Bc. Jaroslav Šebek, DiS., AeskuLab k.s. Plzeň
Imunitní systém ve schématu
Imunitní systém zpracovává exogénni i endogenní látky nízkomolekulárního nebo vysokomolekulárni ho charakteru včetně mikrobů za účelem zachování homeostázy organismu. Spolupracuje na tom s endokrinním a nervovým systémem. Ač definici můžeme považovat za zdánlivě jednoduchou, na imunitě participuje celá řada pochodů, o kterých je zapotřebí uvažovat nejen v souvislostech či komplexně, ale zároveň všechny optimálně zjednodušit.
Pro výuku diplomovaných zdravotních laborantů jsem ilustraci znázorňující imunitu tímto způsobem hledal marně. Z didaktických důvodů jsem schéma studentům vytvořil a nyní se chci s vámi o něj podělit. Doprovodný text číselně koresponduje s jednotlivými kroky ve schématu. Navíc kurzívou doplňuji informace, jež nejsou z obrázku přímo patrné, a pro úplnost problematiky j e zmiňuji.
Popis schématu
Ústřední roli sehrávají antigény, což jsou peptidy eventuelně polysacharidy či jejich deriváty schopné asociace s MHC glykoproteiny (major histocompatibility complex, taktéž HLA molekuly) nebo re-ceptorovými komplexy na povrchu lymfo-cytů. Imunita antigenní struktury neustále zpracovává za účelem získání imunokom-petence, tedy schopnosti na nositele těchto antigénu specificky reagovat. Nejčastěji za účelem eliminovat infekci. V našem případě budou antigény součástí obaleného viru, aby na jednoho infekčního činitele působilo co nejvíce imunitních reakcí.
1. První protektivní úloha náleží nespecifickým bariérám organismu. Rohovějící krycí epitel vytváří vrstvu s obsahem keratinu, což znesnadňuje průnik mikrobů k vitálním buňkám. Povrchová sekrece lysozymu působí ly-
ricky především na Gram pozitivní bakterie. Ochranu dále zajišťují specifické imunoglobuliny izotypu IgA. Sekreční komponenta zabezpečuje jejich transport prostřednictvím transcytózy na povrch epitelií, kde působí neutralizačně.
2. Náš patogen nespecifické bariéry prolomil, v infekční dávce pronikl do organismu a ocitl se v oblasti intersti-cia. Ač u viru bude termín zavádějící, můžeme to označit jako extracelulární infekci (červené šipky). Zde prozatím zasahují složky nespecifické humorální imunity ve smyslu molekul komple-mentu nebo C-reaktivního proteinu (CRP). Nicméně vyšší účinnosti dosahují u bakteriálních původců onemocnění (ve schématu 2a).
Komplement se skládá celkem z devíti efektorových složek (značených Cl - C9) produkovaných hepatocyty a dalších zhruba dvaceti regulačních proteinů. Při hierarchické aktivaci narušuje biomembrá-ny. Protože obal virové kapsidy pochází nejčastěji z cytoplazmatické membrány napadené buňky, viriony podléhají lytic-kému efektu komplementu. Celkem známe tři způsoby aktivace komplementu, např. vazbou imunoglobulinů k povrchovým antigenům. Ovšem všechny vedou k vytvoření tzv. membránu atakujícího komplexu (MAC), kterýperforuje membrány mikroorganismů i transformovaných buněk.
C-reaktivní protein reaguje s fos-focholinovými zbytky z povrchu bakterií či nekrotizovaných buněk. CRP syntetizují hepatocyty jako odpověď na zvýšenou hladinu interleukinu 6 (IL-6) při rozvoji zánětlivé reakce.
Náš mikrob nese několik antigenních struktur. Dle obrázku se najeden typ antigénu navázaly specifické protilátky. Předpokládejme tedy, že v minulosti došlo k infekci stejným virem, ale prodělal antigenní drift (posun, menší změna ve struktuře) eventuelně antigenní shift (zlom, zásadní změna ve struktuře). Proto z připravených protilátek dokázal reagovat jen jeden typ, který byl zaměřen k doposud nezměněnému antigénu. Mimo jejich neutralizačního efektu je výsledkem i aktivace komplementu.
Všechny výše uvedené mechanismy nevedou jen k neutralizaci povrchových struktur infekčního agens, ale i vzájemnému posílení a opsonizaci. Na opsonizaci participují imunoglobuliny, složky komplementu (především C3), CRP a některé další proteiny, j ež řadíme mezi reaktanty akutní fáze. Proces chápejme jako označení patologických struktur, což má za úkol navodit pozitivní chemotaxi čili migraci imunocytů (buněk imunitního systému) směrem k zánětu, a tím usnadnit fagocytózu. V případě, že zmiňované mechanismy nedokáží včas viry eliminovat, nastává intracelulár-ní infekce (ve schématu 2b).
16 Labor Aktuell 04/13
FDC
Imunologie synapwe
získáni
imunakom petencE
lymfaidní tkánfr
a ttFvava ný Tc lyrTifacyt
Interstklum
irHracelddrni infekce
vnĚjši I ■ ■: ■--1 =. -i ž i
krycí špite1
IgA, keralinin, lysnzym
Imunitní reakce
primární imunitní reakce
sekundární imunitní reakce lÉiiifii lásah nespecifické imunity — — — zásah specifické Imunity
Labor Aktuell 04/13 17
U imunoglobulinů rozeznáváme anti-genně specifickou oblast Fab, přičemž druhý pól molekuly Fc je pro každý izo-typ konstantní. Po navázání k antigénu oblast Fc umožňuje iniciaci jak komple-mentu, tak fagocytózy. Konstantní část protilátky totiž představuje přirozený li-gand pro receptory FcR z povrchu mak-rofágů i neutrofilních granulocytů. Po aktivaci receptoru imunoglobulinem s navázaným antigenem je celý komplex pohlcen. Obdobná situace nastává u komplementu, kdy aktivovaná složka C3 na membráně agens afinuje k receptoru C3R fagocytů. Na nich ještě nacházíme receptorovou rodinu TLR (toll-like receptor). Jde o heterogenní a z evolučního hlediska konzervativní skupinu receptoru. Specificky afinují k určitým molekulám typickým pro určité mikroby.
3. Pomineme-li neutrofilní granulocyty, které po ingesci a degradaci materiálu zanikají, fagocytózu zprostředkovávají makrofágy, dendritické buňky (DC) infiltrované v tkáních. Fungují jako antigen prezentující buňky (APC, antigen-presenting cell), jež představují první linii buněk potřebných k získání specifické imunity. Měli bychom si uvědomit rozdíly mezi makro fágy a dendritic-kými buňkami. Řekněme, že dendritické buňky jsou více zaměřeny k antigenní prezentaci, tudíž zpracování pohlceného materiálu bude o něco šetrnější než u makrofágů. Obecně to označujeme jako degradaci.
Při ingesci nejprve vznikne fagozóm teprve poté fagolysozóm, kde se samotný proces při pH 4 - 5 odehrává. Proteoly-ticky působí enzymy např. katepsiny elastáza nebo lysozym. Na mikroby toxicky působí tzv. oxidační vzplanutí, kdy NADPH-oxidáza produkuje superoxido-vý radikál O2' a peroxid vodíku. Naproti tomu výsledkem pro neoxidační vzplanutí je tvorba oxidu dusnatého.
Zbytky rozložených mikroorganismů představují peptidové štěpy. V mnoha případech mají charakter antigénu, protože v buňce asociují s MHC glykoproteiny. Nyní se dostáváme na část imunitní reakce, kde buněčná nespecifická imunita bezprostředně navazuje na specifickou, k čemuž jsou zapotřebí právě antigén prezentující buňky (APC). Tím že intracelulárně navazují antigenní štěpy s MHC gp první i druhé třídy a vzniklé komplexy exprimují na svůj povrch, umožňují prekurzorovým T-lymfocytům získat vůči těmto antige-nům imunokompetenci. Následně lymfo-cyty proliferují v klon efektorových buněk. Termín imunokompetence chápejme jako schopnost aktivního vyhledávání antigénu a zahajovat vůči nim imunitní reakce.
4. Ale situace je složitější, protože T-lymfocyty na povrchu nesou recep-torové komplexy TCR (T-cell receptor), u kterých je zapotřebí, aby se k prezentovanému antigénu navázaly. Navíc povrchové molekuly CD28 z lymfocytů musejí vytvořit vazbu s CD80, eventu-
elně CD86 vystavených na APC. Buněčný kontakt označujeme jako imunologickou synapsi. Na synapsi participují buď Tc-lymfocyty (cytotoxické s typickou expresí znaku CD8) nebo TH-lymfocyty (pomocné s typickou expresí znaku CD4).
5. Začneme Tc-lymfocyty, u nichž je situace jednodušší. Ve schématu v oblasti 2b probíhá intracelulární infekce. Každá jaderná buňka našeho organismu vytváří MHC gp I. třídy. Při replikaci viru nutně vznikají jeho stavební proteiny, které samy o sobě představují antigény Buňky molekuly podrobí asociaci s MHC glykoproteiny, posléze exprimují na cytoplazmatickou membránu, a proto umožní efektorovým Tc-lymfocytům rozpoznat její transformaci (červené šipky). Uvědomme si, že schopnost reagovat s těmito antigen-ními fragmenty lymfocyty získaly během styku s APC v minulosti.
Transformovanou buňku Tc-lymfocyt identifikoval a zahajuje cytotoxickou imunitní reakci. Zároveň na přítomnost antigénu reagují specifické imunoglobuliny složky komplementu, což stimuluje fagocytózu a následně augmentuje aktivitu nových antigén prezentujících buněk.
Lymfocyty disponují několika možnostmi, jak usmrtit patologické buňky. Mohou navodit apoptózu prostřednictvím receptoru Fas (CD95). Receptory disponuje většina somatických buněk, přičemž ligandem je FasL z povrchu Tc-lymfocyů, který po navázání indukuje apoptózu. Odlišný způsob spočívá v uvolnění granul s perforiny vytvářejícími v cytoplazmatické membráně infikované buňky póry. Pro oba způsoby je nutný těsný kontakt mezi lymfocytem a cílovou buňkou. Naproti tomu produkce lymfotoxinu nevyžaduje bezprostřední kontakt, ale jeho sekrece poškozuje všechny buňky v blízkém okolí.
6. Existuje ještě jeden typ imunocytů
s označením NK-buňky (natural killer). Vyznačují se obdobnými mechanismy účinku jako Tc-lymfocyty, ale jiným způsobem rozpoznání transformovaných buněk. Infekce např. herpetickými viry snižuje přirozenou expresi
18 Labor Aktuell 04/13
MHC gp, tudíž klasická cytotoxická reakce selhává. Právě na nedostatek gly-koproteinů a také opsonizaci imuno-globuliny reagují NK-buňky (červená šipka). Poněvadž ani nemají antigenně specifické receptory, považujeme je za složku nespecifické imunity.
7. Oblast schématu popisuje aktivaci pomocných TH-lymfocytů (červené šipky). Výchozím bodem je kontakt s makro fágem či jinou antigén prezentující buňkou, která prostřednictvím MHC glykoproteinů vystavuje anti-genní štěpy, aby pomocné lymfocyty vytvořily imunologickou synapsi. Ovšem musejí disponovat TCR schopným vazby s antigenem a znakem CD28 adherovatk CD80 nebo CD86
z povrchu APC. Nastane proliferace a diferenciace v klon efektorových buněk.
Následně mohou Tn-lymfocyty participovat na dvou buněčných reakcích, při nichž podněcují aktivitu monocytů nebo B-lymfocytů. Reakce probíhají současně, ale vždy jedna převažuje nad druhou s ohledem na potřeby organismu.
8. Vyšší koncentrace interleukinu 12 (IL-12) koresponduje s rozvojem reakce typu ThI , kdy lymfocyty stimulují přeměnu monocytů v makro fágy, tedy plnohodnotné antigén prezentující buňky s rozvinutou degradační schopností. Umožňuje to interferon-y (IFN-y) sekretovaný ThI-lymfocyty. Celý
proces startuje v případě, že monocyt předtím zfagocytoval a odprezentoval antigenní struktury, které v minulosti zapříčinily vznik klonu efektorových ThI -lymfocytů (červená šipka).
9. Při zvýšené hladině interleukinu 4 (IL-4) se diferenciace pomocných lymfocytů ubírá jiným směrem. Vznikají TH2-lymfocyty, které zprostředkovávají buněčnou reakci Th2. Výsledkem je transformace B-lymfocytů v plazmatické buňky (taktéž plazmocyty) specializované k produkci specifických protilátek. S tím koresponduje fakt, že mají vysoce vyvinutý proteosyntetický aparát.
Zatímco T-lymfocytům musejí být antigény prezentovány v asociaci s MHC gp, B-lymfocyty respektive jejich BCR (B-cell receptor) mohou navázat nativní antigén. Avšak jsou-li schopné vzájemné vazby. B-lymfocyt následně antigén podrobí in-gesci a za pomoci glykoproteinů prezentuje na povrchu. TH2-lymfocyt může svým TCR struktury na B-lymfocytu rozpoznat a zahájit procesy k jeho diferenciaci v plazmatickou buňku uvolňováním interleukinu 4,5,6 (červená šipka). Reakce vede k produkci specifických imunoglo-bulinů izotypu IgM.
V ideálním případě TCR i BCR na lymfocytech byly senzibilizovány stejným antigenem. Hovoříme o tzv. přímé pomoci B-lymfocytům. Nepřímá pomoc nastává, když TCR i BCR stimulovaly odlišné antigény. V obou případech říkáme, že pro-tilátkovou reakci vyvolaly antigény závislé na T-lymfocytech (T-dependentní antigény), což umožňuje rozvoj primární a sekundární imunitní reakce. Antigény nezávislé na lymfocytech (non-depen-dentní) svou polysacharidovou strukturou dokáží stimulovat B-bunky, aniž by do reakce vstupovaly pomocné lymfocyty. Sice je produkce imunoglobulínu časově pružnější, ale jen po určitou dobu a jen izotypu IgM.
BCR můžeme chápat jako určitý molekulární předstupeň protilátky, kterou je lymfocyt připraven produkovat. Pokud dojde k aktivaci, bude antigenně specifická oblast syntetizovaných imunoglo-bulinů kopírovat strukturu BCR.
Labor Aktuell 04/13 19
10. Vidíme, jak na stejného mikroba působí více eliminačních procesů, než tomu bylo na začátku. U extracelulární i intracelulární infekce nalézá uplatnění ThI, Th2 reakce ve spolupráci s fago-cytózou a humorální imunitou (červené šipky).
Primární a sekundární imunitní reakce
Zatím jsme věnovali pozornost situaci, kdy imunitní systém zpracovával doposud neznámé antigény (červené šipky). Označujeme to termínem primární imunitní reakce. Pokud antigenní stimul přetrvává delší dobu nebo nastane reinfekce mikrobem, rozvíjí se sekundární imunitní reakce. Je důležitá pro fixaci imunologické paměti, která závisí na paměťových buňkách. Nevznikají diferenciací jen z aktivovaných B-lymfocytů, ale i T-lymfocytů (modré šipky). Při opětovném setkání s antigenem rychle proliferují a mají opět efektorový charakter.
11. Většinu času své existence tráví
v oblasti lymfatických tkání, kde na ně pozitivně působí folikulární dendritic-ké buňky (FDC). V době primární i sekundární reakce vytvářejí depozita antigénu, dlouhodobě jej paměťovým buňkám prezentují, atakjeudržujíve viabilním stavu. Poznání úlohy FDC nám vysvětlilo, proč je pro udržení imunoprotekce důležitá revakcinace.
12. Konečně sekundární imunitní reakce souvisí s tzv. izotypovým přesmy-kem (modrá šipka). Některé plazmatické buňky vzniklé během primární reakce prodělají změny, jež vyústí v tvorbu imunoglobulinů dalšího izotypu. Sled produkce specifických protilátek v or-
ganismu je následující: nejprve IgM, IgG a následují IgA s IgE. Je to umožněno přeskupováním Ig-genů kódujících konstantní část molekuly imunoglobulinů, přičemž geny pro antigenně specifickou oblast přeskupovány nejsou.
Problematika MHCgp, TCR, BCR
MHC glykoproteiny i receptorové komplexy T a B lymfocytů determinují a zároveň limitují specifickou imunitu, protože přímo vstupují do vazby s antigenem. Přirozenou funkcí glykoproteinů je intracelulární asociace s antigény, a to jak exogen-ních, tak endogenních. MHC gp si tedy můžeme představit jako nitrobuněčné peptidy navazující antigenní štěpy. Celý komplex pak putuje na povrch cytoplaz-matické membrány, kde vykazuje klasický antigenní charakter. Protože lidská populace se vyznačuje polymorfismem MHC glykoproteinů, nemusí mít každý jedinec molekuly schopné vazby se všemi antigény Z toho vyplývá, že nemusí být pro každého jedince daný antigén antigenem. Je to dáno genově determinovanou absencí vhodných HLA molekul. Nebude tak možné jeho zpracování antigén prezentujícími buňkami a imunokompetentní lymfocyty nevzniknou. Naopak nevhodná skladba MHC gp participuje na nepřiměřeně zvýšené prezentaci autoantigenů či alergenů, což nám pomáhá vysvětlit pato-genezi autoimunitních onemocnění nebo alergií.
Měli bychom si uvědomit, že ne každý imunocyt spolupracuje se všemi třídami MHC glykoproteinů. Tc-lymfocyty nesou typický znak CD 8, který u TCR určuj e afinitu. Od APC nebo ostatních somatických buněk rozeznávají jen antigény v asociaci s MHC gp I. třídy. Poněvadž tyto glykoproteiny exprimují všechny jaderné buňky, budou mít nad nimi cytotoxické lymfocyty imunologický dohled. Naopak TH-lymfocyty díky molekule CD4 dokáží svůj TCR navázat j en k antigenům v komplexu s MHC gp II. třídy. Z toho vyplývá, že APC i B-lymfocyty tyto glykoproteiny musejí přirozeně exprimovat.
Situace analogická ke schopnosti MHC glykoproteinů asociovat s antigen-
ními strukturami nastává u TCR potažmo BCR u lymfocytů. Receptory jsou determinovány geny. Při proliferaci nezralých lymfocytů genové segmenty podléhají náhodnému přeskupování, což pozměňuje strukturu receptoru a následně schopnost vazby s antigény
Nicméně opět nastává situace, kdy ne každý jedinec si pro daný antigén dokáže vytvořit komplementární receptory a nemohou tak vzniknout imunokompetentní lymfocyty. BCR můžeme chápat jako určitý molekulární předstupeň protilátky, kterou je lymfocyt připraven produkovat. Zmiňované přeskupování genových segmentů představuje i jiné riziko. V rámci velkého počtu kombinací, respektive vazebných schopností TCR nebo BCR zákonitě vznikají i autoreaktivní lymfocyty. Proto se naivní lymfocyty podrobují selekčním mechanismům, které u autoreak-tivních forem navozují apoptózu.
Princip specifických mechanismů
Shrneme-li naše znalosti o fylogenetický mladší specifické imunitě, můžeme říci, že pracuje na klonálně anticipačním principu. Již víme, že produkci imunocytů s antigenně specifickými receptory a zároveň vzájemně odlišnými limitují genyjedince. Odtud pochází termín anticipace čili předurčení. Variací je ovšem nepočitatelně, takže zpravidla se najde receptor schopný vazby s antigenem. Pokud se tak stane, lymfocyty proliferují v klon buněk stejného specifického zaměření schopné imunitní reakce.
Literatura:
1) HORE JSI, Václav a Jiřina BARTUN-KOVA. Základy imunologie. 3. vyd. Praha: Triton, 2005, 279 s. ISBN 80-725-4686-4.
2) STERZL, Jaroslav. Imunitní systém:
a jeho fyziologické funkce. 1. vyd. Praha: Česká imunologická společnost, 1993, 480 s.
20 Labor Aktuell 04/13