Imunitní systém ve schématu

Bc. Jaroslav Šebek, DiS., AeskuLab k.s. Plzeò

Imunitní systém ve schématu Imunitní systém zpracovává exogenní i endogenní látky nízkomolekulárního nebo vysokomolekulárního charakteru vèetnì mikrobù za úèelem zachování homeostázy organismu. Spolupracuje na tom s endokrinním a nervovým systémem. Aè definici mùžeme považovat za zdánlivì jednoduchou, na imunitì participuje celá øada pochodù, o kterých je zapotøebí uvažovat nejen v souvislostech èi komplexnì, ale zároveò všechny optimálnì zjednodušit. Pro výuku diplomovaných zdravotních laborantù jsem ilustraci znázoròující imunitu tímto zpùsobem hledal marnì. Z didaktických dùvodù jsem schéma studentùm vytvoøil a nyní se chci s vámi o nìj podìlit. Doprovodný text èíselnì koresponduje s jednotlivými kroky ve schématu. Navíc kurzívou doplòuji informace, jež nejsou z obrázku pøímo patrné, a pro úplnost problematiky je zmiòuji.

Popis schématu Ústøední roli sehrávají antigeny, což jsou peptidy eventuelnì polysacharidy èi jejich deriváty schopné asociace s MHC glykoproteiny (major histocompatibility complex, taktéž HLA molekuly) nebo receptorovými komplexy na povrchu lymfocytù. Imunita antigenní struktury neustále zpracovává za úèelem získání imunokompetence, tedy schopnosti na nositele tìchto antigenù specificky reagovat. Nejèastìji za úèelem eliminovat infekci. V našem pøípadì budou antigeny souèástí obaleného viru, aby na jednoho infekèního èinitele pùsobilo co nejvíce imunitních reakcí. 1. První protektivní úloha náleží nespecifickým bariérám organismu. Rohovìjící krycí epitel vytváøí vrstvu s obsahem keratinu, což znesnadòuje prùnik mikrobù k vitálním buòkám. Povrchová sekrece lysozymu pùsobí ly16

Labor Aktuell 04/13

ticky pøedevším na Gram pozitivní bakterie. Ochranu dále zajišují specifické imunoglobuliny izotypu IgA. Sekreèní komponenta zabezpeèuje jejich transport prostøednictvím transcytózy na povrch epitelií, kde pùsobí neutralizaènì.

C-reaktivní protein reaguje s fosfocholinovými zbytky z povrchu bakterií èi nekrotizovaných bunìk. CRP syntetizují hepatocyty jako odpovìï na zvýšenou hladinu interleukinu 6 (IL-6) pøi rozvoji zánìtlivé reakce.

2. Nᚠpatogen nespecifické bariéry prolomil, v infekèní dávce pronikl do organismu a ocitl se v oblasti intersticia. Aè u viru bude termín zavádìjící, mùžeme to oznaèit jako extracelulární infekci (èervené šipky). Zde prozatím zasahují složky nespecifické humorální imunity ve smyslu molekul komplementu nebo C-reaktivního proteinu (CRP). Nicménì vyšší úèinnosti dosahují u bakteriálních pùvodcù onemocnìní (ve schématu 2a).

Nᚠmikrob nese nìkolik antigenních struktur. Dle obrázku se na jeden typ antigenu navázaly specifické protilátky. Pøedpokládejme tedy, že v minulosti došlo k infekci stejným virem, ale prodìlal antigenní drift (posun, menší zmìna ve struktuøe) eventuelnì antigenní shift (zlom, zásadní zmìna ve struktuøe). Proto z pøipravených protilátek dokázal reagovat jen jeden typ, který byl zamìøen k doposud nezmìnìnému antigenu. Mimo jejich neutralizaèního efektu je výsledkem i aktivace komplementu. Všechny výše uvedené mechanismy nevedou jen k neutralizaci povrchových struktur infekèního agens, ale i vzájemnému posílení a opsonizaci. Na opsonizaci participují imunoglobuliny, složky komplementu (pøedevším C3), CRP a nìkteré další proteiny, jež øadíme mezi reaktanty akutní fáze. Proces chápejme jako oznaèení patologických struktur, což má za úkol navodit pozitivní chemotaxi èili migraci imunocytù (bunìk imunitního systému) smìrem k zánìtu, a tím usnadnit fagocytózu. V pøípadì, že zmiòované mechanismy nedokáží vèas viry eliminovat, nastává intracelulární infekce (ve schématu 2b).

Komplement se skládá celkem z devíti efektorových složek (znaèených C1 - C9) produkovaných hepatocyty a dalších zhruba dvaceti regulaèních proteinù. Pøi hierarchické aktivaci narušuje biomembrány. Protože obal virové kapsidy pochází nejèastìji z cytoplazmatické membrány napadené buòky, viriony podléhají lytickému efektu komplementu. Celkem známe tøi zpùsoby aktivace komplementu, napø. vazbou imunoglobulinù k povrchovým antigenùm. Ovšem všechny vedou k vytvoøení tzv. membránu atakujícího komplexu (MAC), který perforuje membrány mikroorganismù i transformovaných bunìk.

Labor Aktuell 04/13

17

elnì CD86 vystavených na APC. Bunìèný kontakt oznaèujeme jako imunologickou synapsi. Na synapsi participují buï TC-lymfocyty (cytotoxické s typickou expresí znaku CD8) nebo TH-lymfocyty (pomocné s typickou expresí znaku CD4).

U imunoglobulinù rozeznáváme antigennì specifickou oblast Fab, pøièemž druhý pól molekuly Fc je pro každý izotyp konstantní. Po navázání k antigenu oblast Fc umožòuje iniciaci jak komplementu, tak fagocytózy. Konstantní èást protilátky totiž pøedstavuje pøirozený ligand pro receptory FcR z povrchu makrofágù i neutrofilních granulocytù. Po aktivaci receptoru imunoglobulinem s navázaným antigenem je celý komplex pohlcen. Obdobná situace nastává u komplementu, kdy aktivovaná složka C3 na membránì agens afinuje k receptoru C3R fagocytù. Na nich ještì nacházíme receptorovou rodinu TLR (toll-like receptor). Jde o heterogenní a z evoluèního hlediska konzervativní skupinu receptorù. Specificky afinují k urèitým molekulám typickým pro urèité mikroby. 3. Pomineme-li neutrofilní granulocyty, které po ingesci a degradaci materiálu zanikají, fagocytózu zprostøedkovávají makrofágy, dendritické buòky (DC) infiltrované v tkáních. Fungují jako antigen prezentující buòky (APC, antigenpresenting cell), jež pøedstavují první linii bunìk potøebných k získání specifické imunity. Mìli bychom si uvìdomit rozdíly mezi makrofágy a dendritickými buòkami. Øeknìme, že dendritické buòky jsou více zamìøeny k antigenní prezentaci, tudíž zpracování pohlceného materiálu bude o nìco šetrnìjší než u makrofágù. Obecnì to oznaèujeme jako degradaci.

18

Labor Aktuell 04/13

Pøi ingesci nejprve vznikne fagozóm teprve poté fagolysozóm, kde se samotný proces pøi pH 4 - 5 odehrává. Proteolyticky pùsobí enzymy napø. katepsiny, elastáza nebo lysozym. Na mikroby toxicky pùsobí tzv. oxidaèní vzplanutí, kdy NADPH-oxidáza produkuje superoxidový radikál O2- a peroxid vodíku. Naproti tomu výsledkem pro neoxidaèní vzplanutí je tvorba oxidu dusnatého.

5. Zaèneme TC-lymfocyty, u nichž je situace jednodušší. Ve schématu v oblasti 2b probíhá intracelulární infekce. Každá jaderná buòka našeho organismu vytváøí MHC gp I. tøídy. Pøi replikaci viru nutnì vznikají jeho stavební proteiny, které samy o sobì pøedstavují antigeny. Buòky molekuly podrobí asociaci s MHC glykoproteiny, posléze exprimují na cytoplazmatickou membránu, a proto umožní efektorovým TC-lymfocytùm rozpoznat její transformaci (èervené šipky). Uvìdomme si, že schopnost reagovat s tìmito antigenními fragmenty lymfocyty získaly bìhem styku s APC v minulosti. Transformovanou buòku TC-lymfocyt identifikoval a zahajuje cytotoxickou imunitní reakci. Zároveò na pøítomnost antigenù reagují specifické imunoglobuliny, složky komplementu, což stimuluje fagocytózu a následnì augmentuje aktivitu nových antigen prezentujících bunìk.

Zbytky rozložených mikroorganismù pøedstavují peptidové štìpy. V mnoha pøípadech mají charakter antigenu, protože v buòce asociují s MHC glykoproteiny. Nyní se dostáváme na èást imunitní reakce, kde bunìèná nespecifická imunita bezprostøednì navazuje na specifickou, k èemuž jsou zapotøebí právì antigen prezentující buòky (APC). Tím že intracelulárnì navazují antigenní štìpy s MHC gp první i druhé tøídy a vzniklé komplexy exprimují na svùj povrch, umožòují prekurzorovým T-lymfocytùm získat vùèi tìmto antigenùm imunokompetenci. Následnì lymfocyty proliferují v klon efektorových bunìk. Termín imunokompetence chápejme jako schopnost aktivního vyhledávání antigenù a zahajovat vùèi nim imunitní reakce.

Lymfocyty disponují nìkolika možnostmi, jak usmrtit patologické buòky. Mohou navodit apoptózu prostøednictvím receptoru Fas (CD95). Receptory disponuje vìtšina somatických bunìk, pøièemž ligandem je FasL z povrchu TC-lymfocyù, který po navázání indukuje apoptózu. Odlišný zpùsob spoèívá v uvolnìní granul s perforiny vytváøejícími v cytoplazmatické membránì infikované buòky póry. Pro oba zpùsoby je nutný tìsný kontakt mezi lymfocytem a cílovou buòkou. Naproti tomu produkce lymfotoxinu nevyžaduje bezprostøední kontakt, ale jeho sekrece poškozuje všechny buòky v blízkém okolí.

4. Ale situace je složitìjší, protože T-lymfocyty na povrchu nesou receptorové komplexy TCR (T-cell receptor), u kterých je zapotøebí, aby se k prezentovanému antigenu navázaly. Navíc povrchové molekuly CD28 z lymfocytù musejí vytvoøit vazbu s CD80, eventu-

6. Existuje ještì jeden typ imunocytù s oznaèením NK-buòky (natural killer). Vyznaèují se obdobnými mechanismy úèinku jako TC-lymfocyty, ale jiným zpùsobem rozpoznání transformovaných bunìk. Infekce napø. herpetickými viry snižuje pøirozenou expresi

MHC gp, tudíž klasická cytotoxická reakce selhává. Právì na nedostatek glykoproteinù a také opsonizaci imunoglobuliny reagují NK-buòky (èervená šipka). Ponìvadž ani nemají antigennì specifické receptory, považujeme je za složku nespecifické imunity. 7. Oblast schématu popisuje aktivaci pomocných TH-lymfocytù (èervené šipky). Výchozím bodem je kontakt s makrofágem èi jinou antigen prezentující buòkou, která prostøednictvím MHC glykoproteinù vystavuje antigenní štìpy, aby pomocné lymfocyty vytvoøily imunologickou synapsi. Ovšem musejí disponovat TCR schopným vazby s antigenem a znakem CD28 adherovat k CD80 nebo CD86

z povrchu APC. Nastane proliferace a diferenciace v klon efektorových bunìk. Následnì mohou TH-lymfocyty participovat na dvou bunìèných reakcích, pøi nichž podnìcují aktivitu monocytù nebo B-lymfocytù. Reakce probíhají souèasnì, ale vždy jedna pøevažuje nad druhou s ohledem na potøeby organismu. 8. Vyšší koncentrace interleukinu 12 (IL-12) koresponduje s rozvojem reakce typu TH1, kdy lymfocyty stimulují pøemìnu monocytù v makrofágy, tedy plnohodnotné antigen prezentující buòky s rozvinutou degradaèní schopností. Umožòuje to interferon-γ (IFNγ) sekretovaný TH1-lymfocyty. Celý

proces startuje v pøípadì, že monocyt pøedtím zfagocytoval a odprezentoval antigenní struktury, které v minulosti zapøíèinily vznik klonu efektorových TH1-lymfocytù (èervená šipka). 9. Pøi zvýšené hladinì interleukinu 4 (IL-4) se diferenciace pomocných lymfocytù ubírá jiným smìrem. Vznikají TH2-lymfocyty, které zprostøedkovávají bunìènou reakci TH2. Výsledkem je transformace B-lymfocytù v plazmatické buòky (taktéž plazmocyty) specializované k produkci specifických protilátek. S tím koresponduje fakt, že mají vysoce vyvinutý proteosyntetický aparát. Zatímco T-lymfocytùm musejí být antigeny prezentovány v asociaci s MHC gp, B-lymfocyty respektive jejich BCR (B-cell receptor) mohou navázat nativní antigen. Avšak jsou-li schopné vzájemné vazby. B-lymfocyt následnì antigen podrobí ingesci a za pomoci glykoproteinù prezentuje na povrchu. TH2-lymfocyt mùže svým TCR struktury na B-lymfocytu rozpoznat a zahájit procesy k jeho diferenciaci v plazmatickou buòku uvolòováním interleukinu 4, 5, 6 (èervená šipka). Reakce vede k produkci specifických imunoglobulinù izotypu IgM. V ideálním pøípadì TCR i BCR na lymfocytech byly senzibilizovány stejným antigenem. Hovoøíme o tzv. pøímé pomoci B-lymfocytùm. Nepøímá pomoc nastává, když TCR i BCR stimulovaly odlišné antigeny. V obou pøípadech øíkáme, že protilátkovou reakci vyvolaly antigeny závislé na T-lymfocytech (T-dependentní antigeny), což umožòuje rozvoj primární a sekundární imunitní reakce. Antigeny nezávislé na lymfocytech (non-dependentní) svou polysacharidovou strukturou dokáží stimulovat B-buòky, aniž by do reakce vstupovaly pomocné lymfocyty. Sice je produkce imunoglobulinù èasovì pružnìjší, ale jen po urèitou dobu a jen izotypu IgM. BCR mùžeme chápat jako urèitý molekulární pøedstupeò protilátky, kterou je lymfocyt pøipraven produkovat. Pokud dojde k aktivaci, bude antigennì specifická oblast syntetizovaných imunoglobulinù kopírovat strukturu BCR. Labor Aktuell 04/13

19

ganismu je následující: nejprve IgM, IgG a následují IgA s IgE. Je to umožnìno pøeskupováním Ig-genù kódujících konstantní èást molekuly imunoglobulinù, pøièemž geny pro antigennì specifickou oblast pøeskupovány nejsou.

Problematika MHCgp, TCR, BCR

10. Vidíme, jak na stejného mikroba pùsobí více eliminaèních procesù, než tomu bylo na zaèátku. U extracelulární i intracelulární infekce nalézá uplatnìní TH1, TH2 reakce ve spolupráci s fagocytózou a humorální imunitou (èervené šipky).

Primární a sekundární imunitní reakce Zatím jsme vìnovali pozornost situaci, kdy imunitní systém zpracovával doposud neznámé antigeny (èervené šipky). Oznaèujeme to termínem primární imunitní reakce. Pokud antigenní stimul pøetrvává delší dobu nebo nastane reinfekce mikrobem, rozvíjí se sekundární imunitní reakce. Je dùležitá pro fixaci imunologické pamìti, která závisí na pamìových buòkách. Nevznikají diferenciací jen z aktivovaných B-lymfocytù, ale i T-lymfocytù (modré šipky). Pøi opìtovném setkání s antigenem rychle proliferují a mají opìt efektorový charakter. 11. Vìtšinu èasu své existence tráví v oblasti lymfatických tkání, kde na nì pozitivnì pùsobí folikulární dendritické buòky (FDC). V dobì primární i sekundární reakce vytváøejí depozita antigenu, dlouhodobì jej pamìovým buòkám prezentují, a tak je udržují ve viabilním stavu. Poznání úlohy FDC nám vysvìtlilo, proè je pro udržení imunoprotekce dùležitá revakcinace. 12. Koneènì sekundární imunitní reakce souvisí s tzv. izotypovým pøesmykem (modrá šipka). Nìkteré plazmatické buòky vzniklé bìhem primární reakce prodìlají zmìny, jež vyústí v tvorbu imunoglobulinù dalšího izotypu. Sled produkce specifických protilátek v or20

Labor Aktuell 04/13

MHC glykoproteiny i receptorové komplexy T a B lymfocytù determinují a zároveò limitují specifickou imunitu, protože pøímo vstupují do vazby s antigenem. Pøirozenou funkcí glykoproteinù je intracelulární asociace s antigeny, a to jak exogenních, tak endogenních. MHC gp si tedy mùžeme pøedstavit jako nitrobunìèné peptidy navazující antigenní štìpy. Celý komplex pak putuje na povrch cytoplazmatické membrány, kde vykazuje klasický antigenní charakter. Protože lidská populace se vyznaèuje polymorfismem MHC glykoproteinù, nemusí mít každý jedinec molekuly schopné vazby se všemi antigeny. Z toho vyplývá, že nemusí být pro každého jedince daný antigen antigenem. Je to dáno genovì determinovanou absencí vhodných HLA molekul. Nebude tak možné jeho zpracování antigen prezentujícími buòkami a imunokompetentní lymfocyty nevzniknou. Naopak nevhodná skladba MHC gp participuje na nepøimìøenì zvýšené prezentaci autoantigenù èi alergenù, což nám pomáhá vysvìtlit patogenezi autoimunitních onemocnìní nebo alergií. Mìli bychom si uvìdomit, že ne každý imunocyt spolupracuje se všemi tøídami MHC glykoproteinù. TC-lymfocyty nesou typický znak CD8, který u TCR urèuje afinitu. Od APC nebo ostatních somatických bunìk rozeznávají jen antigeny v asociaci s MHC gp I. tøídy. Ponìvadž tyto glykoproteiny exprimují všechny jaderné buòky, budou mít nad nimi cytotoxické lymfocyty imunologický dohled. Naopak TH-lymfocyty díky molekule CD4 dokáží svùj TCR navázat jen k antigenùm v komplexu s MHC gp II. tøídy. Z toho vyplývá, že APC i B-lymfocyty tyto glykoproteiny musejí pøirozenì exprimovat. Situace analogická ke schopnosti MHC glykoproteinù asociovat s antigen-

ními strukturami nastává u TCR potažmo BCR u lymfocytù. Receptory jsou determinovány geny. Pøi proliferaci nezralých lymfocytù genové segmenty podléhají náhodnému pøeskupování, což pozmìòuje strukturu receptorù a následnì schopnost vazby s antigeny. Nicménì opìt nastává situace, kdy ne každý jedinec si pro daný antigen dokáže vytvoøit komplementární receptory a nemohou tak vzniknout imunokompetentní lymfocyty. BCR mùžeme chápat jako urèitý molekulární pøedstupeò protilátky, kterou je lymfocyt pøipraven produkovat. Zmiòované pøeskupování genových segmentù pøedstavuje i jiné riziko. V rámci velkého poètu kombinací, respektive vazebných schopností TCR nebo BCR zákonitì vznikají i autoreaktivní lymfocyty. Proto se naivní lymfocyty podrobují selekèním mechanismùm, které u autoreaktivních forem navozují apoptózu.

Princip specifických mechanismù Shrneme-li naše znalosti o fylogeneticky mladší specifické imunitì, mùžeme øíci, že pracuje na klonálnì anticipaèním principu. Již víme, že produkci imunocytù s antigennì specifickými receptory a zároveò vzájemnì odlišnými limitují geny jedince. Odtud pochází termín anticipace èili pøedurèení. Variací je ovšem nepoèitatelnì, takže zpravidla se najde receptor schopný vazby s antigenem. Pokud se tak stane, lymfocyty proliferují v klon bunìk stejného specifického zamìøení schopné imunitní reakce.

Literatura: 1) HOØEJŠÍ, Václav a Jiøina BARTÙÒKOVÁ. Základy imunologie. 3. vyd. Praha: Triton, 2005, 279 s. ISBN 80-7254686-4. 2) ŠTERZL, Jaroslav. Imunitní systém: a jeho fyziologické funkce. 1. vyd. Praha: Èeská imunologická spoleènost, 1993, 480 s.