Introduktion till Immunologi
Adnane Achour
[email protected]
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
Immunocomplexes
Cytokiner som släpps
ut medför lokal skada
Autoreaktivitet Lokal skada +
utsläpp av föroreningar
6
Male Female
Röda blodskroppar
Schistosoma Mansoni Trypanosoma Brucei
(schistosomiasis=
(Sömnsjuka)
bilharzia=snäckfeber) Sprids via flugor (TseTse).
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).
Epidermophyton
Floccosum =
ringorm
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).
Human
Immunodeficiency
Virus (HIV)
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.
Influenza Virus
Vanligaste virus.
En mycket farlig version
Ger upphov till AIDS
uppstår
ungefär varje 20 år.
(Acquired Immune Deficiency
Mycket smittsam svamp som
Går
via
fåglar (kyckling)
Syndrom). Förintar CD4 T celler
lägger sig under huden. Man
och
grisar.
som bör skydda mot infektion.
får typiska allergiska ringar
Uppstår ofta i Hong-Kong
Förödande, patienten dör ofta
på huden.
där arterna samlever nära
av en annan sjukdom som den
inte längre kan försvara sig emot. varandra.
Man tar bort den mha
T.ex. Leishmaniasis parasit
anti-fungal kräm.
i Indien.
7
Candida Albicans
Staphylococcus Aureus
Väldigt vanlig hos människor.
Orsakar mun (spädbarn) och
vaginala irritationer med
flytningar och klåda (torsk).
Mest vanliga bakterier.
Kan bli farliga vid nedsatt
immunförsvar.
Vanligaste orsak till acne.
Smittar bl.a. via samlag.
Utbredd infektion förekommer
när immunförsvaret nedsättes
såsom vid HIV infektion.
Listeria monocytogenes
Förekommer framför allt
i mjölk och ost.
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.
Salmonella
enteritidis
Ger upphov till
Diarrésjukdom. Mycket
vanlig i varmare länder.
Ger upphov till magsjuka.
Fara i samband med
graviditet eftersom den
kan ge hjärnskador
hos fostret.
Mycobacteria
tuberculosis
Streptococcus pyogenes
Scarlet fever = scharlakansfeber.
Halsfluss, ibland följt av
Scharlakansfeber med utslag.
Kan förekomma i de flesta
Livsmedel, främst kött och
ägg.
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
Monocyter/makrofager
Granulocyter
Mastceller
Naturliga mördarceller (NK-celler)
Dendritiska celler
Komplement
Mannos-bindande lektin (MBL)
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
