Introduktion till Immunologi Adnane Achour Adnane.achour@ki.se Centrum för Infektionsmedicin (CIM) Karolinska Universitetssjukhus Huddinge F59 eller Institution för Microbiologi, Tumör och Cell Biologi, Karolinska Institutet 5248 6232 Syfte med kursen Att ge en introduktion till immunologi. Att förklara varför Civ.Ing. kunskaper behövs inom immunologi. Inblick inom forskningsfronten för immunologi. Inblick inom forskningsfronten för strukturell biologi. Jag söker motiverade medarbetare. 1
Introduktion till de olika cell- och proteinssystem som försvarar oss mot infektioner. Kursbok: The immune system Peter Parham (antingen 1st eller 2nd edition). Kapitel 1; hela Kapitel 8.1-8.2 5 poäng cellbiologi på 5 minuter Cell, kärna, cytoplasma, cellyta/membran Molekyler: Proteiner, fetter, kolhydrater, DNA i kärnan utgör arvsmassan, innehåller ritningar för proteiner (aminosyrasekvenser). Kopieras inför celldelningen, cellers sätt att föröka sig (proliferation) Proteiner tillverkas i cytoplasman Byggs som trådar med linjära sekvenser där det för varje plats finns 20 olika möjligheter (20 olika aminosyror). Trådarna viks ihop till tredimensionella strukturer = proteinmolekyler, med viss hjälp av stödmolekyler 2
5 poäng cellbiologi på 5 minuter (forts) Proteiner för cellytan eller för export (sekretion) tillverkas i det sk endoplasmatiska retiklet ER, en membranavgränsad säck i cellen. Transporter inom cellen sker ofta i mindre membranavgränsade säckar, sk vesiklar. Fagocytos Pinocytos Sekretion Cellyteproteiner är ofta receptorer som tar upp signaler från omgivningen och omvandlar dem till signaler inuti cellen. Dessa intracellulära signaler sätter igång olika funktioner (rörelse, attack mot andra celler, fagocytos, utsöndring av olika ämnen). Immunsystemet är höggradigt beroende av olika receptorer. Ämnet immunologi lite historik Immunis latin, undantagen (från militärtjänst) sedan undantagen från sjukdom. Vaccinationstekniken fanns i Kina, Indien och Ottomanska Riket där Mary Wortley Montagu observerade den vid hovet och använde sig av den på sitt eget barn (smallpox). 1700-talet Edward Jenner den första vaccinationen (1796). Mikrobiologins utveckling under 1800-talet, Pasteur, Koch etc 1900-talets forskning: mekanismerna bakom immunitet 40-50-talet: transplantationer, cancer, centrala begrepp såsom Specificitet träffsäkerhet, förmåga att särskilja Minne förmågan att reagera snabbare och effektivare andra gången mot en mikroorganism eller främmande ämne; långvarigt och specifikt 3
Ämnet immunologi lite historik (forts) 70-talet cellulär, 80-talet molekylär immunologin. Idag intensivt forskningsfält relevant för Infektioner Cancer Autoimmuna sjukdomar Transplantationer Allergier Diagnostiska och forskningsverktyg inom andra biomedicinska fält Vaccination = Immunization Forskningen hjälper oss att identifiera och förstå mekanismer (bl.a. på en molekylär nivå) som ligger bakom olika sjukdomar. Har man identifierat patogenet så kan man: 1) Isolera det. 2) Skapa en mindre farlig version genom att använda döda patogen isolera delar av patogen använda sig av patogenmolekyler 3) Vaccinera med det. Man utsätter patienten för en mindre farlig version av sjukdomen. Patientens immunförsvar kommer att reagera och kämpa emot den benigna infektionen, men kommer också att komma ihåg patogenet till nästa gång (minne) 4
(smittkoppor) Patogen: en organism som medför sjukdom (Svamp) (Mask) 5
Patogen kan invadera olika kroppsdelar, där de bekämpas av vissa försvarsmekanismer. diarré Cytokiner som släpps ut medför lokal skada Immunocomplexes Autoreaktivitet Lokal skada + utsläpp av föroreningar 6
Male Female Schistosoma Mansoni (schistosomiasis= bilharzia=snäckfeber) Larverna penetrerar huden. En del av cykel går genom snäckor som lever i sötvatten. Parasiten lägger ägg i blåsan eller tjocktarmen. Äggen kommer ut tillbaka till vattnet via avföring och cykeln är sluten (Afrika, Brasil, Asien). Röda blodskroppar Trypanosoma Brucei (Sömnsjuka) Sprids via flugor (TseTse). Protozo sprider sig till blod, lymfkörtlar, mjälte, hjärta och hjärna. Patienten blir apatisk, dement och dör ofta av att CNS drabbas. Hamnar i coma. (Chaga s sjukdom är den amerikanska varianten). Fungi Pneumocystis Carinii + SIV infection Opportunistisk svamp som i det här fallet sprider sig ohämmat i lungorna hos en SIV-infekterad apa. Vanligaste infektion och dödsorsak hos HIV-patienter. Epidermophyton Floccosum = ringorm Mycket smittsam svamp som lägger sig under huden. Man får typiska allergiska ringar på huden. Man tar bort den mha anti-fungal kräm. Human Immunodeficiency Virus (HIV) Ger upphov till AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrom). Förintar CD4 T celler som bör skydda mot infektion. Förödande, patienten dör ofta av en annan sjukdom som den inte längre kan försvara sig emot. T.ex. Leishmaniasis parasit i Indien. Influenza Virus Vanligaste virus. En mycket farlig version uppstår ungefär varje 20 år. Går via fåglar (kyckling) och grisar. Uppstår ofta i Hong-Kong där arterna samlever nära varandra. 7
Candida Albicans Staphylococcus Aureus Mycobacteria tuberculosis Väldigt vanlig hos människor. Orsakar mun (spädbarn) och vaginala irritationer med flytningar och klåda (torsk). Smittar bl.a. via samlag. Utbredd infektion förekommer när immunförsvaret nedsättes såsom vid HIV infektion. Mest vanliga bakterier. Kan bli farliga vid nedsatt immunförsvar. Vanligaste orsak till acne. Mycket vanligt förekommande i fattiga länder. Överförs via hosta. Sprider sig bl.a. i Lungorna där immunförsvaret formerar granulomas runt bakterierna. Patienten dör av trötthet samt av organsvikt. Listeria monocytogenes Förekommer framför allt i mjölk och ost. Ger upphov till magsjuka. Fara i samband med graviditet eftersom den kan ge hjärnskador hos fostret. Salmonella enteritidis Ger upphov till Diarrésjukdom. Mycket vanlig i varmare länder. Kan förekomma i de flesta Livsmedel, främst kött och ägg. Streptococcus pyogenes Scarlet fever = scharlakansfeber. Halsfluss, ibland följt av Scharlakansfeber med utslag. 8
Försvaret mot infektion översikt Mekaniska och kemiska barriärer Konstitutiva immun-mekanismer Adaptiva immun-mekanismer Barriärer Mekaniska Funktioner Neurologiska Funktioner Kemiska Funktioner Mikrobiologiska Funktioner Barriärer som avskärmar kroppen från omgivningen 9
Huden skyddar mekaniskt, kemiskt och mikrobiologiskt mot infektion. Den gastrointestinala kanalen täcks och skyddas av mucus, som innehåller glykoproteiner, proteoglykaner, enzymer... Lysozym i tårar och saliva är antibakteriell. Magsäcken, vagina och huden skyddas också av en sur miljö. Preexisterande mekanismer Barriärer Mekaniska funktioner (täta förband, flöden i magtarmkanalen, mikrovilli) Neurologiska funktioner (hosta, nysning, peristaltik=tarmrörelser) Kemiska funktioner (lågt ph, enzymer, anti-mikrobiella peptider) Mikrobiologiska (normalflora) Fagocyter och mördarceller Komplement Mannos-bindande lektin (MBL) Monocyter/makrofager Granulocyter Mastceller Naturliga mördarceller (NK-celler) Dendritiska celler 10
De konstitutiva immun-mekanismerna (medfödda, inbyggda, har utvecklats i samspel mellan arten och omgivningen, under artens utveckling). Använder sig av mycket generella igenkänningsmekanismer. Leder inte till långvarigt immunitet. Snabba, men begränsade i sin specificitet Exempel på celler: granulocyter, makrofager. De adaptiva immun-mekanismerna (anpassningsbara, utvecklas i samspel mellan individen och omgivningen, under individens liv). Den fokuserar på patogenet och leder till långvarigt immunitet. Långsamma, men mycket precisa och flexibla i sin specificitet Exempel på cell: B-lymfocyter, T-lymfocyter De konstitutiva och adaptiva mekanismerna samspelar och är egentligen mycket beroende av varandra. Adaptivt svar går ej igång utan konstitutiva mekanismer, och de konstitutiva i sin tur förstärks av de adaptiva. 11
Immunsystemets celler Lymfopoes B-lymfocyter (uttrycker B-cell receptorer, Ig) T-lymfocyter (uttrycker T-cell receptorer, TCR) NK-celler Myelopoes granulocyter neutrofila eosinofila basofila makrofager dendritiska celler 12
Common progenitor T cell receptor B cell receptor (Ig) Effektorer Plasma Hjälper Cytotoxiska Celler T-celler T-celler 13
NK cells Fagocyt, antimikrobiell cell, som vandrar snabbt till infektionen och alltid är först på plats. Kan fungera under anaerobiska förhållanden. Dör snabbt och utgör var. 14
Granulocyt, med granulae i cytoplasman som innehåller antimikrobiella ämnen. Skyddar mot parasiter samt mask i blodet. Antigen-presenterande cell (APC), samarbetar med lymfocyter och inducerar dem till att omvandlas till effektor celler. Finns i bindväv. Medverkar till inflammation 15
Fagocytos. Förekommer i de flesta vävnaderna. Tar hand om döda celler. Deltar i det konstitutiva och det adaptiva svaret (som APC). Makrofager: 1) fagocyterar och förstör bakterier; 2) producerar cytokiner för att rekrytera andra celler (neutrofiler...) till infektionen; 3) Sätter igång det adaptiva svaret genom att agera som APC (antigen presenterande cell). 16
Immunsystemets organ Benmärgen Thymus (brässen) Centrala (primära) lymf organ Mjälten (spleen) Perifera vävnader och organ Lymfknutor (Lymph nodes) Perifera lymf organ (sekundära) Blodet Lymfkärl MALT (Mucosa associated lymphoid tissue) lymfknuteliknande organ finns i anslutning till slemhinnor (GALT, gut associated ) 17
Centrala och perifera lymforgan 18
Bindväv är ett vanligt område där infektion kan börja sprida sig. Lymfkörtel Lymfocyter träffar på patogen och blir aktiverade i de perifera lymforganen som t.ex. lymfkörtlar. 19
20
Spleen (mjälten) filtrerar blodet: 1) Tar bort gamla eller skadade celler (red pulp) ; 2) Plockar upp patogen som presenteras för närvarande lymfocyter (white pulp). Andra organ som rengör blodet: 1) njure (kidney) som avlägsnar urea t.ex. 2) lever PALS: Periarteriolar lymphoid sheet. GC: Germinal center T: T-cells Inflammation: Cytokinerna påverkar och förändrar egenskaperna i kärlcellerna (endotelceller). Andra celler penetrerar infektionsområdet för att hjälpa till. Inflammatoriska celler: makrofager och neutrofiler. 1) svullnad, 2) rodnad, 3) värme, 4) smärta. 21
Det adaptiva immunsvaret kännetecknas av 2 olika receptorer: Antikroppar (Immunoglobulin, Ig) också känd som B cells receptor (när närvarande på B-cells yta) T cells receptor (TCR) 22
Antigen: vad som helst (molekyl, virus partikel, eller cell) som känns igen av en antikropp eller en TCR. Epitop (Antigenic determinant): En bestämd del av antigenet som binder till Ig eller TCR. Ig kan binda till vilken struktur som helst medan TCR igenkänning specialiserar sig på mera specifika epitoper (peptider) som presenteras på cellytan i komplex med en mycket viktig molekyl kallad MHC (Major Histocompatibility Complex). För att kunna känna igen så många antigen som möjligt, behövs det ett ursprungligt Ig- och TCR-bibliotek av väldiga mått med en enorm diversitet. För att åstadkomma detta, använder man sig av somatisk rekombinering (B cells- eller T cellsgener rearrangeras) och av somatisk hypermutation (sker endast hos B-celler). 23
Principen bakom somatisk rekombinering 1976: Susumu Tonegawa (Nobelpris) Generna för Ig variabla regioner ärvs som uppsättningar av gensegment. Vart och ett av dessa segment kodar för delar av Ig s variabla regioner. Dessa segment kombineras under en B-cells utveckling i benmärgen till en unik sekvens som kodar för en unik receptor. Konsekvens: 1. Ett begränsat antal segment räcker för att skapa näst intill oändliga kombinations möjligheter. 2. Varje cell kommer att uttrycka en unik receptor med unika egenskaper. 3. En sådan cell kommer att dela sig och ge upphov till celler med exakt samma DNA uppsättning, alltså samma receptor. Ett problem: Hur kan det adaptiva immunsystemet alltid få till den perfekta passformen för varje antigen? Jämför med att sälja kläder med affärsidén att varje kund skall få just det som han/hon är ute efter Adaptivitet anpassning och flexibilitet, men hur? Måttsy eller förproducerad konfektion? Några problem till: Hur skall man kunna producera alla de modeller som efterfrågas? Så många, och så svåra att förutse. Hur skall man kunna hålla alla i lager? Hur undviker man de oanvändbara modellerna? Hur undviker man de farliga modellerna? 24
Positiv och negativ selektion sker i tymus Positiv selektion: Lymfocyter som binder egna MHC molekyler selekteras. Negativ selektion: Lymfocyter som känner igen self elimineras från repertoaren. Den slutliga lymfocyt repertoar sägs vara selftolerant. Klonal selektion: vid infektion kommer endast lymfocyter som känner igen antigenet att proliferera. 25
Principerna för klonal selektion: 1. Varje lymfocyt presenterar en enda receptortyp med en unik specificitet. 2. Lymfocyten aktiveras efter dess receptor bundit tillräckligt starkt (med tillräcklig affinitet) till en främmande molekyl (antigen). 3. När den väl träffat på antigenet kommer lymfocyten att dela sig och differentierar sig till stora mängder effektor celler, var och en med en receptor som är identisk till den ursprungliga lymfocytens. 4. Lymfocyter som har en receptor som känner igen self-molekyler elimineras under utvecklingen. De bör inte finnas i den slutliga uppsättningen. Extracellulära patogen och toxiner elimineras av antikroppar. 26
Antigenpresentation: Antigenpresenterande celler (främst dendritiska celler och makrofager) tuggar sönder antigen som de tagit upp genom fago- eller pinocytos. Därefter idisslar de; de gurglar tillbaka de söndertuggande proteinfragmenten (peptider) till cellytan efter att ha bundit dem i s k MHC molekyler. MHC betyder Major Histocompatibility Complex efter det genkomplex som finns hos alla däggdjur, och som kodar för de antigenpresenterande molekylerna. Hos människa kallas genkomplexet också HLA (Human Leukocyte Antigen). Själva antigen-presentationen och den klonala aktiveringen och expansionen sker i lymfknutorna, dit alltså de antigen presenterande cellerna måste vandra. Därefter måste T- och B-lymfocyter som aktiverats tillbaka ut i vävnader. Det finns två olika typer av MHC molekyler, klass I och klass II. Klass II presenterar antigen som tagits upp utanför cellen (viktigt vid extracellulära infektioner). Klass I presenterar antigen som har producerats inne i själva cellen (viktigt vid intracellulära infektioner). Klass I presentation leder ofta till aktivering av T-mördarceller, medan klass II presentation ofta leder till T-hjälparcellsaktivering. 27
MHC klass I presenterar epitop deriverade från patogen som förökar sig intracellulärt (virus och några bakterier). MHC klass II presenterar epitop deriverade från patogen som förökar sig extracellulärt. 28
Minnesceller till vaccine A 29
30
31