexu (MAC) -> ochrana bakterií před lyží komplementem D) Exprese enzymů (např. elastázy) inhibujících nebo rozkládajících aktivované složky komplementu -> inhibice komplementové kaskády E) Povrch bakterií je rezistentní k vazbě lytického C5b67 komplexu (MAC) Mechanismy úniku bakterií před likvidací fagocyty • Polysacharidová kapsule může znemožňovat fagocytózu bakterie • Inhibice opsonizace bakterie a adherence na fagocyt • Únik bakterie z fagozómu do cytoplasmy • Inhibice spojení fagozómu s lysozómy • Tvorba vlastní vakuoly v cytoplasms • Rezistence k antimikrobiálním mechanismům fagolysozómu - inhibice proteáz a nukleáz, produkce antioxidačních látek, inhibice acidifikace fagolysozómu Virové infekce Viry jsou vnitrobuněční parazité s různou strukturou a replikační strategií. Některé viry způsobí akutní infekce a po jejich úspěšném zvládnutí jsou z organismu odstraněny. Některé viry po zvládnutí akutní infekce trvale v organismu perzistují. DNA viry Herpesviry (herpes simplex) Poxviry (neštovice) Hepadnaviry (hepatitida B) RNA viry Orthomyxoviry (chřipka) Paramyxoviry (příušnice, spalničky) Koronaviry (SARS) Togaviry (zarděnky) Rhabdoviry (vzteklina) Retroviry (HIV) r Enveloped Nonenveloped dsDNA Herpesviridae Poxviridae, Chordopoxvirinae Hepadnaviridae ssRNA Coronaviridae Paramyxoviridae (D Bunyaviridae m Toroviridae Orthomyxoviridae Arenaviridae Togaviridae Flaviviridae uimutmtimtmiMM Retroviridae Rhabdoviridae 1 T 1 Ť ?—f ŤffTTTTfŤT í-i-SL. Ivvvwwwvvvvvwvvf " i l i- l i i i l i i & l l l !: i l Filoviridae 100 nm dsDNA Papovaviridae ssDNA Parvoviridae dsRNA Reoviridae Birnaviridae ssRNA Picornaviridae Caliáviridae 337503^05330 Příklad: infekce RNA viry Virová infekce buňky (T) Adheze viru /f m\\® Penetrace viru N\ l^^Jyy ^r^p Fúze virové obalj; obálky s endozómy © Uvolnění RNA l ■ Syntéza kopií© / \© Transkripce do+RNA, JT \ / . f trine lorn wi i\ ir l"» ■ virového genomu .....,-----------„______________n.ns.l Spojení nukleokapsidu s membránou hostitelské buňky \^--■ translace virových proteinů Infikovaná hostitelská buňka G protein s5& 9y Uvolnění viru do okolí Virová infekce příklad: SARS-CoV-2 (těžký akutní respirační syndrom - koronovirus - 2) Spike protein (S) Nucleocaspid protein (N) ssRNA virus Subgenomic mRNAs Infekce buněk retroviry Příklad: virus lidské imunodeficience (HIV) Vazba HIV na CD4 a další receptory T lymfocytů. Fúze viru s buněčnou membránou umožňuje virové RNA vstoupit do hostitelské buňky. Reverzní transkriptáza přepisuje virovou RNA. Virová cDNA vstupuje do jádra a integruje se do hostitelské DNA. viral RNA genome reverse transcriptase membrane Cytoplasm chromosomal DNA Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Antivirové mechanismy imunitního systému Vrozená imunita Účinná proti časným stádiím infekce. Brzdí rozšíření virů likvidací napadených buněk Interferon a a (3 • produkovány infikovanými buňkami • inhibují replikaci virů a indukují antivirový stavu v neinfikovaných buňkách NK buňky • likvidují infikované buňky Virus New virus Virus JnducingX reP|ication stimuli f ^\ (Nucleus Inhibition of viral IFN- \S\ replication induced \ \ \ antiviral \ \ ' Interferon Signal transduction Infected cell Uninfected cell Mechanisms of action of interferon (Lewis et al., 2011) Antivirové mechanismy imunitního systému Specifická imunita CytotoxickéT lymfocyty (Tc; CD4CD8+) • rozpoznávají a ničí buňky infikované virem Pomocné T lymfocyty (Th; CD4+CD8) • zejména Th2 lymfocyty, které stimulují tvorbu protilátek a aktivaci Tc lymfocytů Protilátky • představují nejúčinnější ochranu proti šíření virové infekce • rozpoznávají zejména glykoproteiny na povrchu virionů • mají klíčovou roli v opakovaných infekcích Cytotoxické T lymfocyty (CD8+ T lymfocyty, Tc lymfocyty) Stimulace naivních T lymfocytů Proliferace/diferenciace Usmrcení infikovaných buněk T lymfocytů cytotoxickými T lymfocyty Figure 8-22 Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Video Antivirové mechanismy zprostředkované protilátkami Target cell Volný virus Samotná protilátka Zablokování vazby na buňku Zablokování vstupu do buňky Protilátka + komplement Poškození kapsidu Zablokování virového receptoru Virem infikovaná buňka Protilátka + komplement Lyže infikované buňky Protilátka vázaná na infikovanou bunku Opsonizace viru nebo infikované buňky pro fagocytózu nebo rozpoznání lymfocyty NK bunky Na protilátkách závislá NK buňkami zprostředkovaná cytotoxicita (ADCC) Makrofágy, neutrofily Fagocytóza infikované buňky Mechanismy, kterými se viry snaží překonat imunitní systém * Antigenní variabilitou > antigenní posun a antigenní změna * Rezistencí k likvidačním mechanismům hostitele > modifikace (rozvrácení) imunitního systému hostitele a indukce imunosuprese * Přetrváváním v latentní formě po uplynutí akutní imunitní reakce Antigenní posun a změna Příklad: změny struktury povrchového hemaglutininu viru chřipky Antigenní posun (drift) Po první infekci vznikají Ab neutralizující virus. Mutace mění strukturu hemaglutininu a Ab z první odpovědi nejsou účinné. Antigenní změna (shift) RNA segmenty se zamění mezi různými viry v sekundárním hostiteli. Ab vzniklé během první infekce jsou neúčinné proti novému hemaglutininu. Modifikace (rozvrácení) imunitního systému hostitele Virová strategie Specifický mechanismus Výsledek Inhibice humorální imunity Viry kódované Fc receptory Blokují efektorovou funkci protilátek vázajících se na infikované buňky Viry kódované komplementové receptory nebo komplementem kontrolované proteiny Blokují ef e ktorovou funkci komplementu nebo inhibují aktivaci buněk indukovanou komplementem Inhibice zánětlivé odpovědi Viry kódované solubilní receptory cytokinů Váží cytokiny a inhibují mezibuněčnou komunikaci Virová inhibice povrchové exprese adhesivních molekul Blokují adhezi buněk na infikované buňky a migraci buněk Virová inhibice aktivace NF-kB Blokují zánětlivou odpověď buněk Blokování zpracování antigenu a jeho prezentace Inhibice MHCI Zabraňuje rozpoznání infikovaných buněk cytotoxickými lymfocyty Inhibice transportu peptidů na povrch buněk Blokuje prezentaci antigenu na MHCI Systémová imunosuprese hostitele Virem kódovaný homolog IL-10 Inhibuje funkci vybraných populací lymfocytů, redukuje produkci IFN-y Přežívání virové infekce v klidové formě Příklad: Herpetické viry (virus herpes simplex) Akutní forma Infekce epiteliálních buněk syntetizujících a exprimujících virový protein, rozšíření do senzorických neuronů. Latentní forma Persistující virus přežívá v klidovém stádiu v senzorických neuronech. Reaktivace do akutní formy při oslabení organismu. Neurony mají jen velmi omezenou expresi MHC I a virové proteiny nejsou téměř syntetizovány. Primární infekce Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Obrana proti protozoálním parazitům - podobné mechanismy jako u bakterií. Extracelulární paraziti (Entamoeba histolytica, Giardia lamblia) • klíčová funkce protilátek Intracelulární paraziti (Plasmodium, Trypanosoma) • klíčová funkce Thl lymfocytů a zvýšená aktivace makrofágů Příklad obrany trypanosomy proti eliminaci imunitním systémem - alternace exprese genů povrchových antigénu Mnoho kopií genu VSG kódujícího povrchové struktury (a, b,...) a pouze jedno místo pro expresi. a b c — — "x100 Expression n site }-* 0 VSG3 o Konverze genů umožňuje kopírovat různé geny do místa exprese. - — — x100( 1 VSGC Ke konverzi genu VSG dochází v pravidelných cyklech -> pravidelné změny antigenních vlastností Trypanosomy. r _ — — — — h-* "x1000~ VSGf anti-VSGa anti-VSGc anti-VSGf Infekce Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Obrana proti mnohobuněčným parazitům Charakteristická produkcí IgE - klíčová role pro rozvoj imunitní reakce zprostředkovaná žírnymi buňkami a eozinofily. Žírne buňky a eozinofily po kontaktu s parazitem masivně produkují IL-4. i IL-4 stimuluje Th2 lymfocyty a ty specifickou produkci IgE B lymfocyty. i IgE umožňují vazbu na povrch žírnych buněk a eozinofilů. i Indukce IgE dependentní degranulace a uvolnění mikrobicidních látek a zánětlivých mediátorů z granulí (mechanismy závislé na 02 i nezávislé na 02, např. major basic protein - MBP). i Zánětlivé mediátory stimulují chemotaxi dalších eosinofilů do místa infekce a zvyšují jejich aktivitu - uvolňují obsah granulí na povrch parazita.