Regulacja i homeostaza 2009

PODSTAWY IMMUNOLOGII
1. Regulacja odpowiedzi immunologicznej
2. Utrzymanie homeostazy w układzie
odpornościowym
Dr hab. Nadzieja Drela
Dr Ewa Kozłowska
1. Czynniki odpowiedzialne za regulację odpowiedzi
immunologicznej – utrzymanie homeostazy w warunkach
zaleŜnych od antygenu
Regulacja odpowiedzi immunologicznej przez: antygeny,
komórki prezentujące antygen, przeciwciała, limfocyty
regulatorowe, cytokiny, hormony, MHC
2. Utrzymanie homeostazy w układzie odpornościowym w
warunkach niezaleŜnych od obecności antygenu
Czynniki odpowiedzialne za utrzymanie homeostazy
niezaleŜnie od interakcji układu odpornościowego z
antygenem: interakcje TCR-MHC/własne peptydy, cytokiny
(IL-7, IL-15), hormony.
3. Rola apoptozy w utrzymaniu homeostazy układu
odpornościowego
Regulacja odpowiedzi immunologicznej
Czynniki regulujące odpowiedź immunologiczną:
-Antygen
-Komórki prezentujące antygen (APC)
-Przeciwciała
-Limfocyty regulatorowe
-Cytokiny
-Hormony
-MHC
Regulacja odpowiedzi immunologicznej
przez antygen
Regulacja odpowiedzi przez antygen
1.
Natura antygenu: polisacharydy (otoczki bakterii) indukują syntezę
IgM, białka indukują zarówno odpowiedź humoralna jak i komórkową,
wewątrzkomórkowe patogeny indukują głównie odpowiedź komórkową,
białka rozpuszczalne indukują odpowiedź humoralną. Odpowiedź
komórkowa moŜe być indukowana przez cząstki występujące w
naturalnym środowisku i nie będące antygenami (krzemionka).
2.
Dawka antygenu: małe i średnie dawki antygenu indukują odpowiedź, a
duŜe i bardzo duŜe dawki antygenu indukują tolerancję.
3.
Droga podania antygenu: antygeny podane podskórnie i śródskórnie
indukują odpowiedź immunologiczną, antygeny podawane doustnie,
doŜylnie i donosowo mogą indukować tolerancję.
Wpływ dawki antygenu na odpowiedź
immunologiczną
Dawka Ag
Aktywność
OdpowiedźTh1 OdpowiedźTh2
(MLV)
limfocytów Tc (IFN-γ)
γ)
mała
+++
++++++++ +
duŜa
+
+
(IL-4)
++++++++
Tabela przedstawia wyniki badań przeprowadzonych na noworodkach myszy.
Bardzo duŜe dawki antygenu indukują tolerancję Ag-swoistych
limfocytów T (czasami równieŜ limfocytów B)
Bardzo duŜe dawki antygenów T-niezaleŜnych (polisacharydy) indukują
tolerancję limfocytów B
Załamanie tolerancji limfocytów B przez
krzyŜowo-reagujące antygeny T-zaleŜne
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Regulacja odpowiedzi immunologicznej
przez APC
Regulacja odpowiedzi immunologicznej
przez APC
Skuteczna aktywacja limfocytów T zaleŜy od ekspresji
cząsteczek kostymulatorowych na APC. Zatem komórki
dendrytyczne i aktywowane makrofagi wykazujące duŜą
ekspresję MHC II i B7 indukują odpowiedź immunologiczną.
Ponadto interakcja CD40L na aktywowanych limfocytach T i
CD40 na DC indukuje syntezę IL-12 niezbędną do generowania
limfocytów Th1. Ekspozycja naiwnych limfocytów T na antygen
prezentowany przez limfocyty B (nieprofesjonalne APC) nie
indukuje odpowiedzi lecz tolerancję.
Adiuwanty ułatwiają indukcję odpowiedzi immunologicznej w
wyniku wzmoŜenia syntezy MHC i cząsteczek
kostymulatorowych na APC. Adiuwanty aktywują komórki
Langerhansa i powodują ich migrację do lokalnych węzłów
chłonnych gdzie zachodzi odpowiedź immunologiczna.
Model róŜnicowania limfocytów Th
McGuirk P., Mills K.H.G. Trends Immunol. 2002, 23:450
DC w róŜnicowaniu limfocytów T w komórki efektorowe
Mills K.H.G., McGuirk P., Sem. Immunol. 2004, 16:107-117.
DC APC moŜe prezentować antygeny jednocześnie
róŜnym limfocytom
Kontrola aktywacji przez sygnały kostymulacyjne
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Regulacja odpowiedzi immunologicznej
przez przeciwciała
Regulacja odpowiedzi przez przeciwciała
Immunizacja bierna przeciwciałami IgM i antygenem wzmaga
odpowiedź immunologiczną, podczas gdy podanie przeciwciał IgG
osłabia odpowiedź na antygen. Podawanie dzieciom poniŜej 1 roku Ŝycia
niektórych szczepionek (świnka, odra) nie jest skuteczne z powodu
obecności matczynych p-ciał IgG
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Supresja limfocytów B przez przeciwciała IgG
(bierne)
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Wpływ biernych przeciwciał IgG na zwiększenie
powinowactwa produkowanych przeciwciał
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Regulacyjna rola kompleksów immunologicznych
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Regulacja odpowiedzi immunologicznej
przez limfocyty
Naturalne regulatorowe limfocyty T CD4+CD25+
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Utrzymanie równowagi Th1/Th2
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Regulacja migracji limfocytów Th1 i Th2
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Regulacja odpowiedzi immunologicznej
przez cytokiny
Cytokiny: cząsteczki regulatorowe
grupa białek o małym cięŜarze cząsteczkowym
ich synteza jest indukowana przez czynnik stymulujący
(Ag, interakcje pomiędzy komórkami układu
odpornościowego)
krótki okres półtrwania
działanie antygenowo-nieswoiste............i nie tylko
wywierają efekt biologiczny po związaniu ze specyficznymi
receptorami w błonie komórek docelowych
indukują kaskadę cytokin
zmieniają ekspresję genów w komórkach docelowych
wpływają na ich rozwój i funkcje
wykazują aktywność plejotropową, synergistyczną,
antagonistyczną i redundancję
Sieć
cytokinowa
J. Kuby,
Immunology
Indukcja syntezy cytokin i sposoby działania na
komórki docelowe
J. Kuby, Immunology
Przykłady
aktywności
biologicznej
cytokin
J. Kuby, Immunology
Cytokiny w hematopoezie
R.A.GOLDSBY,T.J.KINDT,B.A.OSBORNE,J.KUBY ,,Immunology”2003
Cytokiny w odporności wrodzonej i nabytej
A.K.ABBAS,A.H.LICHTMAN ,,Cellular and Molecular Immunology”2003
Skutki aktywacji limfocytów Th
patogen
Th1
TLR
APC
Th
Th2
IFN-γγ Odpowiedź
IL-2
komórkowa
TNF-β
β
IL-4
IL-5
IL-10
IL-13
IL-10
Treg
TGFβ
β
Odpowiedź
humoralna
Supresja
Regulacja róŜnicowania limfocytów Th przez
cytokiny
Cytokiny prozapalne w
uogólnionym
ostrym stanie
zapalnym
J. Kuby, Immunology
Zaburzenia w ekspresji podjednostek receptorów
dla cytokin
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Regulacja odpowiedzi immunologicznej
przez hormony
Neuroendokrynna
regulacja
odpowiedzi
immunologicznej
R.E Brown, Neuroendocrinology
Hormony regulują syntezę cytokin
Cytokiny regulują syntezę hormonów przysadki
R.E. Brown, Neuroendocrinology
Produkcja hormonów przez komórki
układu odpornościowego
komórki produkujące
Produkowane hormony i
neuroprzekaźniki
limfocyty T
ACTH, endorfiny, TSH, GH,
PRL, IGF-1
limfocyty B
ACTH, endorfiny, GH, IGF-1
makrofagi
ACTH, endorfiny, GH, SP, IGF1, ANP
splenocyty
CRH, gonadotropina
tymocyty
CRH, GnRH, AVP, OT
granulocyty i komórki tuczne
VIP, SOM
Stres i odpowiedź immunologiczna
Z definicji stresu:”...czynnik fizyczny, chemiczny lub emocjonalny....
....czynnik zaburzający homeostazę organizmu....stres nie zawsze jest
negatywny”
Konsekwencje stresu:
• zwiększa się stęŜenie katecholamin i sterydów nadnerczy na obwodzie
• zmniejsza się liczba limfocytów w krwi obwodowej
• upośledzenie funkcji róŜnych komórek układu odpornościowego
• zmniejsza się produkcja przeciwciał
• zmniejsza się proliferacja limfocytów
Cykl dobowy PBL: najwięcej ok. północy i najmniej ok. 800 rano
StęŜenie glukokortykoidów w tym cyklu dobowym jest przeciwstawne: rano
duŜe, w nocy maleje
Aktywacja osi HPA (synteza CRH, ACTH i glukokortykoidów) podczas
stresu zaleŜy od produkcji IL-1, IL-6, TNF-a
prostaglandyny
podwzgórze
ACTH (via przysadka)
Oś HPA w
regulacji
odpowiedzi
układu
odpornościowego
kora nadnerczy
IL-1, TNF-α
α, IL-6
glukokortykoidy
Białka
ostrej
fazy
IL-1, TNF-α
α, IL-6
stan zapalny
wątroba
IL-6, TNF-α
α
szpik kostny
Stresujące loty kosmiczne
• zahamowanie aktywności komórek NK
• zwiększona zapadalność na infekcje
• zahamowanie produkcji IFN-γγ
Stres wspomaga rozwój alergii i wzmaga
objawy kliniczne chorób
autoimmunizacyjnych
Th2
Th1
Stres ostry i chroniczny wywierają przeciwstawne efekty
Stres ostry
(minuty, godziny)
Odpowiedź immunologiczna
• proliferacja limf. T
• odpowiedź komórkowa
• produkcja Ab T-zaleŜna i
T-niezaleŜna
Stres chroniczny
(godziny, dni, tygodnie,
miesiące)
•odpowiedź komórkowa
• proliferacja limf. T
• produkcja Ab T-zaleŜna
• produkcja cytokin
Czy układ odpornościowy moŜna zdenerwować?
Stymulacja
antygenowa
Stymulacja
neuropeptydami
Th1
IFN-γγ
IL-2
Th1
Th2
IL-4
IL-10
Th2
IFN-γγ
IL-2
IL-4
IL-10
IL-4
IL-10
IFN-γγ
IL-2
Regulacja odpowiedzi immunologicznej
przez geny MHC
Geny MHC kontrolują odpowiedź immunologiczną
A.K.ABBAS,A.H.LICHTMAN ,,Cellular and Molecular Immunology”2003
Homeostaza w układzie odpornościowym
Homeostaza w układzie odpornościowym
• Homeostaza, według powszechnej definicji, jest procesem
samo-regulującym, którego zadaniem jest utrzymanie
stabilności układu/organizmu i doprowadzenie do warunków
optymalnych dla zapewnienia przeŜycia.
• Homeostaza układu odpornościowego jest stanem
równowagi utrzymywanym niezaleŜnie od działania antygenu
oraz w warunkach zaleŜnych od antygenu. Szereg
mechanizmów regulacyjnych odpowiada za zakończenie
odpowiedzi immunologicznej na antygen oraz za stan
tolerancji na własne antygeny i wreszcie za utrzymanie stanu
podstawowej reaktywności układu odpornościowego w
warunkach oczekiwania na atak patogenów.
Homeostaza w układzie odpornościowym
SCIENCE.Vol.280.1998
Mechanizmy aktywnego zakończenia odpowiedzi immunologicznej
anergia
Neg.
regulacja
delecja
Supresja
(TGF-β
β,
IL-10)
SCIENCE.Vol.280.1998
Homeostaza w układzie odpornościowym
liczba limfocytów u ssaków podlega kontroli (zmiany tej
wartości słuŜą do monitorowania wielu chorób)
liczba limfocytów T w narządach limfatycznych jest stała
(w warunkach normalnych wykazuje niewielkie wahania) i
zaleŜy od gatunku/szczepu, wieku, płci
liczba komórek powraca do stanu podstawowego po
jakiejkolwiek ingerencji (subletalne napromieniowanie,
infekcje, ekspozycja na czynniki środowiska)
dojrzałe limfocyty T potrafią rozpoznawać niedobór we
własnej populacji i aby go zrównowaŜyć, proliferują
indeks CD4:CD8 jest charakterystyczny dla kaŜdego
szczepu myszy, a takŜe dla ludzi
Utrzymywanie stałej liczby limfocytów
1.
2.
3.
4.
Podział populacji na pule zajmujące odrębne nisze (ze
względu na działanie mechanizmów homeostatycznych):
limfocyty naiwne vs limfocyty pamięci/aktywowane, limf.
CD4+ vs limf. CD8+, limf. B vs limf. T
Przed „spotkaniem” antygenu limfocyty naiwne proliferują,
podobnie limfocyty pamięci przechodzą okresowe podziały.
W środowisku limfopenicznym uruchamiany jest proces HDP
(homeostasis driven proliferation) – zatem istnieją
mechanizmy odpowiedzialne za „wyczuwanie” („sensing”) i
„liczenie” („counting”) limfocytów.
Rola HDP u dorosłego osobnika – gdy grasica nie dostarcza
wystarczającej liczby migrantów na obwód, po chemioterapii,
napromieniowaniach, infekcjach, zawsze wtedy, gdy grasica
nie moŜe w pełni zrekompensować utraty limfocytów
Czynniki odpowiedzialne za utrzymanie
homeostazy
mechanizmy wyczuwania przestrzeni
cytokiny w tym przede wszystkim IL-7 i IL-15
interakcje TCR – MHC / peptyd
interakcje z układem neuroendokrynnym
apoptoza
Limfocyty T rozpoznają obecność lub brak
innych limfocytów T będących w ich otoczeniu
Immunology 2004 111 241-247
Mechanizmy „wyczuwania” przestrzeni
System zliczania aktualnej całkowitej liczby
limfocytów T
Wyczuwanie fizycznej przestrzeni w obwodowych
narządach limfatycznych
Stosunek limfocytów T względem czynników
indukujących HDP; mechanizm ten zakłada
konkurencję limfocytów o ograniczone „zasoby”:
APC
IL-7 (IL-15 dla komórek pamięci)
Rola IL-7 w limfopoezie
Rola IL-7 w utrzymaniu homeostazy
TGF-β reguluje produkcję IL-7 przez
komórki stromalne
Tymektomia sprzyja oligoklonalnej ekspansji limfocytówT
(Stockinger
B., Barthlott T., Kassiotis G. Immunology 111 (2004 ) 241-247)
Limfocyty w róŜnym stopniu „potrzebują” IL-15
Cytokine&Growth Factor Reviews 13 (2002)
Interakcje TCR – MHC / peptyd
• interakcje TCR – MHC / peptyd są wymagane podczas
rozwoju tymocytów
• przeŜycie i homeostatyczna proliferacja naiwnych
limfocytów wymaga obecności kompleksu MHC/własny
peptyd
• zdolność naiwnych limfocytów T do odpowiedzi na obcy
antygen jest zaleŜna od czasu upływającego od stymulacji
MHC/własny peptyd
• do przeŜycia i proliferacji utrzymującej populację
limfocytów pamięci a takŜe do jej homeostatycznej
proliferacji nie jest konieczny sygnał generowany z udziałem
TCR
Skutki stałej interakcji limfocytów T z kompleksem
MHC/własny peptyd
(Hogquist
K.A., Starr T.K., Jameson S.C. Current Biology 13 (2003) R239-R241)
• Stałe oddziaływania z
kompleksem MHC/własny
peptyd powodują
uwraŜliwienie TCR, co
wprowadza limfocyty T w
stan gotowości do
natychmiastowej odpowiedzi
na obcy antygen
• Limfocyty T pozbawione
kontaktu z własnymi
antygenami mają obniŜony
poziom fosforylacji TCRζ, na
ich powierzchni zachodzi
redystrybucja TCR,
wymagają wyŜszych dawek
obcego antygenu do
wydajnej proliferacji
• Stałe oddziaływania z
kompleksem MHC/własny
peptyd powodują
desensytyzację TCR,
chroniącą przed
autoimmunizacją.
• Limfocyty T pozbawione
kontaktu z własnymi
antygenami wykazują
wzmoŜoną odpowiedź na
antygen
Zdolność naiwnych limfocytów T do odpowiedzi na obcy
antygen jest zaleŜna od czasu upływającego od stymulacji
MHC/własny peptyd
Stymulacja własnymi antygenami wzmacnia zdolność
limfocytów T do rozróŜniania antygenów obcych od własnych
•
•
Stymulacja własnymi antygenami podwyŜsza próg reaktywności na antygeny
własne (hamowana odpowiedź) (low affinity ligands)
Jednocześnie pojawia się zwiększona reaktywność na obce antygeny (high
affinity ligands)
APOPTOZA
• utrzymanie stałej puli limfocytów
• ustalenie odpowiedniego repertuaru limfocytów
Mechanizmy
apoptozy
aktywowanych i
naiwnych
limfocytów
Roitt, Brostoff, Male ,,Immunology”
Dziękuję za uwagę
Homeostaza w układzie odpornościowym
myszy eksponowanych na ksenobiotyki
pochodzące ze środowiska
Cząstki występujące w środowisku naturalnym
Carbonaceous particles: DEP
(diesel exhaust particles),
CBP (carbon black particles) are
present mainly in the ultrafine
(<0.1µm) and fine fractions (0.1-2.5
µm) of particulate matter
DEP
CBP
SIP
Silica particles (SIP) are
present mainly in the coarse
fraction (2.5-10 µm) of
particulate matter
CBP
DEP
Th2
SIP
Th1
DEP – IgG1, IgE, IL-4, IL-5, IL-10, GM-CSF
SIP – IgG2a, IFN-γ
CBP – IgG1, IgE, IgG2a, IL-2, IL-4, IFN-γ
Particulate matter : affects the induction of the
immune response, exacerbates allergy.......
affects the homeostasis of the peripheral T cell
pool at the stage of thymocyte development
Cząstki
występujące w
środowisku
mogą zmieniać
przebieg
odpowiedzi
odpornościowej
Zmiany proporcji między głównymi populacjami
komórek w grasicy pod wpływem ksenobiotyków
90
% of positive cells
80
70
60
Ctrl
ASM 72h
ASM 7d
50
40
30
20
10
0
CD4+CD8+
CD4+
CD8+
Niedojrzałe tymocyty
TCRβ
β low TCRβ
β high
Dojrzałe tymocyty
Drela N. et al.,Immunology, 2005
Hipoteza
Homeostaza limfocytów T przywracana jest w wyniku:
1) WzmoŜonej migracji komórek progenitorowych
limfocytów T ze szpiku do grasicy
2) Przyspieszonego dojrzewania tymocytów
Komórki
progenitorowe
ze szpiku c-Kit+
Tymocyty
podwójnie-negatywne
CD4-CD8-
Schemat rozwoju
limfocytów T
w grasicy
tymocyty αβ
Selekcja negatywna
CD4+CD8+
CD28high
TCRαβlow
CD3low
CD4+CD8+
CD28low
TCRαβhigh
CD3high
Selekcja pozytywna
Tymocyty
pojedynczo-pozytywne
CD4+CD8CD28+TCRαβ+
CD25-
Limfocyty T
CD4+
Tymocyty
podwójnie-pozytywne
CD8+CD4CD28+TCRαβ+
CD25-
Limfocyty T
CD8+
CD4+CD8CD28+TCRαβ+
CD25+
Naturalne regulatorowe
limfocyty T CD4+CD25+
Drela N. APMIS, 2006
ASM
Ctrl
21.37%
43.35%
Zmiany w odsetku
komórek limfoidalnych
w szpiku kostnym
ASM
Ctrl
CD127
Drela N. et al.,Immunology, 2005
Zmiany w odsetku komórek progenitorowych
limfocytów T w szpiku kostnym
ASM
Thy 1.2
Ctrl
3.75%
8.52%
B220
Drela N. et al.,Immunology, 2005
Zmiany w liczbie komórek progenitorowych c-Kit+
i tymocytów Thy 1.2+ w grasicy
ASM
Ctrl
Thy 1.2
Ctrl
ASM
C-Kit
c-Kit
Drela N. et al.,Immunology, 2005
Zmiany w odsetku komórek CD3-CD4-CD8- w grasicy
ASM
CD4CD8
Ctrl
LL= 0.38%
LL= 2.22% *
CD3
Drela N. et al.,Immunology, 2005
Zmiany w proporcji między tymocytami TCRβ
βlow i TCRβ
βhigh
TCRβ
βhigh
23.62%
Ctrl
M2
M1
49.43%
CD4+CD8+CD3low
TCRβ
βlowCD28high
CD4+CD8+CD3high
TCRβ
βhigh
TCRβ
βhighCD28low
ASM
M2
M1
TCRβ
β
Drela N., Żeśko I. Immunopharmacol.Immunotoxicol. 2003
Zmiany w proporcji między tymocytami CD3low i
CD3high
CD3high
CD4+CD8+CD3low
21.81%
M1
Ctrl
M2
51.44%
CD4+CD8+CD3high
CD3high
ASM
M1
TCRβlowCD28high
TCRβhighCD28low
M2
CD3
Drela N., Żeśko I. Immunopharmacol.Immunotoxicol. 2003
Zmiany w proporcji między tymocytami CD28low i CD28high
CD28low
17.43%
Ctrl
M2
M1
CD4+CD8+CD3low
TCRβlowCD28high
CD28low
CD4+CD8+CD3high
40.30%
ASM
M2
TCRβhighCD28low
M1
CD28
Drela N. et al. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2006
Aktywność proliferacyjna limfocytów T z węzła chłonnego
20
18
Ctrl
ASM
14
CD25
dpm x 104
16
12
10
4.32%
5.82%
8
6
CD4
4
2
CD4
0
Ctrl
CD28+CD3
ASM
Drela N. et al. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2006, przyjęta do druku
Podsumowanie
W warunkach ekspozycji na ksenobiotyki homeostaza
limfocytów T utrzymywana w wyniku:
1) indukcji migracji komórek progenitorowych
limfocytów T ze szpiku do grasicy
2) przyspieszenia dojrzewania tymocytów
kompensuje ubytek limfocytów T w obwodowych
narządach limfatycznych.
W tych samych warunkach zwiększona liczba
naturalnych limfocytów regulatorowych zapobiega
nadmiernej proliferacji limfocytów T.
Czy zdolność do utrzymania homeostazy
limfocytów T jest zaleŜna od płci?
RóŜnice w odsetku tymocytów CD3low/high
w zaleŜności od płci
samice
samce
28.70%
23.01%
Ctrl
M1
M1
M2
M2
50.47%
ASM
M1
37.65%
M1
M2
M2
CD3
Drela N., Żeśko I. Immunopharmacol.Immunotoxicol. 2003
RóŜnice w odsetku tymocytów TCRβ
βlow/high
w zaleŜności od płci
samice
samce
21.73%
27.84%
Ctrl
M1
M2
M1
47.57%
ASM
M1
M2
M2
34.47%
M1
M2
TCRβ
β
Drela N., Żeśko I. Immunopharmacol.Immunotoxicol. 2003
Zmiany stęŜenia hormonów steroidowych w surowicy
Estradiol
Testosteron
2.5
1400
2
1000
ng/ml
pg/ml
1200
1.5
800
600
1
400
0.5
200
0
0
Ctrl
ASM
Ctrl
ASM
ng/ml
Kortykosteron
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
samice
samce
Ctrl
ASM
Drela N., Żeśko I. Immunopharmacol.Immunotoxicol. 2003,25:101
Podsumowanie
Skutki działania ksenobiotyków są bardziej widoczne w
układzie odpornościowym samic i towarzyszy im
zmniejszenie stęŜenia hormonów płciowych w
surowicy.
Dziękuję za uwagę