Immunità innata 2 37 Riconoscimento da parte di effettori preesistenti, non specifici Riconoscimento di strutture molecolari associate al microbo Infiammazione reclutamento e attivazione di cellule effettrici Riconoscimento da parte di cellule immature B e T Rimozione dell'agente infettivo Risposta immune adattativa (tardiva: >96 ore) Risposta indotta precoce (precoce: 4-96 ore) Immunità innata (immediata: 0-4 ore) Infezione Infezione Infezione Trasporto di antigeni agli organi linfoidi Rimozione dell'agente infettivo Rimozione dell'agente infettivo Espansione clonale e differenziamento cellule effettrici Fig. 2.1 La risposta ad un’infezione iniziale si verifica in tre fasi. I mec- canismi effettori che rimuovono l’a- gente infettivo (per esempio, i fagociti e il complemento) sono simili o identi- ci in ciascuna fase, ma le prime due fasi dipendono dal riconoscimento di patogeni da parte di recettori, codifi- cati dalla linea germinale del sistema immunitario innato, mentre l’immunità adattativa utilizza recettori antigene- specifici variabili, prodotti come risul- tato di riarrangiamenti di segmenti genici. L’immunità adattativa intervie- ne più tardi, perché le poche cellule B e T specifiche per i patogeni invasori devono andare incontro ad espansio- ne clonale, prima di differenziarsi in cellule effettrici che possano elimina- re l’infezione.
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Immunità innata 237
Riconoscimento da parte di effettori preesistenti,
non specifici
Riconoscimento di strutture molecolari associate al microbo
Infiammazione reclutamento e attivazione
di cellule effettrici
Riconoscimentoda parte di celluleimmature B e T
Rimozione dell'agente infettivo
Risposta immuneadattativa
(tardiva: >96 ore)
Risposta indottaprecoce
(precoce: 4-96 ore)
Immunità innata(immediata: 0-4 ore) Infezione
Infezione
InfezioneTrasporto di antigeni
agli organilinfoidi
Rimozione dell'agente infettivo
Rimozione dell'agente infettivo
Espansione clonalee differenziamento
cellule effettrici
Fig. 2.1 La risposta ad un’infezioneiniziale si verifica in tre fasi. I mec-canismi effettori che rimuovono l’a-gente infettivo (per esempio, i fagocitie il complemento) sono simili o identi-ci in ciascuna fase, ma le prime duefasi dipendono dal riconoscimento dipatogeni da parte di recettori, codifi-cati dalla linea germinale del sistemaimmunitario innato, mentre l’immunitàadattativa utilizza recettori antigene-specifici variabili, prodotti come risul-tato di riarrangiamenti di segmentigenici. L’immunità adattativa intervie-ne più tardi, perché le poche cellule Be T specifiche per i patogeni invasoridevono andare incontro ad espansio-ne clonale, prima di differenziarsi incellule effettrici che possano elimina-re l’infezione.
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Fig. 2.2 I patogeni infettano l’orga-nismo in modi molto diversi.
Contatto fisico Trichophyton
Bacillus anthracis
Clostridium tetani
Francisella tularensis
Piede d'atleta
Punture zanzara (Aedes aegypti)
Puntura
Punture zanzara(Anopheles)
Flavivirus
Borrelia burgdorferi
Plasmodium spp.
Febbre Gialla
Malattia di Lyme
Malaria
Abrasioni minori pelle
Punture ferite
Cura animali infetti
Antrace cutaneo
Tetano
Tularemia
Via di entrata Modo di trasmissione Patogeno Malattia
Epiteli esterni
Superficie delle mucose
Modi di infezione per i patogeni
Vie aeree
Gocce di vapore inalato
Spore
Cibo o acqua contaminato
Contatto fisicoTreponema pallidum
HIV
Salmonella typhi
Rotavirus
Febbre tifoide
Diarrea
Sifilide
AIDS
Influenza virus
Neisseria meningitidis
Bacillus anthracis
Influenza
Meningite da meningococco
Inalazione antrace
Ferite e abrasioni
Puntura di insetti
Apparato gastrointestinale
Apparato riproduttivo
Superficie esterna
40
Fig. 2.3 Le infezioni e le rispostead esse possono essere divise inuna serie di fasi. Sono illustrate quile fasi relative all’introduzione di unmicrorganismo infettivo nella pelle,attraverso una ferita. L’agente infettivodeve prima aderire alle cellule epite-liali e poi attraversare l’epitelio. Unarisposta immunitaria innata locale puòprevenire lo stabilirsi di un’infezione. Inalternativa, essa aiuta a contenerel’infezione e invia gli agenti infettivi,trasportati dalla linfa all’interno dellecellule dendritiche, ai linfonodi locali.Ciò provoca una risposta adattativa edinfine l’eliminazione dell’infezione. Ilruolo delle cellule T �:� non è chiaro,come vedremo nella Sezione 2-29,come indicato dal punto interrogativo.
Immunità adattativa
Protezione contro l’infezione
L‘infezione è eliminata da anticorpispecifici, macrofagi attivati da linfociti T
e linfociti T citotossici
Meccanismo di riparazione delle feriteProteine e peptidi antimicrobici, fagociti
e complemento distruggono i microorganismi che invadono l’organismo.
Complemento, citochine, chemochine, fagociti, cellule NK
Attivazione dei macrofagi Le cellule dendritiche migrano ai linfonodi
per iniziare l’immunità adattativa
41
Fig. 2.4 Molte barriere impedisconoai patogeni di attraversare gli epite-li e colonizzare i tessuti. Gli epiteli disuperficie forniscono barriere mecca-niche, chimiche e microbiologiche alleinfezioni.
Pelle Intestino Polmoni Occhi/naso
MeccanicoCellule epiteliali unite da giunzioni salde
Flusso longitudinale aria o fluidi
Flora normale
Movimento di muco mediato da ciglia
Acidi grassiBasso pH
Enzimi (pepsina)
Enzimi salivari(pepsina)
Microbiologico
Chimico
Peptidi antibatterici
Barriere epiteliali intrinseche contro le infezioni
43
Fig. 2.5 I macrofagi sono attivati dai patogeni e li fagocitano, oltre a dare inizioalla risposta infiammatoria. I macrofagi derivano dai monociti circolanti. Rispettoad essi, possono mantenere le stesse caratteristiche ma acquisiscono anche nuovefunzioni e nuovi recettori quando diventano cellule residenti nei tessuti connettivi delcorpo. I macrofagi esprimono recettori per molte componenti batteriche, compresi irecettori per i carboidrati batterici (recettori per mannosio e glucani), lipidi (recettoreper LPS) e altri elementi di derivazione patogena (recettori Toll-like (TLRs) e recetto-ri spazzini). Il legame dei batteri ai recettori dei macrofagi stimola la fagocitosi e lacattura dei patogeni in vescicole intracellulari, dove vengono distrutti. Il segnalemediato da diversi recettori, come i recettori Toll-like, in riposta a componenti batteri-che causa la secrezione di “citochine pro-infiammatorie”, come interleuchina 1�(IL-1�), IL-6, ed il fattore di necrosi tumorale � (TNF-�).
I macrofagi fagocitano e digeriscono i batteriai quali si legano
Il macrofago esprime recettori per molte componenti batteriche
Il legame dei batteri ai recettori dei macrofagidà inizio al rilascio di citochine e piccoli
mediatori lipidici dell'infiammazione
Recettoremannosio
Recettore LPS(CD14)
Recettoreglucano
Citochine
Mediatorelipidico
Chemochine
Lisosoma
Fagolisosoma
Fagosoma
Recettorespazzino
TLR-4
LPS
44
Fig. 2.6 Gli agenti battericidi sonoprodotti o rilasciati dai fagocitidurante l’ingestione dei microrgani-smi. La maggior parte di questi agentisono prodotti sia dai macrofagi chedai neutrofili. Alcuni di essi sono tossi-ci; altri, come la lattoferrina, agisconolegando nutrienti essenziali e, in talmodo, impediscono che vengano uti-lizzati dai batteri. Le stesse sostanzepossono essere rilasciate dai fagocitiche interagiscono con superfici rivesti-te da anticorpi come vermi parassiti otessuti dell’ospite. Dato che questiagenti sono tossici anche per le cellu-le dell’ospite, l’attivazione dei fagocitidurante un’infezione può provocaredanni tessutali estesi.
Tipi di meccanismi
Acidificazione
Ossidi d'azoto tossici
Peptidi antimicrobici
Competitori
Enzimi
Derivati tossici dell'ossigeno
Prodotti specifici
pH=~3.5–4.0, batteriostatici o battericidi
Ossido nitrico
Defensine e proteine cationiche
Lattoferrina (lega Fe) e proteina che lega la vitamina B12
Lisozima dissolve la parete cellulare di alcuni batteri grampositivi.Idrolasi acida digerisce ulteriormente i batteri
—
Superossido O , perossido di idrogeno H O , ossigeno singoletto O ,Radicale idrossilico OH , Ipoalite OCl
2 2 2 2•–
–
1
45
Fig. 2.7 La catena respiratoria nei macrofagi e nei neutrofili è scatenata da un aumento transiente del consumo diossigeno durante la produzione di metaboliti dell’ossigeno ad azione microbicida. L’ingestione di un microrganismo atti-va il fagocita, il quale assembla l’enzima NADPH ossidasi a partire dalle sue componenti. L’enzima attivo converte l’ossigenomolecolare in ione superossido O2
�, ed altri radicali liberi dell’ossigeno. Lo ione superossido è quindi convertito dall’enzimasuperossido dismutasi in perossido di idrogeno, che può uccidere i microrganismi ed è inoltre convertito da altri enzimi attra-verso reazioni con lo ione ferroso (Fe2�) in radicali ipoclorito e idrossido, ad azione microbicida.
for next edition PT wantsanother panel - remember?
La NADPH ossidasi attivata converte molecole O2 nel superossido O2
–L'enzima NADPH ossidasi è composto
da diverse subunità
Un secondo enzima, la superossido dismutasi, converte
il superossido in iperossidodi idrogeno
L'enzima perossidasi e ilferro convertono infine il
perossido di idrogeno in ioniipoclorito e radicali idrossilici
Vacuolo endocitico
gp22phox gp91phox
Rac
p40phox
p47phox p67phox
Fe2+
46
Fig. 2.8 L’infezione stimola i macrofagi a stimolare le citochine e le chemochine che danno inizio alla risposta infiam-matoria. Le citochine prodotte dai macrofagi tissutali nel sito di infezione causano la dilatazione locale dei capillari ed il cam-biamento delle cellule endoteliali della loro parete. Queste modificazioni portano al movimento di leucociti i neutrofili e i mono-citi, fuori dal vaso sanguigno (extravasazione) e verso il tessuto infetto, guidato dalle chemochine prodotte dai macrofagi atti-vati. I vasi sanguigni diventano anche più permeabili, consentendo alle proteine plasmatiche e al fluido di passare nei tessuti.Nel complesso, queste modificazioni provocano i caratteristici segni dell’infiammazione, come calore, dolore, arrossamento,gonfiore nel sito d’infezione.
Citochine
Chemochine
Le citochine prodotte dal macrofago causano dilatazione dei
capillari sanguigni
I leucociti si dispongono verso la periferia del vaso per azione dell'aumento
dell'espressione delle molecole di adesione
I leucociti extravasano a livello del sito d'infezione
Nei capillari avviene la formazione del coagulo
47
Fig. 2.9 I monociti circolanti nelsangue riconoscono i vasi sangui-gni vicini al sito d’infiammazione elasciano il flusso sanguigno permigrare nel tessuto verso il sitod’infezione e infiammazione. Leinterazioni iniziali sono mediate damolecole d’adesione che prima cattu-rano i monociti dal flusso sanguigno efanno in modo che essi aderiscanoalla parete all’endotelio vascolare. Lechemochine legate all’endoteliovascolare danno quindi il segnale aimonociti di migrare attraverso il vasonel tessuto sottostante. I monociti, cheora si differenziano in macrofagi, con-tinuano a migrare, sotto l’influenzadelle chemochine rilasciate durante larisposta infiammatoria, verso il sitod’infezione.
chemochine
Tessuto
Lume vaso sanguigno
Recettore perchemochina
Molecolad'adesione
I monociti migrano nel tessutocircostante
I monociti legano le molecole di adesione sull'endotelio vascolare vicino ai siti di infezione
e ricevono il segnale delle chemochine
I monociti si differenziano in macrofagi e migrano nel sito
di infezione
49
Fig. 2.10 Confronto tra le caratteri-stiche delle molecole di riconosci-mento del sistema immunitarioinnato e acquisito. Il sistema immu-nitario innato utilizza recettori chesono codificati da geni completi eredi-tati durante la linea germinale, mentreil sistema immunitario acquisito usarecettori per antigeni codificati da seg-menti genici che sono assemblati inrecettori completi in cellule T e Bdurante lo sviluppo dei linfociti, unprocesso che porta ogni cellula adesprimere un recettore con specificitàunica. Come risultato i recettori delsistema immunitario innato si svilup-pano in modo non clonale mentre irecettori per l’antigene del sistemaimmunitario acquisito sono distribuitiin modo clonale (cioè ogni tipo cellula-re da un’unica cellula), nella popola-zione linfocitaria dell’individuo
Espresso da un particolare tipo di cellula(es. macrofagi)
Si No
Media risposta immediata Si No
Riconosce ampia gamma Si No
No Si
Codificato da diversi geni No Si
Richiede riarrangiamento genico No Si
Distribuzione clonale No Si
Interagisce con un range di strutture molecolari di un certo tipo
In grado di discriminare strutture molecolari molto simili
Si No
50
Fig. 2.11 La lectina che lega il man-nosio riconosce la superficie batte-rica sulla base della peculiare spa-ziatura tra i residui di carboidrati.La lectina che lega il mannosio (MBL)è una proteina plasmatica che faparte del sistema di riconoscimentodel patogeno del sistema immunitarioinnato. Essa si lega alla superficie dicerti batteri che dispongono di unadeterminata disposizione spaziale deiresidui di mannosio e di fucosio. È danotare che la sola presenza di questiresidui non è sufficiente per assicura-re il legame; l’orientazione dei siti dilegame in MBL è fissa, e solo i residuidi mannosio e fucosio che hanno lacorretta disposizione spaziale potran-no essere legati da MBL. Una voltarivestiti da MBL, i batteri sono moltopiù predisposti alla fagocitosi.
La lectina che lega il mannosio (MBL) ha da due a sei cluster di domini di riconoscimento di
carboidrati. Dentro ogni dominio il sito di legameha un'orientazione fissa
MBL lega il mannosio con alta affinità e fucosio nella corretta disposizione spaziale
I residui di mannosio e fucosio che hanno una disposizione spaziale diversa non sono legati da MBL
Elio collageneα-elica
Domini che riconoscono i carboidrati
51
Fig. 2.12 il riconoscimento immunitario innato da parte dei recettori Toll-like.Ciascuno dei TLRs noti riconosce uno o più pattern di molecole microbiche general-mente attraverso l’interazione diretta con molecole sulla superficie del patogeno.GPI, glicosilfosfatidilinositolo; T.cruzi, il parassita protozoico di Tripanosoma cruzi;dsRNA, RNA a doppio filamento.
TLR-2/TLR-6dimero
PeptidoglicaniLipoproteineLipoarabinomannano(mycobacteria)GPI (T. cruzi)Zymosan (yeast)
TLR-1 dimero
TLR-3 dsRNA
Riconoscimento immunitario mediato dai recettori Toll-like
RecettoriToll-like Ligando
LPS (batteri gram negativi)
TLR-4 dimero(plus CD14)
TLR-5 Flagellina
TLR-9 Cpg DNAnon metilato
52
Fig. 2.13 Alcuni patogeni possonoinvadere direttamente attraversol’epitelio dell’intestino o altri epiteli.Nel caso di Salmonella Tiphy, checausa la febbre tifoide, mostrata quinel processo di migrazione attraversol’epitelio intestinale, i lunghi flagellisono riconosciuti dai recettori Toll-likesui macrofagi e sulle cellule dendriti-che nei tessuti sottostanti e provocanouna risposta immunitaria innata cheaiuta a controllare l’infezione.Fotografia gentilmente concessa daJ.Galan
LPS nei fluidi corporei è legato da una proteina di fase acuta, la proteina che lega LPS (LPB)
Il complesso LPS:LPB trasferisce LPS a CD14 sulla superficie del fagocita
CD14
LPS LBP
Avendo legato LPS, CD14 interagisce con il recettore Toll-like4 (TLR4) dando luogo
all'attivazione di NFκκB del nucleo
TLR-4
Fig. 2.14 Il lipopolisaccaride batterico segnala attraverso il recettore Toll-likeTLR-4 per attivare la trascrizione del fattore NFkappaB. TLR-4 sui macrofagi èattivato dal legame con il lipopolisaccaride batterico (LPS) attraverso altre due protei-ne. Nel plasma, LPS è legato da proteina solubile che lega LPS, che scarica quindi ilsuo LPS legato proteina di membrana CD14 associato al glicosilfosfatidilinositolo(GPI). Questo complesso LPS: CD14 induce quindi la proteina di membrana TLR-4 asegnalare nel nucleo, attivando la trascrizione di NFkappaB, che a sua volta attiva igeni codificanti per le proteine coinvolte nella difesa dell’ospite dall’infezione.
53
Fig. 2.15 Le citochine più impor-tanti secrete dai macrofagi inrisposta ai prodotti batterici com-prendono IL-1�, IL-6, CXCL8, IL-12,e TNF-�. TNF-� è un induttore di unarisposta infiammatoria locale cheaiuta a contenere l’infezione; haanche effetti sistemici, molto dei qualidannosi (vedi Sez. 2-24). La chemo-china CXCL8 è anch’essa coinvoltanella risposta infiammatoria locale,aiutando ad attirare i neutrofili nel sitod’infezione. IL-1�, IL-6 e TNF-�hanno un ruolo cruciale nell’indurre larisposta di fase acuta nel fegato (vediSez. 2-25) e nell’indurre la febbre,che favorisce l’effettiva difesa dell’o-spite in diversi modi. IL-12 attiva lecellule NK della risposta immunitariainnata e favorisce la differenziazionedelle cellule T CD4 nel gruppo TH1durante la risposta immunitaria acqui-sita.
Principale produttoreCitochine
IL-1 MacrofagiCheratinociti
Linfociti
Agisce su
Aumenta risposta
Fegato Induce secrezione di proteine di fase acuta
IL-6MacrofagiCellule dendritiche
Linfociti Aumenta risposta
Fegato Induce secrezione di proteine di fase acuta
CXCL8(IL-8)
MacrofagiCellule dendritiche
Fagociti Chemoattraente per neutrofili
IL-12MacrofagiCellule dendritiche
Cellule T immature
Risposta immunitaria di tipo 1 proinfiammatoria, secrezione di citochine
TNF-α MacrofagiCellule dendritiche
Endoteliovascolare
Effetto
Citochine secrete dai macrofagi e cellule dendritiche
Induce cambiamenti nell'endotelio vascolare (espressione di molecole di adesione (selettine E e P), cambiamentinelle giunzioni cellulari con aumento di perdita di fluidi, coagulo locale
54
Fig. 2.16 LPS batterico induce cambiamenti nelle cellule di Langerhans, stimo-landole a migrare ed ad iniziare la risposta immunitaria acquisita all’infezioneattivando le cellule T CD4Le cellule di Langerhans sono cellule dendritiche immature localizzate nella pelle.Durante un’infezione batterica vengono attivate da LPS attraverso il segnale Toll. Ciòinduce due tipi di cambiamenti nelle cellule di Langerhans. Il primo è un cambiamentodel comportamento e della localizzazione. Da cellule inattive nella pelle si trasformanoin cellule attive migranti verso i vasi linfatici afferenti ed alla fine, una volta raggiunto illinfonodo, in cellule dendritiche pienamente mature. Le cellule di Langerhans inattivenella pelle hanno proprietà altamente fagocitiche e macropinocitiche, ma non sono ingrado di attivare i linfociti T. Le cellule dendritiche mature nei linfonodi hanno perso lacapacita di fagocitare l’antigene, ma hanno acquisito la capacità di stimolare le celluleT. Ciò è dovuto ad un aumento delle molecole MHC sulla loro superficie ed all’espres-sione di molecole co-stimolatorie CD80 (B7. 1) e CD86 (B7. 2).
TLR-4
Batterio
Cellula di Langerhans
CD14
CD80
CD86
Capitolo 2 – Immunità innata 55
Fig. 2.17 Affinché le cellule T imma-ture siano attivate dall’antigene,esso deve essere presentato loroda una cellula presentante l’antige-ne attivata che esprima anchemolecole co-stimolatorie. L’antigeneè riconosciuto del recettore delle cel-lule T sottoforma di un peptide legatoad una molecola MHC su una cellulepresentante l’antigene (APC), comeun macrofago o una cellule dendritica.Comunque le cellule T saranno attiva-te soltanto se la cellula presentantel’antigene esprime anche le molecoleco-stimolatorie CD80 e CD86.
Sia antigene che costimolo
CD80or CD86
CD28
Cellula T nativa
Attivazione cellula T
Patogeno
No antigene No co-stimolazione
Attivazione della cellula T richiede sia l'antigene che segnali costimolatori
MHC CD4
Anticorpo
Cellula T nativa Cellula T nativa
No peptide antigegnicoNo risposta
No attivazioneCellula T diventa non responsiva
CD4
APC
di classe II
Recettoredelle cellule T CD28CD28
CD80Recettoredelle cellule T
56
Fig. 2.18 Rappresentazione schema-tica della cascata del complemento.Esistono tre vie di attivazione del com-plemento: la via classica, che è stimo-lata dal legame diretto del componentedel complemento C1q ad anticorpicomplessati con l’antigene dal legamediretto con Clq sulla superficie delpatogeno o dal legame di Clq alla pro-teina C reattiva legata al patogeno; lavia lectinica, che è stimolata dalla lecti-na legante il mannosio, un normalecostituente serico che lega alcuni bat-teri capsulati; e la via alternativa, che èattivata direttamente sulla superficiedel patogeno. Tutte queste vie genera-no un’attività enzimatica cruciale chedetermina la formazione delle molecoleeffettrici del complemento. Le tre con-seguenze principali dell’attivazione delcomplemento sono l’opsonizzazionedei patogeni, il reclutamento di celluleinfiammatorie e l’uccisione diretta deipatogeni.
Opsonizzazionepatogeni
Reclutamento celluleinfiammatorie
Uccisionepatogeni
Attivazione complemento
Via classica Via alternativaVia della lectina MB
Superficie patogenoLegame lectina alla superficie del patogeno
Complesso antigene/anticorpo
57
Fig. 2.19 Rappresentazione deiprincipali componenti e azioni effet-trici del complemento. Gli eventi pre-coci di tutte e tre le vie di attivazionedel complemento implicano una seriedi reazioni di taglio che culminanonella formazione di un enzima chia-mato C3 convertasi, che taglia il com-ponente del complemento C3 in C3be C3a. La produzione della C3 con-vertasi è il punto in cui le tre vie con-vergono e in cui le funzioni principalidel complemento sono generate. C3blega covalentemente la membranadelle cellule batteriche e opsonizza ibatteri, permettendo ai fagociti diinternalizzarli. C3a è un peptidemediatore d’infiammazione locale.C5a e C5b sono generati in seguito altaglio di C5b da parte di una C5 con-vertasi, formata da C3b legato alla C3convertasi (non illustrato in questodiagramma semplificato). Anche C5aè un potente peptide mediatore dell’in-fiammazione. C5b stimola gli eventitardivi nei quali i componenti terminalidel complemento si uniscono a forma-re un complesso di attacco alla mem-brana che può danneggiare la mem-brana di certi patogeni.
Rimozioneimmunocomplessi
Legame a recettori percomplemento sui fagociti
Opsonizzazionepatogeni
Mediatori peptidicidell'infiammazione,
reclutamento fagociti
Complesso attacco membrana,lisi di alcuni patogeni e cellule
Componenti terminali complemento
C5bC6C7C8C9
C3a, C5a C3b
C3 convertasi
C3BD
C1q, C1r, C1sC4C2
Complesso antigene/anticorpo(superficie patogeno)
Superficie patogenoMB lectina lega mannosio sulla superficie patogeno
MBL, MASP-1, MASP-2C4C2
Via classica Via alternativaVia della lectina MB
58
Fig. 2.20 Classi di proteine funzio-nali nel sistema del complemento.
C4bC3b
Classi funzionali di proteine nel sistema complemento
Legame al mannosio suibatteri
Proteine e opsonine dimembrana
Mediatori peptidiciinfiammazione
C5aC3aC4a
C1rC1sC2bBbD
MASP-1MASP-2
C5bC6C7C8C9
CR1CR2CR3CR4C1qR
C1INHC4bpCR1MCPDAF
HIP
CD59
MBL
Legame al complesso antigene anticorpo e alla superficie patogeno
C1q
Proteine di attacco alla membrana
Recettori complemento
Proteine regolatoriecomplemento
Attivazione enzimi
59
Fig. 2.22 La via classica di attivazione del complemento genera una C3 convertasi che deposita grandi quantità dimolecole C3b sulla superficie del patogeno. Le fasi della reazione sono sottolineate qui e descritte nel testo. Il taglio di C4da parte di C1s espone un gruppo reattivo su C4b che gli permette di legare covalentemente la superficie del patogeno. C4bpoi lega C2, rendendolo suscettibile al taglio attuato da C1s. Il frammento più largo C2b è la componente proteasica attivadella C3 convertasi. Essa taglia molte molecole di C3 per produrre C3b, che lega la superficie dei patogeni, e C3a, che è unmediatore dell’infiammazione.
C1q
C1rC1s
C4b2b è una convertasi C3 attiva che taglia C3 in C3a e C3b,
che lega la superficie del microbo o la convertasi stessa
C1s attivato lega C4 in C4a e C4b, che lega la superficie del microbo
C2
C4
C1s
C4b2b
C2aC4a
C4b C4b2bC3b
C3 C3
C4b2b3b
C3a C3a
C3b
C4b quindi lega C2, che è tagliato da C1s in C2a e C2b, formando il complesso C4b2b
Una molecola di C4b2b può tagliare fino a 1000 molecole di C3 in C3b. Molte molecole C3b si legano alla
superficie del microbo
Fig. 2.21 La prima proteina nella via classica del complemento è C1, che è uncomplesso formato da C1q, C1r e C1s. C1q è costituito da sei subunità identichecon teste globulari e lunghe code collageno-simili. Le code si combinano per legareciascuna due molecole di C1r e C1s, formando il complesso C1q:C1r2:C1s2. Leteste si possono legare alla regione costante delle immunoglobuline o direttamentealla superficie del patogeno, provocando un cambiamento conformazionale in C1r,che di seguito taglia e attiva lo zimogeno C1s. Le fotografie (ingrandite 500,000volte) sono state gentilmente concesse da K.B.M Reid.
60
Fig. 2.23 Le proteine della via clas-sica di attivazione del complemen-to.
Funzione della forma attiva
Lega direttamente la superficie del patogeno o indirettamente ad anticorpi legati al patogeno, consentendo l'auto attivazione di C1r
Lega covalentemente il patogeno e lo opsonizza, lega C2 per il tagliodi C1s
Enzima attivo della via classica C3/C5 convertasi: taglia C3 e C5
Molte molecole C3b legano la superficie del patogeno e agiscono da opsonine. Iniziano amplificazione tramite la via alternativa. Lega C5 per il taglio di C2b
Taglia C1s a proteasi attiva
Mediatore peptidico infiammatorio (debole)
Precursore C2 chinina vasoattiva
Mediatore peptidico infiammatorio (debole)
Taglia C4 e C2
Proteine della via classica di attivazione del complemento
Formaattiva
C1q
C4b
C2b
C3b
C1r
C4a
C2a
C3a
C1s
Componenteimmatura
C4
C2
C3
C1(C1q:C1r :C1s )2 2
61
Fig. 2.24 La lectina legante il man-nosio (MBL) forma un complessocon le serine proteasi che assomi-glia al complesso C1 del comple-mento. MBL forma dei raggruppa-menti costituiti da 2 a 6 teste leganti icarboidrati attorno ad uno stelo colla-geno-simile. Questa struttura, facil-mente osservabile al microscopio elet-tronico (riquadro in basso) è statadescritta come simile ad un mazzo ditulipani. Associate a questo comples-so ci sono due serin proteasi, serinproteasi associate a MBL 1 (MASP-1)e 2 (MASP –2). La disposizione strut-turale delle proteine MASP nel com-plesso non è ancora stata determina-ta. Durante il legame di MBL allesuperfici batteriche, queste serine pro-teasi si attivano e possono poi attivareil sistema del complemento tagliandoe attivando C4 e C2. Le fotografiesono state gentilmente concesse daK.B.M. Reid.
MASP-1
MASP-2
MASP-1
MASP-2
Lectina che lega il mannosio
62
Fig. 2.25 Il taglio di C4 espone unlegame tioesterico attivo che deter-mina la formazione del frammentogrande, C4b, che lega covalente-mente le molecole adiacenti sullasuperficie cellulare batterica. Il C4intatto è costituito da una catena a,una b e una g, con un legame tioeste-rico protetto, sulla catena a. Questoviene esposto quando la catena a ètagliata da C1s per produrre C4b. Ilgruppo tioesterico (indicato da unafreccia nel terzo riquadro) è rapida-mente idrolizzato (cioè, tagliato dal-l’acqua), inattivando C4b, a meno chenon reagisca con gruppi idrossilici oamminici per formare un legame cova-lente con le molecole sulla superficiedel patogeno. La proteina omologa C3ha un gruppo tioesterico reattivo iden-tico che è esposto sul frammento C3bquando C3 è tagliato da C2b. Il lega-me covalente di C3b e C4b, permettea queste molecole di agire comeopsonine ed è importante nel confina-re l’attivazione del complemento allasuperficie del patogeno
R
γ
β
α
γ
β
α
γ
β
α
γ
β
α
Superficie cellulare
Inattivo C4b C4b lega la superficie cellulare
Il gruppo tioesterico reattivo di C4b
Gly Glu
GlnCys
+ H O2 + R– OH (proteine, carboidrati)
C4
C4bC4aC1s
Taglio da parte di C1s
I I
Il fattore B si lega in modo non covalente a C3b sulla superficie cellulare ed è tagliato dal
fattore D in Bb
Sulla cellula ospite, le proteine che regolanoil complemento CR1, H, MCP, e DAF legano C3b. CR1, H, e DAF spiazzano Bb
I patogeni mancano di proteine che regolano il complemento. Il legame di properdina (fattore P)può stabilizzare il complesso C3bBb
C3b legato a H, CR1, e MCP è tagliatodal fattore I per dare C3b inattivo (iC3b)
No attivazione del complemento sulla superficiedella celllula ospite
Il complesso C3bBb è una conertasi e deposita molte molecole C3b sulla superficie del patogeno
Opsonizzazione, attivazione dei componentiterminali del complemento
C3 va incontro a idrolisi spontanea a C3(H2O), che lega il fattore B permettendogli diessere tagliato da fattore D in Ba e Bb
Il complesso C3(H2O)Bb è una C3 convertasi che taglia ancora più C3 in C3a e C3b. C3b è rapidamente
inattivato se non si lega alla superficie cellulare
fattore B
fattore D
Ba
Bb
fattoreBfattoreD
MCPH
C3b
iC3biC3b
iC3b
DAF
fattore I
fattore PBb
C3bBb
C3bMCP
H
C3b
C3b
CR1
CR1
Bb
DAF
C3b
C3a
C3
C3
Bb
C3(H2O)
C3(H2O)
I
63
Fig. 2.26 Il complemento attivatomediante la via alternativa attacca ipatogeni mentre risparmia le cellu-le dell’ospite che sono protettedalle proteine regolatorie del com-plemento. Il componente del comple-mento C3 è tagliato spontaneamentenel plasma per originare C3(H2O),che lega il fattore B e permette al fat-tore B legato di essere tagliato dal fat-tore D (riquadro superiore). La C3convertasi solubile che ne risultataglia C3 per dare C3a e C3b, chepuò attaccarsi alla cellula ospite o allasuperficie del patogeno (secondoriquadro). Il C3b, covalentementelegato, si lega al fattore B, che inrisposta è tagliato rapidamente dal fat-tore D a Bb, che rimane legato a C3bper formare una C3 convertasi, e Ba,che è rilasciato (terzo riquadro). SeC3bBb si forma sulla superficie dellecellule ospiti (riquadro in basso a sini-stra), è rapidamente inattivato dalleproteine regolatorie del complemento,espresse dalla cellula ospite: il recet-tore per il complemento 1 (CR1), il fat-tore accelerante il decadimento (DAF)e il cofattore di membrana per la pro-teolisi (MCP). La superficie della cellu-la ospite favorisce anche il legame delfattore H dal plasma. CR1, DAF e ilfattore H spostano Bb da C3b; CR1,MCP e il fattore H catalizzano il tagliodel C3b legato da parte della proteasiplasmatica, fattore I, per originare C3binattivo (conosciuto come iC3b). Lesuperfici batteriche (riquadro inferioredestro) non esprimono proteine rego-latorie del complemento e facilitano illegame della properdina (fattore P),che stabilizza l’attività della convertasiC3bBb. Questa convertasi è l’equiva-lente di C4b2b presente nella via clas-sica (vedi Fig. 2.22).
64
Fig. 2.27 Le proteine della via alter-nativa di attivazione del comple-mento.
Proteine della via alternativa dell'attivazione del complemento
Componenteimmatura
Frammentoattivo
C3 C3b
Fattore B (B)
Ba
Bb
Fattore D (D) D
Funzione
Lega la superficie del patogeno, lega B per il taglio di C3bBb che è una C3 convertasi e C3b2Bb è una C5 convertasi
Frammenti piccoli di funzione B ignota
Bb è l'enzima attivo della C3 convertasi C3bBb e della convertasiC5 C3b2Bb
Serina proteasi serica, taglia B quando è legato a C3b, a Ba e Bb
Properdina (P) PProteina plasmatica con affinità per C3bBb convertasi su cellule batteriche
Il complesso C3bBb è una C3 convertasi che taglia molecole C3 in C3a e C3b
C3
C3a
C3bBb
C3b
Il fattore B legato è tagliatodalla proteina plasmatica
fattore D in Ba e Bb
fattore D
Ba
Bb
C3b lega il fattore B
fattore B
C3b depositato dalla C3 convertasidella via classica o MBL
C3b
Fig. 2.28 La via alternativa di attivazione del complemento può amplificare la via classica o quella lectinica, forman-do una C3 convertasi alternativa e depositando più molecole C3b sul patogeno. Il C3b depositato dalla via classica o diquella lectinica può legare il fattore B, rendendolo suscettibile al taglio dal fattore D. Il complesso C3b, Bb è la C3 convertasidella via alternativa di attivazione del complemento e la sua azione, come quella di C4b2b, induce la deposizione di moltemolecole di C3b sulla superficie del patogeno.
65
Fig. 2.29 Esiste una stretta correla-zione tra i fattori della via alternati-va, della via lectinica e della viaclassica di attivazione del comple-mento. La maggior parte dei fattorisono o identici o il prodotto di geniche hanno duplicato e poi si sono dif-ferenziati per la sequenza. Le proteineC3 e C4 sono omologhe e contengo-no il legame tioesterico instabile, tra-mite il quale il loro frammento maggio-re, C4b e C3b, lega covalentemente lemembrane. I geni codificanti per leproteine C2 e B sono adiacenti nellaregione di classe III del MHC e sisono formati per duplicazione genica.Le proteine regolatorie fattore H, CR1,e C4bp condividono una sequenzaripetuta comune a molte proteineregolatorie. La più grande differenzafra le tre vie è a livello iniziale: nellavia classica il complesso C1 legaalcuni patogeni o anticorpi legati ed inquest’ultimo caso serve per convertireil legame di anticorpi in attività enzi-matica su una superficie specifica;nella via lectinica, la lectina legante ilmannosio (MBL) si associa con unaproteasi, la serina proteasi associataa MBL attivante (MASP), che ha lastessa funzione di C1r:C1s; nella viaalternativa questa attività enzimatica èfornita dal fattore D.
RapportoClassicaMB-lectinaAlternativa
(innata)
Passaggi nella viaFunzione della proteina della via
Omologo
Identico
Identico
Identico
Identico
Omologo
C1s
C3b
CR1C4BP
C2b
D MASP Omologo(C1s e MASP)
C4b
CR1H
C3b
C5b
C5a, C3a
Bb
Inizio serin proteasi
Legame covalente alla superficie cellulare
Controllo attivazione
UnicoNessunaPStabilizzazione
Opsonizzazine
Inizio via effettrice
Infiammazione locale
C3/C5 convertasi
Omologo
66
Fig. 2.30 Il componente del com-plemento C5 è tagliato dopo esserestato legato da una molecola C3bche è parte del complesso C5 con-vertasi. Come illustrato nel riquadrosuperiore, le C5 convertasi si formanoquando C3b lega la C3 convertasiC4b2b della via classica o della vialectinica per formare C4b2b3b o la C3convertasi della via alternativa C3bBbper formare C3b2Bb. Il C5 lega il com-ponente C3b in questi complessi(riquadro centrale). Il riquadro inferioreillustra come il C5 sia tagliato dall’en-zima attivo C2b o Bb per formare C5be il mediatore infiammatorio C5a. Adifferenza di C3b e C4b, C5b non èlegato covalentemente alla superficiecellulare. La produzione di C5b deter-mina l’inizio della formazione dei com-ponenti terminali del complemento.
C5 è tagliato da C2b o Bb per formare C5b e C5a
C5b
C5a
C3b2Bb
C5 lega i componenti C3b dell'enzimaC5 convertasi
C5 C5
C3b lega sia C4b2b sia C3bBb formandole convertasi C5 attive C4b2b3b e
C3b2Bb
C4b2b3b
C4b2b3b
C4b2b3b
C5a
C5b
C3b2Bb
C3b2Bb
67
Fig. 2.31 Distribuzione e funzionedei recettori per le proteine delcomplemento sulla superficie cellu-lare. Vi sono molti recettori specificiper diversi componenti del comple-mento legati e per i loro frammenti.CR1 e CR3 sono importanti nell’indur-re la fagocitosi dei batteri mediata dacomponenti del complemento legatisulla loro superficie. CR3 si trova prin-cipalmente sulle cellule B, dove faanche parte del complesso del co-recettore delle cellule B e del recetto-re attraverso il quale il virus diEpstein-Barr infetta selettivamente lecellule B, provocando la mononucleosiinfettiva. CR1 e CR2 condividonocaratteristiche strutturali con le protei-ne regolatorie che legano C3b e C4b.CR3 e CR4 sono integrine; CR3 èconosciuta per la sua importanza nel-l’adesione e migrazione dei leucociti,mentre si è osservato CR4 solo nellarisposta fagocitaria. I recettori C5a eC3a sono recettori transmembranaaccoppiati alla proteina G. FDC=cellu-le dendritiche follicolari non sono coin-volte nell’immunità innata e sarannotrattate nei capitoli successivi.
Recettore
CR2(CD21)
C5aRecettore
CR3(Mac-1)(CD11b/CD18)
CR4(gp150, 95)(CD11c/CD18)
Specificità Funzione Tipo cellulare
CR1(CD35)
C3d,
Epstein–Barr virus
C5aLega C5a
Attiva proteina G
iC3b
Parte del corecettore per cellule BRecettore virus Epstein-Barr
Stimola fagocitosi
Cellule B, FDC
C3aC3a
Macrofagi, monociti, leucociti polimorfonucleari,
FDC
Cellule endoteliali MastocitiFagociti
Cellule endoteliali MastocitiFagociti
Macrofagi, monociti, leucociti polimorfonucleari,
FDC
C3b, C4biC3b
Promuove degrado C3b e C4bstimola fagocitosi, trasportoeritrociti o immunocomplessi
Fig. 2.32 L’anafilatossina C5a puòaumentare la fagocitosi di micror-ganismi opsonizzati. L’attivazione delcomplemento, tramite la via alternati-va o lectinica, porta alla deposizionedi C3b sulla superficie del microrgani-smo (riquadro a sinistra); C3b puòessere legato dal recettore del com-plemento CR1 sulla superficie deifagociti, ma questo è insufficiente perindurre fagocitosi (riquadro centrale).Anche i fagociti esprimono recettoriper l’anafilatossina C5a, e il legame diC5a attiva la cellula che fagocita imicrorganismi legati attraverso CR1(riquadro a destra).
C5a può stimolare i macrofagia fagocitare tramite CR1
C5a
Quando solo C3b lega CR1il batterio non viene
fagocitato
Il batterio è ricoperto dal complemento mediante la via
alternativa e MBL
macrofagi
69
Fig. 2.33 Le risposte infiammatorielocali possono essere indotte daipiccoli componenti del complemen-to, specialmente C5a. I frammentipiccoli del complemento sono attivi inmodo diverso: il C5a è più attivo diC3a, che è a sua volta più attivo diC4a. Questi provocano risposteinfiammatorie locali agendo diretta-mente sui vasi sanguigni locali, stimo-lando un aumento del flusso sangui-gno, un’aumentata permeabilitàvascolare, e un aumentato legame deifagociti alle cellule endoteliali. C5a sti-mola anche le cellule endoteliali (nonmostrato) a rilasciare mediatori comeistamina e TNF-� che contribuisconoalla risposta infiammatoria. L’aumentodel diametro dei vasi e della permea-bilità porta all’accumulo di fluidi e pro-teine. L’accumulo di fluido determinaun aumento del drenaggio linfatico,portando i patogeni e i loro compo-nenti antigenici ai vicini linfonodi. Glianticorpi, il complemento, e le cellulereclutate partecipano alla clearencedel microrganismo aumentando lafagocitosi. I frammenti piccoli del com-plemento possono anche direttamenteaumentare l’attività dei fagociti.
La migrazione di macrofagi, leucociti polimorfonucleari (PMNs) e linfociti aumenta.
L'attività microbica dei macrofagi e dei PMNs aumenta
Aumento della permeabilità permette maggioreperdita di liquido dal vaso sanguigno
ed extravasazione di immunoglobuline e molecole del complemento
del complementoComponenti
IgM
IgG
Piccoli prodotti del taglio del complementoagiscono nei vasi sanguigni per aumentare
permeabilità vascolare e molecole di adesione
C4aC3aC5a
70
Fig. 2.34 I componenti terminali delcomplemento si assemblano performare il complesso di attacco allamembrana. Proteine
immatureComponente
attivaFunzione
Le componenti terminali del complemento formano il complesso di attacco alla membrana
Lega C5b; forma accettore per C7
Piccolo mediatore infiammatorio peptidico (alta attività)
Lega C5b6; complesso anfilico si inserisce nel bilayer lipidico
Lega C5b67; inizia polimerizzazione C9
Inizia assemblaggio del sistema di attacco alla membrana
C5
C7
C6
C8
C9
C5b
C5a
C7
C6
C8
C9nPolimerizza a C5b678 per formare un canale transmembranaper lisare la cellula
cap02 20-10-2006 17:38 Pagina 70
71
Fig. 2.35 L’assemblaggio del complesso di attacco alla membrana crea un poro nel bilayer lipidico della membrana.La sequenza dei passaggi e la loro approssimativa comparsa sono illustrati qui in forma schematica. C5b stimola l’assemblag-gio di un complesso costituito da una molecola di C6, una di C7 e una di C8, in quest’ordine. C7 e C8 subiscono cambiamenticonformazionali che espongono domini idrofobici e che ne rendono possibile l’inserzione nella membrana. Questo complessocausa moderati danni alla membrana e inoltre induce la polimerizzazione di C9, che determina, ancora, l’esposizione di unsito idrofobico. Fino a 19 molecole di C9 polimerizzano per formare un canale di 100 Å di diametro nella membrana. Questocanale altera la membrana cellulare dei batteri, uccidendoli. La microfotografia al microscopio elettronico mostra le membranedi un eritrocita con i complessi di attacco alla membrana in due orientamenti, uno longitudinale e l’altro laterale. Le fotografiesono state cortesemente concesse da S. Bhakdi e J. Tranum-Jensen.
10-16 molecole di C9 si legano per formare
un poro nella membrana
C9 lega il complessoe polimerizza
10 nm
15nm
3nm
Rappresentazione schematica del complesso di attacco alla membrana
Lesioni di membrana (anelli) estremità
C9
Lesioni di membrana (laterale: tubi)
C5b lega C6 e C7C8 lega il complesso e siinserisce nella membrana
cellulare
Complesso C5b67lega membrana
via C7
C6 C7C8
C5b67complessoC5b
Patogeno
Bilayer lipidico
72
Fig. 2.36 Le proteine che regolanol’attività del complemento. Proteine regolatorie della via classica ed alternativa
CD59 (protectina)
Nome (simboli)
Inibitore C1 (C1INH)
Fattore H (H)
Fattore I (I)
Fattore d’accelerazionedi degradazione
Proteina cofattoredi membrana
Proteina che lega C4(C4BP)
Recettore 1 del complemento (CR1)
Previene la formazione di un complesso di attacco alla membrana su celluleautologhe o allogeniche. Uniformemente espresso in membrana
Ruolo nella regolazione dell'attivazione del complemento
Lega C1r e C1s attivati, rimuovendoli da C1q
Serina proteasi che taglia C3b e C4b; aiutata da H, MCP, C4BP, o CR1
Lega C4b, spiazzando C2b, o C3b spiazzando Bb, cofattore per I
Lega C3b, spiazzando Bb; cofattore per I
Proteina di membrana che spiazza Bb da C3b e C2b a C4b
Proteina di membrana che rimuove inattivazione C3b e C4b da parte di I
Lega C4b, spiazzando C2b, cofattore per taglio C4b da parte di I
73
Fig. 2.37 L’attivazione del comple-mento è regolata da una serie diproteine che servono per protegge-re le cellule dell’ospite da danniaccidentali. Queste proteine agisconoin diversi stadi della cascata del com-plemento, provocando la dissociazio-ne dei complessi o catalizzando ladegradazione enzimatica delle protei-ne del complemento legate covalente-mente. Gli stadi della cascata delcomplemento sono illustrati schemati-camente lungo il lato sinistro dellafigura, con le reazioni di controllo alladestra. La convertasi C3 della viaalternativa è regolata similmente daDAF, CR1, MCP, e dal fattore H.
II
CD59 previene l'assemblaggio finale delcomplesso di attacco alla membrana allo
stadio tra C8 e C9
Le componenti terminali del complemento formano un poro di membrana.
Il complesso di attacco alla membrana
C6
C5b
C8 C7 C9
C9
CD59
C5b678
CR1 e H spiazzano C3b. CR1 e H agisconoda cofattori nel taglio di C3b da parte di I
C5 convertasi tagliaC5 in C5a e C5b
C5
C4b2b3b C3b Bb2
C5a
C5b
C4b2bH
CR1 iC3biC3b
C3
I
I
I
Inibitore C1 (C1INH) dissocia C1r e C1sdal complesso associativo
DAF, C4BP e CR1 spiazzano C2b dal complesso C4b2b. C4b legato da C4BP,
MCP o CR1 è tagliato dalla proteasi solubile Inelle sue forme inattive C4d e C4c
Legame C1q al complesso antigene-anticorpo attiva C1r e C1s
C4b2b è la C3 convertasiattiva che
taglia C3 in C3a e C3b
Stadi nei quali l'attività del complemento viene regolata
C2b
C1q
C1s
microbo
C1r
C4b2b
C3a
C3b
C3b
DAF C4dC4c
C4BP
MCP
C4b
C4b
C1s
C1r
C1INH
CR1
77
Fig. 2.38 Le citochine ed i lororecettori possono essere raggrup-pati in un ristretto numero di fami-glie strutturali.Sono mostrati dei rappresentanti dellefamiglie dell’ematopoietina e del TNF.Le citochine sono nella fila in alto consotto i loro recettori. L’ematopoietina èrappresentata da IL-4 (pannello a).Sono piccole proteine a singola cate-na. Un modello ipotetico del recettoredimerico per IL-4 (basato sulla struttu-ra del recettore per l’ormone della cre-scita umano, ed esso correlato) èmostrato nel pannello b, con IL-4legata indicata in rosso. Il fattore dinecrosi tumorale (TNF) e le molecolead esso correlate esistono in forma ditrimeri, come mostrato nel pannello c.La struttura di una subunità di recetto-re per TNF che lega una forma mono-metrica di TNF è mostrata nel pannel-lo d. Le altre famiglie strutturali di rile-vanza immunologica sono gli interfero-ni e i loro recettori e le chemochinecon i loro recettori.
a
b
c
d
78
Fig. 2.39 Le citochine importantisecrete dai macrofagi in risposta aprodotti batterici comprendono IL-1, IL-6, CXCL8, IL-12 e TNF-�. TNF-�è un induttore della risposta infiamma-toria locale che aiuta a contenere leinfezioni. Esso ha anche effetti siste-mici, molti dei quali dannosi (vedi Sez.2.24). La chemochina CXCL8 èanch’essa coinvolta nella rispostainfiammatoria locale, contribuendo adattirare i neutrofili nel sito d’infezione.IL-1, IL-6, e TNF-� hanno un ruolo cri-tico nell’indurre la risposta di faseacuta nel fegato (vedi Sez. 2. 25) enell’indurre la febbre, che favoriscel’effettiva difesa dell’ospite in diversimodi. IL-12 attiva le cellule NK e favo-risce la differenziazione delle celluleCD4 nel sottotipo TH1 nell’immunitàacquisita.
Effetti locali
Effetti sistemici
IL-12IL-1β
FebbreProduzione di IL-6
FebbreMobilizzazione metaboliti
Shock
FebbreInduce produzione proteina
di fase acuta
Macrofagi attivati secernonoun range di citochine
CXCL8TNF-α IL-6
Attiva endotelio vascolareAttiva linfociti
Distruzione locale tessutoAumenta accesso di cellule
Fig. 2.40 Le chemochine sono unafamiglia di proteine con strutturasimile che si legano a recettori perchemochine, i quali sono essi stes-si parte di una vasta famiglia direcettori associati a proteine G.Le chemochine sono qui rappresen-
tate da CXCL8 (struttura in alto).I recettori delle chemochine sonomembri della famiglia dei recettori asette domini transmembrana, checomprende anche il fotorecettorerodopsina e molti altri. Hanno setteeliche transmembrana, e tutta la fami-glia interagisce con le proteine G. Laprima struttura ad essere definita perun recettore a sette domini transmem-brana è stata quella della proteinadella batteriorodopsina; è qui raffigu-rata (struttura in basso) mostrando leeliche transmembrana (blu) con illigando legato (in questo caso il reti-nale) in rosso. Essenzialmente tuttequeste strutture sono inserite e cir-condate dalla membrana cellulare. Icilindri rappresentano le �-eliche e lefrecce i foglietti �.
Fig. 2.42 Molecole di adesione coin-volte nell’interazione leucocitaria.Molte famiglie strutturali di molecole diadesione hanno un ruolo nella migra-zione, posizionamento e interazionecellula-cellula dei leucociti: le selettine,le integrine, e proteine delle famigliadelle immunoglobuline. Le figuremostrano schematicamente un esem-pio per ogni famiglia, una lista di altrimembri della famiglia che partecipanoalle interazioni con i leucociti, la lorodistribuzione cellulare e la loro ligandonell’interazione per l’adesione. Questimembri della famiglia sono limitati aquelli che partecipano all’infiammazio-ne e ad altri meccanismi dell’immunitàinnata. Le stesse molecole, insiemead altre, partecipano all’immunitàacquisita e verranno descritte neiCapitoli 8 e 10. La nomenclatura didiverse molecole della famiglia è con-fusa, poiché spesso questa riflette ilmodo in cui queste molecole sonostate inizialmente identificate piuttostoche riflettere le loro caratteristichestrutturali. Nomi alternativi per ciascu-na delle molecole di adesione sonoindicati nelle parentesi. Il solfato disialil-Lewis, che viene riconosciutodalle P-selettine e dalle E-selettine, èun oligosaccaride presente sulle glico-proteine del leucociti circolanti. La sul-fatazione può avvenire alternativa-mente sui sei atomi di galattosio dellaN-acetilglucosammina, ma non suentrambe.
Fig. 2.43 L’adesione dei fagocitiall’endotelio vascolare è mediatadelle integrine.L’endotelio vascolare, quando è attiva-to da mediatori infiammatori, esprimedue molecole di adesione, ICAM-1 eICAM-2. Queste sono ligandi per leintegrine espresse dai fagociti �L-�2(chiamati anche LFA-1 oCD11a:CD18) e �M-�2 (chiamatianche CR3,Mac-1 o CD11b:CD18).
LFA-1(αL:β2)
Neutrofilo
EndotelioICAM-1 ICAM-2
CR3(αM:β2)
83
L'adesione di sialil-Lewisx dei leucociti mediata dalle selettine è debole, e permette ai leucocitidi rotolare lungo la superficie dell'endotelio vascolare
Rotolamento DiapedesiAdesione salda Migrazione
CD31
E-selettinaICAM-1
CXCL8R(IL-8 recettore)
chemochinaCXCL8 (IL-8)
s-Lex
Flusso sanguigno
Membrana Basale
s-Lex
E-selettina
LFA-1(αL:β2)
Fig. 2.44 I neutrofili lasciano il flusso sanguigno e migrano verso il sito d’infezione in un processo a più fasi mediatoda interazioni adesive che sono regolate da citochine prodotte dai macrofagi e da chemochine.Il primo passo (pannello in alto) coinvolge il legame irreversibile dei leucociti all’endotelio vascolare attraverso l’interazionedelle selettine indotte sull’endotelio ed i loro ligandi carboidratici sul leucocita, qui mostrato per l’E-selettina ed il suo ligando, ilgruppo di sialil-Lewis (S-Lex). Questa interazione non è in grado di ancorare le cellule contro la forza del flusso sanguigno, einfatti esse rotolano lungo l’endotelio, formando e rompendo continuamente il contatto. Il legame comunque, consente intera-zioni più forti, che avvengono come risultato dell’induzione di ICAM-1 sull’endotelio e dell’attivazione dei suoi recettori LFA-1 eCR3 (Mac-1) (non mostrato) sul leucocita, attraverso il contatto con una chemochina come CXCL8. Il legame stretto tra questemolecole ferma il rotolamento e permette ai leucociti di insinuarsi attraverso le cellule endoteliali che formano la parete delvaso sanguigno (per extravasare). Le integrine leucocitarie LFA-1 e CR3 sono necessarie per l’extravasazione e per la migra-zione verso chemoattraenti. Si ritiene che anche l’adesione tra le molecole di CD31, espresse sia sui leucociti che nelle giun-zioni delle cellule endoteliali possa contribuire all’extravasazione. Il leucocita ha inoltre bisogno di attraversare la membranabasale: penetra in essa con l’aiuto di enzimi metalloproteinasici che sono espressi sulla superficie cellulare. Infine, il leucocitamigra lungo un gradiente di chemochine (qui è mostrata CXCL8) secrete dalle cellule nel sito di infezione. Il micrografico elet-tronico mostra un leucocita che sta extravasando attraverso le cellule endoteliali. Le frecce blu indicano lo pseudopodio che illeucocita sta inserendo tra le cellule endoteliali. Fotografia (ingrandita 5500 volte) gentilmente concessa da I.Bird e J.Spragg.
86
Fig. 2.45 Il rilascio di TNF-� daparte dei macrofagi induce un effet-to protettivo locale, ma TNF-� puòavere effetti dannosi quando è rila-sciato sistemicamente. Il pannello disinistra indica le cause e le conse-guenze del rilascio locale di TNF-�,ed il pannello di destra mostra lecause e le conseguenze del suo rila-scio sistemico. Entrambe i pannelli adestra e sinistra e quello centrale illu-strano gli effetti comuni di TNF-�, cheagisce sui vasi sanguigni e soprattuttosulle venule, per aumentare il flussosanguigno, per aumentare la permea-bilità vascolare del fluido delle protei-ne e delle cellule stesse, e peraumentare l’adesività endoteliale dileucociti e piastrine. Il rilascio localequindi permette un ingresso di fluido,cellule e proteine nel tessuto infettatoche partecipano alla difesa dell’ospite.Più tardi, coaguli locali si formano neicapillari, impedendo una diffusionedell’infezione per via sanguigna, ed ilfluido e le cellule accumulate vengonodrenate verso il linfonodo locale, doveha origine la risposta immunitariainnata e acquisita. Quando c’è un’infe-zione sistemica, o sepsi, con batteriche stimolano la produzione di TNF-�,questo TNF-� è rilasciato nel sanguedai macrofagi nel fegato e nella milzaed agisce in un modo molto simile intutti i capillari. Il risultato è lo shock, ladisseminazione intravascolare dicoaguli con la deplezione di fattori dicoagulazione ed il conseguente dan-neggiamento multiplo degli organi emolto spesso morte. Questi effettirichiedono la presenza del recettoreToll-like TLR4 sui macrofagi, che forni-scono il segnale iniziale in risposta aLPS.
Coagulazione sparsa intravascolareche porta a collasso d'organo
Fagocitosi di batteri. occlusione locale del vaso. Drenaggio del plasma e di cellule verso
linfonodo locale
Rimozione infezioneImmunità adattativa Morte
Edema sistemico causa diminuzione del volumesanguigno, ipoproteinemia neuropenia seguita
da neutrofilia. Diminuzione del volume sanguigno causa collasso del vaso
Aumento del rilascio di proteine plasmatiche nel sangue. Aumento migrazione fagocitie linfociti nel tessuto. Aumento adesionepiastrine alla parete del vaso sanguigno
Infezione sistemica con batteriGram negativi (sepsi)
Macrofagi attivati nel fegato e milza secernono TNF-α α nel sangue
Macrofagi attivati per secernereTNF-α α nel tessuto
Infezione locale con batteriGram negativi
87
Fig. 2.46 Le citochine TNF-�, IL-1 eIL-6 hanno un ampio spettro di atti-vità biologiche che contribuisconoa coordinare la risposta dell’organi-smo all’infezione.IL-1, Il-6 e TNF-� inducono gli epato-
citi a sintetizzare proteine di faseacuta e il midollo osseo a rilasciareneutrofili. Le proteine di fase acutaagiscono come le opsonine, mentre ladisponibilità di patogeni opsonizzati èaumentata dal maggiore reclutamentodi neutrofili dal midollo osseo. IL-1, IL-6 e TNF-� sono anche piogeni endo-geni, che innalzano la temperaturacorporea, che si ritiene sia utile nell’e-liminazione dell’infezione. Uno deimaggiori effetti di queste citochine èl’azione sull’ipotalamo, che altera laregolazione della temperatura corpo-rea. Ad elevate temperature, la repli-cazione di batteri e virus viene dimi-nuita, mentre la risposta immunitariainnata funziona in modo più efficace.
Fegato
Attivazionecomplemento
opsonizzazione
Midollo osseo endotelio
Fagocitosi
Ipotalamo
Diminuzione replicazione virale e batterica,aumento processamento antigene.Aumento risposta immune specifica
Tessuto adiposomuscolare
Cellule dendritiche
Proteine di faseacuta (proteina Creattiva, lectina
che lega mannosio)
Mobilizzazioneneutrofili
Aumentotemperatura
corporea
Mobilizzazione proteine ed energia
per permettere aumento
temperatura corporea
TNF-α stimola la migrazione ailinfonodi e la maturazione
Inizio rispostaimmuneacquisita
IL-1/IL-6/TNF-α
88
Fig. 2.47 La risposta di fase acutaproduce molecole che legano ipatogeni ma non le cellule dell’o-spite. La proteine di fase acuta sonoprodotte dalle cellule del fegato inrisposta alle citochine prodotte daimacrofagi in presenza di batteri. Essecomprendono la proteina serica ami-loide (SAP) (nei topi ma non nell’uo-mo), la proteina C-reattiva (CRP), ilfibrinogeno e la lectina che lega ilmannosio. SAP e CRP sono omologhistrutturali: sono entrambe pentraxine,formano dischi a cinque componenti,come mostrato per SAP (fotografiasulla destra). CRP lega fosfocolinasulla superficie di certi batteri e funghima non la riconosce nella forma in cuiessa si trova nella membrana cellularedell’ospite. Agiscono entrambe di persé da opsonine ed attivano la via clas-sica di attivazione del complemento,legandosi a Clq per aumentare l’opso-nizzazione. MBL è un membro dellafamiglia delle collectine, che compren-de le proteine surfactanti lunghe SP-Ae SP-D. Anch’esso ricorda Clq nellastruttura. Come CRP, MBL può funge-re da opsonina di per sé, come fannoSP-A e SP-D. Modello strutturale gen-tilmente concesso da J. Emsley.
La proteina C reattiva lega fosfocolina sullasuperficie del batterio, agendo da opsonina
e anche attivando il complemento
La lectina che lega il mannosio lega i residui di mannosio sulla superficie del batterio, agendo da opsonina e anche attivando il complemento
I batteri stimolano i macrofagi a produrre IL-6,che agiscono sugli epatociti inducendone la
sintesi di proteine della fase acuta
Proteina Creattiva
Proteina serica amiloide
Proteina serica amiloide
Lectina chelega il mannosio
fibrinogeno
IL-6SP-ASP-D
Fegato
89
Fig. 2.48 Gli interferoni sono protei-ne antivirali prodotte dalle cellule inrisposta alle infezioni virali. Gliinterferoni (IFN)-� e -� hanno tre fun-zioni principali. Primo, inducono resi-stenza alla replicazione virale di cellu-le non ancora infettate tramite l’attiva-zione di geni che provocano la distru-zione del mRNA ed inibiscono la tra-duzione di alcune proteine virali e del-l’ospite. Secondo, possono indurre leespressioni di MHC di classe I nellamaggior parte dei tipi cellulari dell’or-ganismo, aumentando così la lororesistenza verso le cellule NK; essipossono inoltre aumentare la sintesidi molecole MHC di classe I in celluleche sono state appena infettate dalvirus, rendendole così più soggettealla distruzione da parte delle celluleT CD8 citotossiche (vedi Cap. 8).Terzo, essi attivano le cellule NK, chealla fine uccidono selettivamente lecellule infettate dal virus.
Cellula ospite infettata da virus
virus
Stimola le cellule NK ad uccidere le cellule infettate dal virus
Aumenta espressione di MHC1 e la presentazionedell'antigene in tutte le cellule
Induce resistenza alla replicazione viralein tutte le cellule
IFN- , IFN-α β
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Fig. 2.49 Le cellule natural killer(NK) sono un componente precocedella risposta dell’ospite all’infezio-ne virale.Gli esperimenti sui topi hanno mostra-to che IFN-� e IFN-� e le citochineTNF-� e IL-12 compaiono per primi,seguiti da un’ondata di cellule NK, cheinsieme controllano la replicazionevirale ma non eliminano il virus.L’eliminazione del virus è raggiuntaquando vengono prodotte cellule TCD8 specifiche per il virus. Senza lecellule NK, il livello di alcuni virus èmolto più alto nei primi giorni dell’infe-zione, e può essere letale se nonviene trattato in modo massiccio concomposti antivirali.
Fig. 2.50 Un possibile meccanismocon cui le cellule NK distinguono lecellule infettate da quelle non infette.Un meccanismo di riconoscimentoproposto è qui mostrato. Le cellule NKpossono usare differenti recettori chesegnalano loro di uccidere, tra cui irecettori attivatori lectina-simili, o“recettori killer”, che riconoscono i car-boidrati sulle cellule self. D’altra parte,un altro gruppo di recettori, chiamatiLy49 nel topo, e recettori immunoglo-bulinici killer (KIRs) nell’uomo, ricono-scono le molecole MHC di classe I edinibiscono la loro uccisione da partedelle cellule NK, contrastando l’azionedelle cellule killer. Questi segnali inibi-tori vengono persi quando le cellulebersaglio non esprimono MHC di clas-se I e forse anche in cellule infettatecon il virus, che possono inibire l’e-spressione di MHC I o alterare la suaconformazione. Un’altra possibilità èche normali cellule non infettaterispondano a IFN-� e IFN-� aumen-tando la loro espressione di MHC diclasse I diventando resistenti all’ucci-sione da parte delle cellule NK attiva-te. Al contrario, le cellule infettate pos-sono essere incapaci di questoaumento di espressione di MHC diclasse I, diventando un bersaglio perle cellule NK attivate. Ly49 e KIRappartengono a differenti famiglie diproteine- la lectina di tipo C per Ly49e la superfamiglia delle immunoglobu-line per i KIRs. I KIRs esistono in dueforme, p58(KIR2D) e p70 (KIR3D),che differiscono per la presenza di undominio immunoglobulinico (2D o 3D).
Le cellule NK non uccidono le cellule normali
Cellule NK attivanti rilasciano il contenuto dei granuli, inducendo apoptosi della cellula bersaglio
CD94:NKG2Cellule NK che attivano il legame
KIR 2D
KIR 3D
MHCclass I
NK cell
MHC di classe I è riconosciuto dai recettori immunoglobulina simile di cellule killer (KIRs) o dall'eterodimero lectina-simile CD94:NKG2 sulle
cellule NK, che inibisce il segnale dei recettori
MHC di classe I alterati o assenti non possonostimolare un segnale negativo: la cellula
NK è attivata da segnali da recettori attivati
92
Fig. 2.51. I geni che codificano per irecettori NK si dividono in duefamiglie.La prima famiglia, il complesso recet-toriale del leucocita, comprende unampio cluster di geni codificanti unafamiglia di proteine composte dadomini immunoglobulinici. Questacomprende recettori immunoglobulinici(KIRs) espressi sulle cellule NK, ilrecettore immunoglubulinico dei leu-cociti (LILR) e la famiglia di geni delrecettore immunoglobulino-simileassociato ai leucociti (LAIR). Le lecti-ne segnalanti (SIGLECs) ed i membridella famiglia CD66 sono localizzatenelle vicinanze. Nell’uomo, questocomplesso è localizzato sul cromoso-ma 19. Il secondo cluster genico èchiamato complesso delle cellulenatural killer (NKC), e codifica per unafamiglia di recettori che comprende leproteine NKG2 e le CD94, le quali siassociano insieme alle molecoleNKG2 per formare un recettore fun-zionale. Questo complesso è localiz-zato sul cromosoma umano 12. Lafigura è basata su dati gentilmenteconcessi da J.Trowsdale, CambridgeUniversity.
19
12
LRC
NKC
DAP
12D
AP10
MAF
A-L
A2M
NKR
-P1A
LLt1
CD
69KL
RF1
AIC
LC
lec-
2Lo
x-1
CD
94N
KG2D
NKG
2-F
NKG
2-E
NKG
2-C
NKG
2-A
LY49
L
PRB3
NKp
46G
PVI
FcαRCD66 SIGLEC FcGRT LILR LAIR LILR KIR
93
Fig. 2.52 Le tre classi principali dilinfociti dell’immunità innata e leloro proprietà.
Cellule epiteliali γ:δCellule B-1 Cellule NK T
Linfociti innati-simile
Fanno anticorpi naturali,proteggono da infezioni Streptococcus pneumoniae
Producono citochine rapidamente
Producono citochine rapidamente
Ligandi associati a MHC di classe IB
I ligandi sono lipidi legati a CD1d
Non possono essere amplificatiNon possono essere amplificati
Ligandi non associati a MHC
Non possono essere amplificati
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Fig. 2.53 Le cellule B-1 possonoessere importanti nella rispostaagli antigeni carboidratici come illipopolisaccaride batterico. Larisposta di queste cellule T avvienerapidamente, con la comparsa deglianticorpi entro 48 ore dall’infezione,presumibilmente perché vi è un’eleva-ta frequenza di precursori dei linfocitiche rispondono, quindi è richiestaun’espansione clonale minima. Inassenza dell’aiuto di una cellula anti-gene-specifica T, sono prodotte solo leIgM e, nei topi, queste risposte avven-gono principalmente attraverso l’azio-ne del complemento, che risulta moltoefficiente quando l’anticorpo appartie-ne all’isotipo delle IgM.
Attivazione del complementoed eliminazione dei batteri
Cellula B-1 lega la capsula polisaccaridicadel batterio o le componenti della parete e
