Imunologija

Študij imunologije, širokega področja, ki združuje temeljne raziskave in klinično aplikacijo, se ukvarja z antigeni, protitelesi in celično posredovanimi funkcijami gostiteljeve obrambe, posebej zato, ker povezujejo imunost z boleznijo, hipersenzitivnimi biološkimi reakcijami, alergijami in zavrnitvijo tujih tkiv. To poglavje predstavlja temeljne principe imunologije, posebno kako je usmerjena proti infekciji. Vključen je slovarček terminov.

Imunost in imunski odziv
Imunost je lahko naravna (prirojena) ali pridobljena (adaptivna).

Naravna imunost
Naravna imunost je odpornost, ki ni pridobljena preko kontakta z antigenom. Je nespecifična in vključuje bariere za infekcijske agense – npr. kožo in mukozne membrane, NK celice, fagocitozo, vnetje, interferone in različne druge nespecifične faktorje. Lahko variira s starostjo in s hormonsko ali metabolno aktivnostjo.

Pridobljena imunost
Pridobljena imunost, ki se pojavi po izpostavitvi antigenu, npr. infektivnemu agensu, je specifična in posredovana preko protiteles ali limfoidnih celic. Lahko je pasivna ali aktivna.
A. Pasivna imunost: Pasivno imunost posredujejo protitelesa ali limfociti, ki so nastali v drugem gostitelju. Pasivna administracija protitelesa (v cepivu) proti bakterijam (npr. diphteria, tetanus, botulizem) povzroča, da je takoj na voljo antitoksin v velikih količinah, ki nevtralizira toksine. Podobno se lahko injicirajo predhodno nastala protitelesa (v drugem gostitelju) proti določenim virusom (npr. rabies, hepatitis A in B) med inkubacijsko dobo, s čimer se omeji virusno razmnoževanje. Glavna prednost pasivne imunizacije s predhodno formiranimi protitelesi je takojšnja prisotnost velikih količin protitelesa; slabosti so kratka življenjska doba teh protiteles in možna preobčutljivost, če izvirajo protitelesa (imunoglobulini) iz druge vrste.
B. Aktivna imunost: Aktivna imunost nastane po kontaktu s tujim antigenom (npr. mikroorganizmi ali njihovimi produkti). Ta kontakt lahko sprožijo klinične ali subklinične infekcije, imunizacija z živimi ali mrtvimi infekcijskimi agensi ali njihovimi antigeni, izpostavitev mikrobnim produktom (npr. toksini, toksoidi), ali transplantacija tujih celic. V vseh teh primerih gostitelj aktivno producira protitelesa, limfatične celice pridobijo sposobnost odziva na antigene. Prednosti aktivne imunosti vključujejo dolgoročno odpornost (temelji na spominu predhodnega kontakta z antigenom in kapaciteto za hitrejši odgovor v večji meri pri kontaktu z istim antigenom); slabosti vključujejo počasni nastop odpornosti in potrebo po podaljšanem ali ponavljajočem kontaktu z antigenom.

Mehanizmi nespecifične obrambe gostitelja

Fiziološka bariera na mestu vstopa
A. Koža: Nekaj mikroorganizmov je sposobnih penetracije v intaktno kožo, mnogi pa lahko vstopijo preko žlez znojnic in lojnic, lasnih foliklov, ter se tam zakoreninijo. Izločki loja in znoja – glede na kisli pH in določene kemične substance, posebno maščobne kisline – imajo antimikrobne lastnosti, ki težijo k uničenju patogenih organizmov. Lizocim, encim, ki razstaplja nekatere celične stene, in morda tudi drugi encimi so prisotni na koži. Lizocim je prisoten tudi v solzah in respiratornih in cervikalnih izločkih. Kožna odpornost se lahko razlikuje glede na starost. Npr., otroci so zelo dovzetni za infekcijo s krastami. Po puberteti se odpornost na take glivne infekcije znatno poveča z zvišano vsebnostjo nasičenih maščobnih kislin v izločkih lojnic.
B. Mukozne Membrane:

Slovarček

Ab (protitelo): protein, ki nastaja kot rezultat vnosa antigena in ima sposobnost povezave z antigenom, ki je njegovo produkcijo pospešil.
Anafilatoksin: substanca, ki nastane z aktivacijo komplementa (posebno C3a, C5a), zaradi česar se poveča žilna permeabilnost preko sprostitve farmakološko aktivnim mediatorjev iz mastocitov.
Antigen (Ag): substanca, ki povzroči imunski odgovor, ki ga zaznamo, ko jo vnesemo v žival
B celica (tudi B limfocit): pri letalskih vrstah strogo nastaja v bursi, analogno pa nastaja iz ekvivalenta burse v neletalskih vrstah. B celice so prekurzorji plazmatk, ki tvorijo protitelesa.
Celično posredovana imunost: imunost, v kateri prevladuje udeležba limfocitov in makrofagov. Običajno termin uporabljamo za IV tip hipersenzitivne reakcije.
Citokin: Faktor kot je limfokin ali monokin, ki ga izločiajo celice, ki vplivajo na druge celice (npr. limfociti ali makrofagi) in ima multiple funkcije, ki modulirajo imunost. Citokini vključujejo interlevkine in interferone.
Citoliza: liza bakterije ali celice kot je tumorska ali rdeča krvna celica preko insercije kompleksa, ki napade membrano. Kompleks nastane zaradi aktivacije komplementa
Glavni histokompatibilni kompleks (MHC): Skupek genov, lociranih tesno v bližini, ki določa histokompatibilne antigene članov neke vrste.
Hapten: molekula, ki ni imunogenska sama po sebi, vendar lahko reagira s specifičnim protitelesom
Histokompatibilen: ima enake transplantacijske antigene
Humoralna imunost: se nanaša na imunost v telesni tekočini in je označevuje imunost, posredovano s protitelesi in komplementom
Kemotaksa: proces, kjer fagocitne celice privlači okolica vdirajočih patogenov
Komplement: sistem serumskih proteinov, ki je primarni mediator antigen-protitelo reakcij
Hipersenzitivne reakcije: te se pojavljajo v štirih oblikah:
1. Hipersenzitivnost, posredovana s protitelesi:
Tip I. Anafilektični: IgE protitelo se vzbudi z alergenom in se veže preko svojega Fc receptorja na mastocite in bazofilce. Po vnovičnem vnosu antigena, postanejo fiksirani IgE prečno povezani, kar sproži degranulacijo in sprostitev mediatorjev, posebno histamina
Tip II. Citotoksični: Antigeni na celični povrđini se združijo s protitelesi, kar vodi do lize, posredovane s komplementom (npr. transfuzija ali Rh reakcije) ali drugih citotoksičnih poškodb membrane (avtoimunska hemolitična anemija).
Tip III. Imunski kompleks: Antigen-protitelo tvori imunski kompleks, ki se odlaga v tkivih, aktivira se komplement, polimorfonuklearne celice romajo na tisto mesto ter povzročajo tkivno poškodbo.
2. Celično posredovana hipersenzitivnost:
Tip IV. Zapoznela: T limfociti, senzibilizirani z antigenom, sproščajo limfokine pri vnovičnem kontaktu z istim antigenom. Limfokini povzročijo vnetje in aktivirajo makrofage.

Imunost:
1. Naravna imunost: Nespecifična odpornost ni pridobljena preko kontakta z antigenom. Vključuje kožne bariere, mukozne membrane kot prepreke za infektivne agense in različne ne-specifične imunološke faktorje. Lahko variira s starostjo in hormonalno ali metabolično aktivnostjo.
2. Pridobljena imunost: Zaščita, pridobljena preko namernega vnosa antigena v odzivnega gostitelja. Aktivna imunost je specifična in je posredovana preko protiteles ali limfoidnih celic (ali oboje).

Imunski odgovor: Razvoj odpornosti (imunosti) na tujo substanco (npr. infekcijski agens). Lahko je posredovana s protitelesi (humoralna) ali pa s celicami (celična) ali oboje.
Imunoglobulin: glikoprotein, sestavljen iz H in L verig, ki funkcionirajo kot protitelo. Vsa protitelesa so imunoglobulini, vendar ne funkcionirajo vsi imunoglobulini kot protitelesa.
Imunoglobulinski razred: Delitev imunoglobulinskih molekul, ki temelji na značilnih antigenskih determinantah v Fc regiji H verig. Pri ljudeh poznamo 5 imunoglobulinskih razredov: IgG, IgM, IgA, IgE in IgD.
Imumoglobulinski podrazred: Poddelitev razredov imunoglobulinov, ki temelji na strukturnih in antigenskih razlikah v H verigah. Za človeški IfG poznamo 4 podrazrede: IgG1, IgG2, IgG3, IgG4.
Interferon: Ena izmed heterogene skupine nizkomolekularnih proteinov, ki jih izločajo okužene gostiteljske celice, ki ščitijo neokužene celice pred virusno infekcijjo. Interferoni, ki so citokini, imajo tudi imunomodulirajoče funkcije.
Interlevkin: Citokin, ki stimulira ali kako drugače vpliva na funkcijo limfocitov in nekaterih drugih celic.
1. Interlevkin-1: Faktor makrofagov, ki pospešuje kratkoročno proliferacijo T celic.
2. Interlevkin-2: Faktor limfocitov, ki pospešuje dolgoročno proliferacijo T celičnih linij v tkivni kulturi.
3. Interlevkin-3: T celični produkt, ki sproži proliferacijo in diferenciacijo v drugih limfocitih in nekaterih hematopoetskih celicah.
Limfocit: Mononuklearna celica, 7-12 mm v premeru, ki vsebuje nukleus z gosto zloženim kromatinom in majhnim delom citoplazme. Limfociti vključujejo T celice in B celice, ki imajo primarno vlogo v imunosti.
Limfokin: Citokin, ki je topen produkt limfocita. Limfokini so odgovorni za številne efekte v celičnih imunskih reakcijah.
Makrofag: Fagocitna mononuklearna celica, ki nastane iz monocitov kostnega mozga in jo najdemo v tkivih na mestu vnetja. Makrofagi služijo kot pomočniki v celični imunosti.
Kemotaksa: proces, kjer fagocitne celice privlači okolica vdirajočih patogenov
Kompleks membranskega napada: Končni produkt aktivacije kaskade komplementa, ki vsebuje C5, C6, C7 in C8 (in C9). Kompleks membranskega napada naredi luknje v membranah gram negativnih bakterij, kar jih ubije in rezultira pri rdečih krvničkah ali drugih celicah v lizi.
Komplement: sistem serumskih proteinov, ki je primarni mediator antigen-protitelo reakcij
Monocit: Cirkulirajoča fagocitna krvna celica, ki se razvije v tkivni makrofag.
Opsonin: Substanca, sposobna spodbujanja fagocitoze. Protitelesa in komplement sta 2 glavna opsonina.
Opsonizacija: Prekritje antigena ali delca (npr. infektivnega agensa) s substanco kot je npr. protitelo, komponente komplementa, fibronektin in tako dalje, ki pospešujejo prevzem tujih delcev v fagocitno celico.
Polimorfonuklearna celica (PMN): Poznana tudi kot nevtrofilec ali granulocit, PMN se razvije iz hematopoetske celice kosntega mozga in je zanjo značilno multilobularno jedro. PMN migrira iz cirkulacije na mesto vnetja s kemotakso in fagocitira bakterije ter druge delce.
T celica (tudi T limfocit): Celica, nastala v timusu, ki sodeluje v različnih celično posredovanih imunskih reakcijah.

Mehanizmi specifične obrambe gostitelja

Imunski odgovor
Imunski odgovor lahko posredujejo protitelesa (humoralni), celice (celični) ali oboje. Bojevanje proti mikrobnemu ali virusnemu agensu običajno poteka preko kompleksne mavrice odgovorov. Pregled teh podajamo tukaj, podrobnosti so pojasnjene kasneje.
Ob vstopu potencialnega patogena v gostitelja so njegovi antigeni pregledani z antigen predstavitvenimi celicami (APC), npr. makrofagi. Taki antigeni se znova pojavijo na makrofagni površini, združeni s proteini, ki jih kodira MHC, in so predstaljeni T limfocitom. MHC-antigen komplekse prepoznavajo specifični receptorji na površini T celic in te celice potem tvoorijo različne limfokine, ki sprožijo klonalno proliferacijo. Dve orožji imunskega odgovora – celično in protitelesno posredovani – se razvijata sočasno.
Pri odgovoru, posredovanem s protitelesi, prepoznajo CD 4 T limfociti pomagalke patogeni antigen, združen z razredom II MHC proteinov na površini antigen-predstavitvene celice (makrofaga ali B celice) in tvorijo limfokine, ki aktivirajo tiste B celice, ki izražajo protitelesa, ki so ustrezna antigenu. Te B celice proliferirajo in se diferenciirajo v plazmatke, ki lahko potem tvorijo specifične imunoglobuline (protitelesa). Glavne obrambne funkcije protiteles v gostitelju vključujejo nevtralizacijo toksinov in virusov in opsonizacijo (coating) patogena, kar pomaga pri njegovem sprejemu v fagocit. Obramba, posredovana s protitelesi, je pomembna proti patogenom, ki tvorijo toksine (npr. clostridium tetani) ali imajo polisaharidno kapsulo, ki moti fagocitozo (npr. pneumococcus). Nanaša se predvsem na ekstracelularne patogene.
Pri celično posredovanem odgovoru prepozajo kompleks antigen-MHC razred II T limfociti pomagalke (CD 4), medtem ko prepoznajo kompleks antigen-MHC I citotoksični (CD 8) limfociti. vsak razred T celic tvori limfokine, se aktivira in razmnoži preko klonalne proliferacije.
T celice pomagalke in njihova aktivnost pospeši razvoj pozne preobčutljivosti in služi v obrambi proti intracelularnim agensom, vključno z intracelularnimi bakterijami (npr. mycobacterije), glive, protozoi in nekateri virusi. Aktivnosti citotoksičnih T celic je usmerjena pretežno k destrukciiji celic v tkivnih presadkih, tumorskih celic ali celic, inficiranih z nekaterimi virusi. Te celice lahko poleg T citotoksičnih limfocitov dodatno ubija kombinirano delovanje citotoksičnih T limfocitov s protitelesi.
Fig. 8-2 povzema specifični in nespecifični obrambni mehanizem pri zoperstavljanju mokroorganizmom. Rezultat učinkovite imunosti je gostiteljeva odpornost na mikrobne in druge patogene in tuje celice. V nasprotju se motena imunost kaže sama po sebi kot večja dovzetnost za take patogene ali tumorje. Specifični primeri so predstavljeni spodaj.

Antigeni
Lastnosti antigenov, ki določajo imunogenost v imunskem odgovoru, so naslednji:
A. Tujost: Na splošno molekule, ki jih organizem prepozna kot lastne, niso imunogene, za imunogenost morajo biti mmolekule prepoznane kot ne-lastne.
B. Molekularna velikost: Najbolj potentni imunogeni so običajno veliki proteini. Molekule z molekulsko težo manj kot 10.000 so šibko imunogene in zelo majhne (npr. amino kisline) so neimunogene. Določene majhne molekule (npr. hapteni) postanejo imunogene le, kadar so povezane s prenašalnim proteinom.
C. Kemična in strukturna zapletenost: Določena količina kemične kompleksnosti je potrebna, npr. amino kislinski homopolimeri so manj imunogeni kot heteropolimeri, ki sebujejo dve ali tri različne amino kisline.
D. Antigenske determinante (epitopi): Najmanjša enota kompleksnega antigena, ki je sposobna vezave na protitelo je znana kot antigenska determinanta ali epitop. Antigen ima lahko enao ali več determinant. Na splošno je determinanta velika pet amino kislin ali sladkorjev.
E. Genetska konstitucija gostitelja: Dva primerka iste vrste živali se lahko odzivata različno na isti antigen zaradi različne sestave genov za imunski odgovor.
F. Doza, pot in čas napada antigena: Ker je stopnja živalskega odgovora odvisna od količine danega antigena, se imunski odgovor lahko optimizira s pazljivim določanjem doze (vključno s številom doz), poti administracije in časa administarcije (vključno z intervali med dozami).

Celične osnove imunskega odgovora
Kapaciteta za odgovor na imunološke stimuluse je odvisna predvsem od limfoidnih celic. Med embrionalnim razvojem je najti prekurzorje krvnih celic v fetalnih jetrih in drugih tkivih; postnatalno bivajo zarodne celice v kostnem mozgu. Lahko se diferencirajo po različnih poteh. V jetrih in kostnem mozgu se lahko zarodne celice diferencirajo v celice rdeče vrste ali v celice limfoidne vrste. Limfoidne zarodne celice evolvirajo v dve glavni limfocitni populaciji, B celice in T celice.
A. B celice: B celice so limfociti, ki se razvijejo v črevesnem limfoidnem tkivu in drugih ekvivalentih Fabricijeve burze letalcev, dodatka črevesa pri pticah. So vir protiteles in humoralne imunosti. Protitelesa so imunoglobulini. B celicam ni potrebno dozorevanje v timusu za doseganje zrelosti.
B. T celice: T celice so limfociti, ki zorijo v timusu in oblikujejo mnogo podrazredov s specifičnimi funkcijami. So vir celično posredovane imunosti, o kateri razpravljamo kasneje.
Nekatere limfocitne celice (npr. NK celice) nimajo lastnosti B ali T celice, imajo pa zelo pomembno imunološko vlogo. Fig. 8-3 predstavlja pregled imunološko aktivnih limfocitov in njihovih interakcij.

Antigenska prepoznava molekul
Da bi se imunski sistem odzval na ne-lastni, to je tuji antigen, se je moral razviti prepoznavni sistem, sposoben natančnega prepoznavanja in ločevanja lastnega od ne-lastnega. Ta odlomek poglavja se ukvarja z molekulami, sposobnimi razpoznave tujih antigenov. Najprej bomo pregledali nekaj membranskih receptorjev za antigene, antigensko specifični T celični receptor in produkte MHC.

Protitelesa (imunoglobulini)
Protitelesa se oblikujejo s klonalno selekcijo. Vsaka oseba ima veliko zalogo B limfocitov (okoli sto milijonov), ki imajo življenjsko dobo dnevov ali tednov in nastanejo v bezgavkah in limfnih tkivih črevesa (tonzille ali appendix).
B celice izpostavljajo imunoglobulinske molekule (105/ celico) na njihovi povrđini. Ti imunoglobulini služijo kot receptorji za specifični antigen, tako da lahko vsaka B celica odgovori na le en antigen ali tesno povezano skupino antigenov. Vse nezrele B celice nosijo IgM imunoglobuline na svoji povrđini, večina jih nosi tudi IgD. B celice imajo tudi površinske receptorje za Fc del imunoglobulinov in za mnoge komponente komplementa.
Antigen interreagira z B limfocitom, ki najbolj ustreza njegovemu imunoglobulinskemu površinskemu receptorju. Antigen se veže na receptor in B celica je stimulirana k delitvi in oblikovanju klona. Take izbrane B celice kmalu postanejo plazmatke in izločajo protitelesa. Ker ima vsaka oseba okoli sto milijonov različnih molekul protiteles, lahko mesto na B celici ustreza skoraj katerikoli antigenski determinanti.
Začetni korak pri tvorjenju protiteles je fagocitoza antigena, običajno z makrofagi, ki predelajo in predstavljajo antigen T celicam. Te aktivirane T celice potem interreagirajo z B celicami. B celice, ki nosijo povrđinski imunoglobulin, ki najbolj ustreza antigenu, so stimulirane k proliferaciji in se diferencirajo v plazmatke (glej zgoraj), ki tvorijo specifične proteinska protitelesa. Plazmatke sintetizirajjo isti razred imunoglobulinov (t.j., isti razred H verige, isti razred L verige – razen za spremembo izotipa, glej spodaj), ki ga je nosila B prekurzorska celica. Plazmatke se lahko spremenijo v majhne limfocite z dolgo življenjsko dobo, ki pa služijo kot spominske celice B.

Struktura protiteles in funkcija
Protitelesa so imunoglobulini, ki reagirajo specifično z antigenom, ki je stimuliral njihovo produkcijo. Njihov delež med plazemskimi proteini je 20 \%.
Protitelesa, ki nastanejo v živali v odgovor na en sam kompleks antigena, so heterogena, saj jih tvorijo različni kloni celic, od katerih vsak izraža protitelo, sposobno reagiranja z različno antigensko determinanto na kompleksu antigena. Ta protitelesa se imenujejo poliklonalna. Protitelesa, ki natanejo iz enega samega klona celic, npr. v mielomu (tumor plazmatk), so homogena – t.j. monoklonalna. Monoklonalna protitelesa se lahko tvorijo s fuzijo mielomske celice z limfocitom, ki producira protitelesa. Taki hibridomi tvorijo skoraj neomejene količine monoklonalnih protiteles in vitro. S študijo monoklonalnih protiteles smo prišli do pomembnih informacij o strukturi in funkciji protiteles.
Vse imunoglobulinske molekule so narejeene iz lahke in težke polipeptidne verige. Termina lahki in težki se nanašata na molekularno težo – t.j. lahke verige imajo molekularno težo 25.000, težke verige imajo molekularno verigo 50.000-70.000. Lahke (L9 verige pripadajo enemu od dveh tipov k (kapa) ali l (lambda); razdelitev temelji na amino kislinski razlikah v njunih konstantnih regijah. Oba tipa se pojavljata v vseh razredih imunoglobulinov (IgG, IgM, IgA, IgE in IgD), vendar katerakoli imunoglobulinska molekula vsebuje le en tip L verige. Amino konec vsake L verige vsebuje del, ki veže antigen. Težke (H) verige so drugačne za vsakega izmed petih imunoglobulinskih razredov in so označena g(gama), m(mikro), a (alfa), d (delta), x (epsilon). Amino konec vsake H verige sodeluje pri vezavnem mestu za antigen; drugi (karboksi) konci tvorijo Fc fragment, ki ima različne biološke aktivnosti (npr. aktivacijo komplementa in vezava celice na površinske receptorje).
Molekulo posameznega protiteles vedno sestavljajo identične H verige in identične L verige. Najpreprostejša molekula protitelesa ima obliko Y (Fig. 8-4) in vsebuje štiri polipeptidne verige: dve H verigi in dve L verigi. Đtiri verige so kovalentno povezane z disulfidnimi vezmi.
Če taka molekula protitelesa naleti na dodani proteolitični encim (npr. papain), se peptidne vezi v zgibni (hinge) regiji podro. Proces cepitve da dva identična Fab fragmenta, ki nosita natigen vezavna mesta, in en Fc fragment ki je vključen v prenos preko placente, fiksacijo komplementa, pritrditev za različne celice in druge biološke aktivnosti.
L in H veriga se delita na variabilne in konstantne regije. Regije so sestavljene iz trodimenzionalno zgubanih ponavljajočih segmentov, imenovanih domene. L verigo sestavlja ena variabilna domena in ena konstantna domena (VL, CL). Večina H verig vsebuje eno variabilno domeno (VH) in tri ali več konstantnih domen (CH). Vsaka domena je dolga približno 110 amino kislin. Variabilne regije so odgovorne za vezavo antigena; konstantne regije so odgovorne za biološke funkcije.
V variabilnih regijah tako L kot H verige so tri visoko variabilne (hipervariabilne) amino kislinske sekvence, ki oblikujejo mesto vezave antigena. Hipervariabilne regije oblikujejo regijo, po strukturi komplementarno antigenski determinanti ali epitopu in so zatorej poznane kot komplemetarnost določajoče regije (CDR). Le pet do deset amino kislin v vsaki hipervariabilni regiji tvori mesto vezave antigena. Vezava antigena je nekovalentna, vključuje van der Waalsove, elektrostatične in druge šibke sile, kot tudi hidrogenske in druge vezi.

Izotipi, alotipi & idiotipi
Ker so imunoglobulini proteini, so antigenski. Izotipi so antigenske lastnosti razreda imunoglobulina H ali L verige (npr. mH veriga je izotipično drugačna od gH verige). Vsi normalni ljudje delimo določene izotipe, saj vsi tvorijo različne H in L verige.
Alotipi so dodatne antigenske lastnosti imunoglobulinov, ki variirajo med posamezniki in so pod genetsko kontrolo. gH veriga vsebuje alotip, imenopvan Gm; kL veriga vsebuje alotip, imenovan Km. Alotipi so lahko enaki med nekaj člani ene vrste.
Idiotip je unikatna antigenska determinanta hipervariabilne regije, ki jo tvori specifični klon celic, ki producirajo protitelesa. Ne-idiopatsko protitelo reagira samo z V domeno specifičnega imunoglobulina, ki je vezavo inducirala. Takšno protitelo lahko kaže regulatorne funkcije z reguliranjem (utišanjem) protitelesnega odgovora.

Imunoglobulinski razredi