Imunologie Doc. Mgr. Lukáš Kubala, Ph.D. Doc. RNDr. Milan Číž, Ph.D. Ústav experimentální biologie - Přírodovědecká fakulta MU Biofyzikální ústav, Akademie věd České republiky Královopolská 135, 612 65 Brno kubalal@ibp.cz; milan.ciz@sci.muni.cz Přednášky – sylabus Bi5220 Imunologie – podzim 2022 Datum Přednáška Přednášející 19. 09. Úvod do imunitního systému, historie, základní pojmy Kubala 26. 09. Buňky a tkáně imunitního systému Číž 03. 10. Fagocyty, zánět, komplement Číž 10. 10. Antigeny, hlavní histokompatibilitní komplex a prezentace antigenu Číž 17. 10. Vznik a vývoj T a B-lymfocytů Kubala 24. 10. Buněčná komunikace Kubala 31. 10. Protilátky Číž 07. 11. Cytokiny Kubala 14. 11. Infekční onemocnění Kubala 21. 11. Alergie a hypersensitivita Číž 28. 11. Autoimunita, imunodeficity Kubala 05. 12. Transplantační a protinádorová imunita Kubala 12. 12. Imunomodulace, vakcinace Číž Studijní materiály Janeway´s Immunobiology; 9th edition Autor: Kenneth Murphy & Casey Weaver Rok vydání: 2017 Vydavatelství: Garland Science Počet stran: 928 Základním studijním materiálem jsou přednášky! Doplňující studijní materiály Základy imunologie; 6., aktualizované vydání Autoři: Hořejší, Bartůňková, Brdička, Šípek Rok vydání: 2017 Vydavatelství: Triton ISBN: 978-80-7553-250-3 Počet stran: 304 Skripta Imunologie Autor doc. Číž (budou k dispozici ve studijních materiálech) Doplňující studijní materiály Veterinární imunologie; 2., doplněné a aktualizované vydání Autor: Miroslav Toman a kolektiv Rok vydání: 2009 Vydavatelství: Grada ISBN: 978-80-247-2464-5 Počet stran: 392 Klinická imunologie Autor: Jan Krejsek, Otakar Kopecký Rok vydání: 2004 Vydavatelství: Nucleus HK ISBN: 80-86225-50-X Počet stran: 941 Ilustrovaný imunologický slovník Autor: Miroslav Ferenčík, Jozef Rovenský, Vladimír Maťha Rok vydání: 2004 Vydavatelství: Galén ISBN: 80-7262-243-9 Počet stran: 288 Infekční onemocnění jako klíčový faktor ovlivňující historii lidstva Mor Původcem je gram-negativní tyčinkovitá bakterie Yersinia pestis. Tři formy onemocnění: • bubonická forma (dýmějový mor) – Přenášena blechami, které se infikovaly na nakaženém hlodavci (hlavně kryse). Po kousnutí infikovanou blechou dochází ke zhnědnutí kousance, poté se objeví boule v oblasti mízních uzlin. • plicní forma (černá smrt) – Přenáší se kapénkovou infekcí z člověka na člověka a je mnohem nebezpečnější. • septická forma (černá smrt) – masivní nekróza tkáně. Působí velice rychle a neléčena má úmrtnost až přes 90%. Poslední epidemie moru postihla Čechy a Moravu počátkem 18. století. První zmínka cca 430 př. n. l.: Řekové při Peloponéských válkách popsali mor a poznali, že ti, kteří se z nemoci zotavili, mohou nemocné ošetřovat bez rizika. Zajímavosti z historie https://microbewiki.kenyon.e du/index.php/Yersinia_pestis Zvětšení 2000x Neštovice • Pravé (černé) neštovice (Variola – virus z čeledi Poxviridae). Jde o jedno z nejnebezpečnějších infekčních prudce nakažlivých onemocnění. Virus je patogenní pouze pro člověka a mimo hostitele nepřežije déle než několik dní => nemá tedy žádný přirozený rezervoár kromě lidské populace. Díky systematickému celosvětovému očkování byly v roce 1979 pravé neštovice WHO prohlášeny za zcela vymýcené. Zajímavosti z historie http://www.beneventoforum.it/ categoria/ambientesalute/ 15. století: Číňané a Turci se imunizovali vdechováním zaschlých krust neštovic. 1798: Edward Jenner provedl první účinné a bezpečné očkování vakcinálním virem. Zjistil, že dojičky krav nedostávaly pravé neštovice. Krávy totiž přenášely svůj vlastní typ neštovic a dojičky se jím imunizovaly. Tak vznikl i pojem „vakcína“ – z latinského slova vacca = kráva. Jiná nesouvisející forma neštovic • Plané neštovice (Varicella) – Původcem je lidský herpesvirus HHV-3, neboli Varicella zoster. Jde o vysoce nakažlivou dětskou nemoc šířící se zejména vzduchem. Prodělaná v dětství zajistí doživotní imunitu. U dospělého jedince má ale těžší průběh. Španělská chřipka Virus typu A/H1N1 Mutace zřejmě v Asii přenosem z ptáků na člověka na počátku 20. století Na rozdíl od běžné chřipky se virus H1N1 dokázal množit i v plicích - úmrtnost 20 % Umírali zejména mladí lidé ve věku 20 až 40 let, za půl roku až sto milionů lidí Pandemie začala 4. března 1918 v kansaském vojenském táboře Funston v USA. Následně američtí vojáci během I. světové války zavlekli nákazu na evropský kontinent. Zajímavosti z historie Zajímavosti z historie Nobelovy ceny Od roku 1901 bylo uděleno celkem 22 Nobelových cen za výzkum v oblasti imunologie. Např.: 1908 I. Mečnikov – Fagocytóza a přirozená imunita 1930 K. Landsteiner – Objev krevních skupin 1960 F. M. Burnet, P. B. Medawar – Objev získané imunologické tolerance 1972 G. M. Edelman, R. R. Porter – Objevy týkající se chemické struktury protilátek 1980 B. Benacerraf, J. Dausset, G. D. Snell – Objevy geneticky určených buněčných povrchových struktur, které řídí imunologickou reakci (dnes MHC) 1984 N. K. Jerne, G. J. F. Kӧhler, C. Milstein – Teorie o specifické stavbě a řízení imunitního systému a objev principu tvorby monoklonálních protilátek 1987 S. Tonegawa – Objev genetických základů pro vznik variability protilátek 1996 P. C. Doherty, R. M. Zinkernagel – Objev specifické buňkami zprostředkované obrany imunitního systému 2011 B. A. Beutler, J. A. Hoffmann – Objevy týkající se aktivace vrozené imunity 2011 R. M. Steinman – Objev dendritické buňky a její role v rámci získané imunity 2015 W.C. Campbell, S. Ómura - Objevy týkající se nové léčby infekcí, které způsobují parazitické hlístice 2015 Tchu Jou-jou - Objevy na poli nové léčby malárie 2018 J.P. Allison, T. Honjo - Objevy protinádorové terapie potlačením negativní imunitní regulace Zajímavosti z historie Významní Českoslovenští imunologové Milan Hašek (1925 - 1984), Jaroslav Šterzl (1925 - 2012) Karel Nouza (1930 - 2020) Miroslav Ferenčík (1932 - 2014) Jindřich Lokaj (*1939) Základní pojmy a definice Imunologie Vědní obor studující složení, funkce a reakce imunitního systému. Mnoho oblastí, např. molekulární imunologie, buněčná imunologie, imunopatologie, antiinfekční imunologie, alergologie, transplantační imunologie, imunologie nádorů. Dělí se na dvě velké části: teoretická imunologie (tj. základní nebo experimentální) praktická imunologie (tj. aplikovaná) Základní pojmy a definice Imunitní odpověď a) prospěšná (obrana organismu) b) inertní (imunologická tolerance) c) škodlivá (autoimunity, reakce s přecitlivělosti) Imunitní systém (IS) Difúzní, nepřesně ohraničený „orgán“ skládající se z molekul, buněk a tkání. Zabezpečuje reakci organismu na mikroorganismy, parazity, cizorodé makromolekuly (např. bakteriální toxiny) a další faktory životního prostředí (např. UV záření), ale také na nežádoucí změny ve vlastním vnitřním prostředí (např. poškozené a změněné buňky). IS jako „šestý smysl“? příjem „makroskopických“ informací z okolí příjem „mikroskopických“ informací z okolí správné fungování IS je zásadní pro přežití člověka (živočichů) https://cz.pinterest.com/pin/ 381961612127147877/ Základní charakteristika imunitního systému 1. Rozeznání vlastní / cizorodé (z vnějšího prostředí i poškozené vlastní) 2. Specificita 3. Diverzita 4. Amplifikace selektivní imunitní odpovědi 5. Přesná kontrola imunitní odpovědi 6. Spolupráce (orchestrace) jednotlivých složek imunitního systému 7. Tolerance > Imunitní systém musí být tolerantní vůči vlastním buňkám a molekulám. Z antigenně specifických lymfocytů je nutno odstranit (umlčet) všechny klony, které by rozeznávaly vlastní struktury. 8. Nadbytečnost, nahraditelnost (redundance) > Většina prvků imunitního systému je aspoň částečně nahraditelná jinými prvky. Redundance snižuje zranitelnost systému náhodnými malými poruchami. 9. Imunologická paměť Základní pojmy a definice Antigeny (Antigen, Ag) = látky, které stimulují specifickou imunitní odpověď. Z chemického hlediska může jít o jakékoliv molekuly: typické jsou např. antigeny proteinové povahy, (lipo)polysacharidy nebo polynukleotidy. Rozlišujeme: kompletní antigen = imunogen – skládá se z makromolekulárního nosiče a z antigenních determinant (epitopů); dokáže vyvolat imunitní odpověď a specificky reagovat s produkty této odpovědi (tj. protilátkami, buňkami) => vyznačuje se imunogenností a specifitou nekompletní antigen = hapten = izolovaná antigenní determinanta; dokáže specificky reagovat s produkty imunitní odpovědi, ale neindukuje jejich tvorbu, protože není dostatečně velká => vyznačuje se pouze specifitou antigenní determinanta = epitop - nejmenší část antigenu zodpovědná za specifitu Antigenní determinanta (epitop) Hapten epitop Nosič Antigen Základní pojmy a definice Protilátky (Antibody, Ab) = proteiny ze skupiny globulinů => imunoglobuliny. Jsou produkovány imunitními buňkami po stimulaci antigenem. Konkrétně se tvoří v plazmatických buňkách vznikajících finální specializací B lymfocytů. Dvě hlavní funkce: rozpoznávací (rozpoznání a vazba s kompletními Ag determinantami) efektorová (vazba na Fc receptory, aktivace komplementu aj.) Dělí se podle: struktury > různé třídy imunoglobulinů (IgA, IgG, IgE aj.) dynamiky tvorby > primární a sekundární odpověď vlastností > cytotoxické, cytofilní, antiidiotypové aj. Základní složky imunitního systému A. Nespecifická imunita (vrozená, inátní) Rychlá, funguje od narození, není závislá na předchozím styku s antigenem. Několik mechanismů: > Anatomické bariéry (např. kůže, mukózní povrchy) > Fyziologické bariéry (např. teplota, pH) > Fagocytární bariéry – z buněk se uplatňují hlavně fagocytární granulocyty a makrofágy => fagocytóza patogenu (invadéra) > Zánětlivé bariéry B. Specifická imunita (získaná, adaptivní) Objevuje se až po prvním styku s antigenem => odpověď nastupuje později. Závisí na: > Specifitě antigenu > Diverzitě receptorů > Rozpoznání vlastní/cizí > Imunologické paměti Z buněk se uplatňují hlavně lymfocyty. II. Buněčná imunita Zprostředkovávána buňkami - nespecifická imunita: fagocyty - specifická imunita: různé typy lymfocytů I. Humorální imunita Zprostředkovávána rozpustnými molekulami - nespecifická imunita: složky komplementu, antibakteriální proteiny - specifická imunita: protilátky – klíčové pro obranu organismu => někdy nepřesně/zjednodušeně je jako humorální odpověď označována protilátková imunitní odpověď Základní složky imunitního systému Aktivace nespecifických mechanismů imunity Princip Založeno především na rozpoznání (konzervovaných) struktur přítomných na povrchu mnoha mikroorganismů, ale nepřítomných na povrchu vlastních buněk. Označují se jako PAMPs = „Pathogen-Associated Molecular Patterns“ (např. lipopolysacharidy). Nástup Nespecifické mechanismy se zapojují jako první, řádově v minutách-hodinách, a jsou nezbytné pro celkový výsledek imunitní reakce. Buněčné a humorální složky nespecifické imunity • fagocytující buňky – především neutrofilní granulocyty, monocyty/makrofágy a dendritické buňky; úloha: pohlcení patogenu během fagocytózy, jeho intracelulární destrukce a následná prezentace jeho antigenů buňkám specifické imunity • NK buňky – zodpovídají za nespecifickou buněčnou imunitu • Antibakteriální peptidy, složky komplementu, degradační enzymy, aj. Fig 1.4 part 1 of 2 © 2001 Garland Science Neutrophil Macrophage Dendritic cell Aktivace specifických mechanismů imunity Princip Založeno na klonálním anticipačním principu, tj. alespoň několik z mnoha lymfocytů s různými receptory je schopno rozeznat antigen a reagovat množením = vytvořením klonu. Důležitý je princip druhého signálu od jiných buněk imunitního systému. Pokud signál není, dochází k funkčnímu útlumu jako ochrana proti nedostatečně specifické aktivaci lymfocytů. Nástup Zapojuje se později než nespecifické mechanismy, řádově v dnech = čas potřebný pro proliferaci a diferenciaci specifických klonů buněk a k indukci tvorby protilátek nebo vytvoření specifických klonů T-lymfocytů. Buněčné a humorální složky • T lymfocyty – zodpovídají za specifickou buněčnou imunitu; dělí se na více podskupin např. cytotoxické (Tc) či pomocné (Th) B lymfocyty – zodpovídají za specifickou protilátkovou imunitu • Protilátky – humorální složka Buňky imunitního systému vznikají během hematopoézy Jak se dají rozlišit buňky imunitního systému CD systém („Cluster of Differentiation“) = systém označení povrchových molekul leukocytů. Soubor povrchových molekul (znaků, antigenů) buněk mající stejný epitop, který lze identifikovat stejnou protilátkou. Využívají se pro rozpoznávání buněčných populací při imunofenotypizaci = stanovení zastoupení jednotlivých subpopulací krevních elementů (primárně leukocytů). CD4 CD2 Morfologicky > velikost – např. lymfocyty menší než monocyty > segmentace jádra – např. monocyty: velké nesegmentované jádro, neutrofily: zaškrcované jádro > granularita cytoplazmy – rozlišujeme granulocyty a agranulocyty; granula jednotlivých typů granulocytů navíc barvitelná různými barvivy http://pathy.med.nagoya-u.ac.jp/http://www.mcl.tulane.edu/ NeutrophilMonocyte Vybrané povrchové molekuly charakteristické pro různé typy leukocytů (“markery” jednotlivých typů) Buněčný typ Charakteristické povrchové molekuly Leukocyty (všechny) CD53, CD45, CD43 Hematopoetické prekurzory CD34, CD117, CD137 T lymfocyty CD2, CD3, CD5, CD6, CD7, CD27, CD28, CD96, TCR T pomocné lymfocyty CD4 T cytotoxické lymfocyty CD8 B lymfocyty CD19, CD20, CD22, CD37, CD39, CD40, CD79, BCR Pre-B lymfocyty CD9, CD10, CD138 Plasmatické buňky CD28, CD138 NK buňky CD2, CD11b, CD16b, CD56, CD57, CD94, CD158 Neutrofilní granulocyty CD11b, CD15, CD87 Monocyty CD14, CD33, CD64, CD87, CD89 Dendritické buňky CD83, CD86, CD205, CD206, CD207, CD208, CD209 Lymfatické orgány a tkáně Primární (centrální) lymfatické orgány Zde se tvoří a časně zrají lymfocyty. Patří sem: > Kostní dřeň – B lymfocyty > Brzlík (Thymus) – T lymfocyty Sekundární (periferní) lymfatické orgány Zde se zralé lymfocyty setkávají s antigenem. Patří sem: > Krční a nosní mandle > Lymfatické uzliny a cévy > Slepé střevo > Slezina > Peyerovy pláty v tenkém střevě Fig 1.7 © 2001 Garland Science Lymfatické orgány jsou důležité pro generování a zrání lymfocytů a k iniciaci imunitní odpovědi a její průběh. Lymfatické orgány obsahují lymfocyty a nelymfoidní buňky (jako makrofágy a dendritické buňky). Molekuly a receptory imunitního systému 1. Antigenně specifické receptory na povrchu T a B lymfocytů 2. MHC receptory I. a II. třídy 3. Adhezivní molekuly 4. Cytokiny a jejich receptory 5. Receptory složek mikrobiálních povrchů 6. Receptory komplementového systému 7. Imunoglobuliny 8. FC receptory https://cs.wikipedia. org/wiki/Fc_receptor http://www.adaptivebiotech.com/insights/basic-immunology R. J. Winchester, Clinical Immunology (Third Edition), 2008. © 2012 Pearson Education, Inc. Nature Reviews Molecular Cell Biology 14, 727–736 (2013) Molecular Immunology 44(10):2497-506 · May 2007 Poruchy funkce imunitního systému Porušení funkcí imunitního systému vedou k patologickým stavům spojených s různými druhy onemocnění Poruchy vedoucí k nedostatečné funkci IS – imunodeficience Porucha rozpoznávaní vlastní / cizorodé – autoimunita Porucha kontroly průběhu imunitní reakce v kombinaci s poruchou rozpoznávaní vlastní / cizorodé – alergie a hypersensitivity Díky za pozornost a těšíme se na hojnou účast na dalších přednáškách!