Infekční onemocnění Lukáš Kubala kubalal@ibp.cz Figure 10-1 Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Vstup patogenu do organismu Odstranění patogenu Trvání infekce Počet mikroorganismů Prahová koncentrace mikrobů potřebná k indukci adaptivní imunitní odpovědi Rozvoj a rozpoznání infekce Indukce adaptivní odpovědi Adaptivní imunitní odpověď Paměť Průběh typické akutní infekce Časový průběh infekce u normálních a imunodeficientních jedinců Figure 10-6 Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Trvání infekce Početmikroorganismů Defekt vrozené imunity Absence T a B lymfocytů Zdravý jedinec Průnik patogenu a imunitní odpověď Adherence na epitel Penetrace epitelem Lokální infekce tkáně Proliferace a zrání lymfocytů Adaptivní imunita • mechanická bariéra • lokální chemické faktory • makrofágy • normální flóra komenzálních mikroorganismů • aktivace faktorů srážení krve • antimikrobiální proteiny a peptidy • fagocyty • komplement • γ:δ T lymfocyty • NK buňky Obrana proti infekci • zvýšená aktivace makrofágů • produkce cytokinů (IL-1, IL-6, TNF-α, IFN-α, IFN-β) • migrace dendritických buněk do lymfatických uzlin • antigeny patogenů zachyceny a prezentovány v lymfatických tkáních • iniciace adaptivní imunitní odpovědi • specifické protilátky • Tc a Th lymfocyty • aktivované makrofágy • žírné buňky * Hlavně kůže nebo mukózní povrchy dýchacího, gastrointestinálního a urogenitálního traktu. * Fig 10.2 © 2001 Garland science Hlavní obranné strategie podle lokalizace patogenu Extracelulární Intracelulární Mezibuněčné prostory, krev, lymfa Epiteliální povrchy Cytoplasma Intracelulární vakuoly • protilátky • komplement • fagocytóza Obranný mechanismus • IgA protilátky • antimikrobiální peptidy • Tc lymfocyty • NK buňky • zvýšení aktivity makrofágů závislé na T lymfocytech a NK buňkách Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Lokalizace patogenu Patogenita mikroorganismu Patogeny = mikroorganismy vyvolávající onemocnění Cíl patogenů – rozmnožení v hostitelském organismu a další šíření Úspěšnost patogenů – dána jejich virulencí Virulence patogenu určena: • schopností patogenu poškodit organismus hostitele • schopností patogenu nevyvolat imunitní reakci • obranou patogenu před případnou imunitní odpovědí Virulence patogenů je dána také „kondicí“ imunitního systému hostitele. U oslabeného organismu mohou i komenzální bakterie s nízkou virulencí vyvolat vážné oportunní infekce. Přímé mechanismy poškození tkáně hostitele Přímé mechanismy Produkce exotoxinu Produkce endotoxinu Cytopatické působení Patogenní mechanismus Patogenní organismus Onemocnění Staphylococcus aureus Vibrio cholerae Escherichia coli Salmonella typhi Poxvirus variola Myxovirus influenzae Toxický šokový syndrom Cholera Sepse Břišní tyfus Neštovice Chřipka Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Nepřímé mechanismy poškození tkáně hostitele Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Nepřímé mechanismy Imunní komplexy Protilátky proti hostiteli Cytotoxické lymfocyty Patogenní mechanismus Patogenní organismus Onemocnění Malárie Většina akutních infekcí Streptococcus pyogenes Mycoplasma pneumoniae Mycobacterium tuberculosis Herpes simplex virus Ledvinová onemocnění Revmatoidní horečka Hemolytická anémie Tuberkulóza Herpesová keratitida Ochrana mukózních povrchů – sekreční IgA Syntéza IgA plasmatickými buňkami v lamina propria. Transport IgA do lumenu střeva epiteliálními buňkami ležícími na bázi krypt. Vazba polymerní IgA na mukózní vrstvu a tvorba obranné bariéry. Neutralizace patogenů a jejich toxinů pomocí IgA. Fig 10.20 © 2001 Garland science Iniciace imunitní odpovědi na bakteriální infekci Aktivace tkáňových makrofágů interakce mikrobiálních komponent s receptorem pro obecné antigeny bakterií, např. interakce LPS s Toll-like receptory (TLRs) Rolování, adheze a průnik neutrofilů a monocytů do infikované tkáně Zvýšená exprese P- a E-selektinů a VCAM, zvýšená produkce oxidu dusnatého, zvýšení permeability cév Cytokiny a chemokiny indukují aktivaci endotelu přilehlých krevních kapilár Sekrece cytokinů a chemokinů např. TNF-α a IL-6 aktivovanými makrofágy Iniciace adaptivní imunitní odpovědi na bakteriální infekci Aktivace dendritických buněk (přítomných ve většině tkání) prostřednictvím receptorů pro obecné antigeny patogenů (CD14 a TLR). Aferentní lymfatickou cévou antigen prezentující buňky přenáší antigen do nejbližšího periferního lymfoidního orgánu, kde iniciují adaptivní imunitní odpověď. Aktivované dendritické buňky zvyšují syntézu molekul MHC II – umožní prezentovat zpracovaný antigen. Video Průběh bakteriální infekce a aktivace komplementu Adheze bakterií, kolonizace Průnik bakterií do tkání Produkce toxinů Poškození buněk indukované toxiny a jejich lyzeProtilátky vážící bakterie a toxiny Aktivace komplementu Migrace PMN do místa zánětu Vznik anafylatoxinů (fragmenty C3a, C4a, C5a) Migrace MØ do místa zánětu Aktivace komplementu Zvýšení permeability cév Vznik anafylatoxinů (fragmenty C3a, C4a, C5a) Zvýšení permeability cév Mechanismus protilátkami zprostředkované odpovědi na extracelulární bakteriální infekci Gram-negativní bakterie Gram-pozitivní bakterie Specifické Ab – opsonizace Neutrofilní granulocyt Složky komplementu Klasická cesta aktivace – formace MAC Proteázy, lipázy, nukleázy Kyslíkové radikályMakrofág Proteázy, lipázy, nukleázy Kyslíkové radikály Specifické Ab – opsonizace NK buňky Proteázy, lipázy, nukleázy Cytokiny Makrofág Kyslíkové radikály Infikovaná hostitelská buňka CD4+ lymfocyt (Th1) MHCII MHCI CD8+ lymfocyt Bakteriální Ag Mechanismus buňkami (lymfocyty) zprostředkované odpovědi na intracelulární bakteriální infekci Imunitní odpověď makrofágů na intracelulární infekci bakteriemi (např. Mykobakterie) Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Mykobakterie interaguje s TLR-2 a infikuje makrofág. Vazba na TLR-2 aktivuje makrofág k produkci NO a sekreci IL-12. Makrofág předkládá Ag mykobakterie T lymfocytům, které v přítomnosti IL-12 produkují INF-γ a stimulují makrofág. INF-γ přiláká další makrofágy, které vytvářející granulom; stimulace likvidace intracelulárních bakterií a sebezničení makrofágů. Funkce γ:δ T lymfocytů při intracelulární infekce epiteliálních buněk střeva bakteriemi Bakterie infikuje epiteliální buňku. Intracelulární infekce indukuje syntézu stresových proteinů. γ:δ T lymfocyty rozeznávají infikované buňky exprimující tyto proteiny. γ:δ T lymfocyty indukují buněčnou smrt a odstranění infikované buňky. Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) γ:δ T lymfocyty Vybrané mechanismy, kterými se bakterie vyhýbají imunitní odpovědi • Změna antigenních struktur > jeden patogen má více antigenních typů (serotypů) • Rezistence k likvidačním mechanismům komplementu • Rezistence k likvidaci fagocyty • Produkce proteinů vážících Fc fragmenty protilátek > např. A a G proteiny • Intracelulární přežívání, produkce toxinů, … Existence různých antigenních variant baktérie Streptococcus pneumoniae – existují v mnoha serotypech lišících se kapsulárními polysacharidy Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Primární infekce jedním serotypem S. pneumoniae. Indukce specifické odpovědi a paměťových buněk. Infekce jiným serotypem => odpověď paměťových buněk nefunkční. Indukce nové specifické odpovědi a paměťových buněk. Mechanismy úniku bakterií před likvidací komplementem A) Polysacharidová kapsule → ochrana před vazbou opsonizujících složek na stěnu bakterie B) Rozsáhlé povrchové struktury zabraňují vazbě mezi C3b opsonizující povrch bakterie s receptory na fagocytech → inhibice fagocytózy bakterie C) Exprese proteinů inaktivujících funkce lytického C5b67 komplexu (MAC) → ochrana bakterií před lyzí komplementem D) Exprese enzymů (např. elastázy) inhibujících nebo rozkládajících aktivované složky komplementu → inhibice komplementové kaskády E) Povrch bakterií je rezistentní k vazbě lytického C5b67 komplexu (MAC) Mechanismy úniku bakterií před likvidací fagocyty • Polysacharidová kapsule může znemožňovat fagocytózu bakterie • Inhibice opsonizace bakterie a adherence na fagocyt • Únik bakterie z fagozómu do cytoplasmy • Inhibice spojení fagozómu s lysozómy • Tvorba vlastní vakuoly v cytoplasmě • Rezistence k antimikrobiálním mechanismům fagolysozómu – inhibice proteáz a nukleáz, produkce antioxidačních látek, inhibice acidifikace fagolysozómu Virové infekce Viry jsou vnitrobuněční parazité s různou strukturou a replikační strategií. Některé viry způsobí akutní infekce a po jejich úspěšném zvládnutí jsou z organismu odstraněny. Některé viry po zvládnutí akutní infekce trvale v organismu perzistují. DNA viry Herpesviry (herpes simplex) Poxviry (neštovice) Hepadnaviry (hepatitida B) RNA viry Orthomyxoviry (chřipka) Paramyxoviry (příušnice, spalničky) Koronaviry (SARS) Togaviry (zarděnky) Rhabdoviry (vzteklina) Retroviry (HIV) Virová infekce buňky Uvolnění RNA Penetrace viru Adheze viru Fúze virové obálky s endozómy Transkripce do +RNA, translace virových proteinů Uvolnění viru do okolí G protein Syntéza kopií virového genomu Inkorporace virové RNA do nukleokapsidu Spojení nukleokapsidu s membránou hostitelské buňky Infikovaná hostitelská buňka Příklad: infekce RNA viry Virová infekce příklad: SARS-CoV-2 (těžký akutní respirační syndrom – koronovirus – 2) ssRNA virus Infekce buněk retroviry Příklad: virus lidské imunodeficience (HIV) Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Vazba HIV na CD4 a další receptory T lymfocytů. Fúze viru s buněčnou membránou umožňuje virové RNA vstoupit do hostitelské buňky. Reverzní transkriptáza přepisuje virovou RNA. Virová cDNA vstupuje do jádra a integruje se do hostitelské DNA. Antivirové mechanismy imunitního systému Vrozená imunita Účinná proti časným stádiím infekce. Brzdí rozšíření virů likvidací napadených buněk. Interferon α a β • produkovány infikovanými buňkami • inhibují replikaci virů a indukují antivirový stavu v neinfikovaných buňkách NK buňky • likvidují infikované buňky Mechanisms of action of interferon (Lewis et al., 2011) Infected cell Uninfected cell Antivirové mechanismy imunitního systému Cytotoxické T lymfocyty (Tc; CD4-CD8+) • rozpoznávají a ničí buňky infikované virem Pomocné T lymfocyty (Th; CD4+CD8-) • zejména Th2 lymfocyty, které stimulují tvorbu protilátek a aktivaci Tc lymfocytů Protilátky • představují nejúčinnější ochranu proti šíření virové infekce • rozpoznávají zejména glykoproteiny na povrchu virionů • mají klíčovou roli v opakovaných infekcích Specifická imunita Cytotoxické T lymfocyty (CD8+ T lymfocyty, Tc lymfocyty) Proliferace/diferenciace T lymfocytů Usmrcení infikovaných buněk cytotoxickými T lymfocyty Figure 8-22 Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Stimulace naivních T lymfocytů Video Antivirové mechanismy zprostředkované protilátkami Volný virus Samotná protilátka Zablokování vazby na buňku Zablokování vstupu do buňky Protilátka + komplement Poškození kapsidu Zablokování virového receptoru Virem infikovaná buňka Protilátka + komplement Lyze infikované buňky Protilátka vázaná na infikovanou buňku Opsonizace viru nebo infikované buňky pro fagocytózu nebo rozpoznání lymfocyty NK buňky Na protilátkách závislá NK buňkami zprostředkovaná cytotoxicita (ADCC) Makrofágy, neutrofily Fagocytóza infikované buňky Target cell NK cell Infected cell Mechanismy, kterými se viry snaží překonat imunitní systém • Antigenní variabilitou > antigenní posun a antigenní změna • Rezistencí k likvidačním mechanismům hostitele > modifikace (rozvrácení) imunitního systému hostitele a indukce imunosuprese • Přetrváváním v latentní formě po uplynutí akutní imunitní reakce Antigenní posun a změna Příklad: změny struktury povrchového hemaglutininu viru chřipky Mutace mění strukturu hemaglutininu a Ab z první odpovědi nejsou účinné. Po první infekci vznikají Ab neutralizující virus. RNA segmenty se zamění mezi různými viry v sekundárním hostiteli. Ab vzniklé během první infekce jsou neúčinné proti novému hemaglutininu. Antigenní posun (drift) Antigenní změna (shift) Video Modifikace (rozvrácení) imunitního systému hostitele Virová strategie Specifický mechanismus Výsledek Inhibice humorální imunity Viry kódované Fc receptory Blokují efektorovou funkci protilátek vázajících se na infikované buňky Viry kódované komplementové receptory nebo komplementem kontrolované proteiny Blokují efektorovou funkci komplementu nebo inhibují aktivaci buněk indukovanou komplementem Inhibice zánětlivé odpovědi Viry kódované solubilní receptory cytokinů Váží cytokiny a inhibují mezibuněčnou komunikaci Virová inhibice povrchové exprese adhesivních molekul Blokují adhezi buněk na infikované buňky a migraci buněk Virová inhibice aktivace NF-κB Blokují zánětlivou odpověď buněk Blokování zpracování antigenu a jeho prezentace Inhibice MHC I Zabraňuje rozpoznání infikovaných buněk cytotoxickými lymfocyty Inhibice transportu peptidů na povrch buněk Blokuje prezentaci antigenu na MHC I Systémová imunosuprese hostitele Virem kódovaný homolog IL-10 Inhibuje funkci vybraných populací lymfocytů, redukuje produkci IFN-γ Video Přežívání virové infekce v klidové formě Infekce epiteliálních buněk syntetizujících a exprimujících virový protein, rozšíření do senzorických neuronů. Persistující virus přežívá v klidovém stádiu v senzorických neuronech. Reaktivace do akutní formy při oslabení organismu. Neurony mají jen velmi omezenou expresi MHC I a virové proteiny nejsou téměř syntetizovány. Příklad: Herpetické viry (virus herpes simplex) Akutní forma Latentní forma Primární infekce Opakováníinfekce Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Latentní fáze Obrana proti protozoálním parazitům - podobné mechanismy jako u bakterií. Extracelulární paraziti (Entamoeba histolytica, Giardia lamblia) • klíčová funkce protilátek Intracelulární paraziti (Plasmodium, Trypanosoma) • klíčová funkce Th1 lymfocytů a zvýšená aktivace makrofágů Příklad obrany trypanosomy proti eliminaci imunitním systémem – alternace exprese genů povrchových antigenů Mnoho kopií genu VSG kódujícího povrchové struktury (a, b, …) a pouze jedno místo pro expresi. Konverze genů umožňuje kopírovat různé geny do místa exprese. Ke konverzi genu VSG dochází v pravidelných cyklech → pravidelné změny antigenních vlastností Trypanosomy. Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005) Početparazitů Infekce Čas (týdny) Hladinyprotilátek Obrana proti mnohobuněčným parazitům Charakteristická produkcí IgE – klíčová role pro rozvoj imunitní reakce zprostředkovaná žírnými buňkami a eozinofily. Zánětlivé mediátory stimulují chemotaxi dalších eosinofilů do místa infekce a zvyšují jejich aktivitu – uvolňují obsah granulí na povrch parazita. Žírné buňky a eozinofily po kontaktu s parazitem masivně produkují IL-4. IL-4 stimuluje Th2 lymfocyty a ty specifickou produkci IgE B lymfocyty. Indukce IgE dependentní degranulace a uvolnění mikrobicidních látek a zánětlivých mediátorů z granulí (mechanismy závislé na O2 i nezávislé na O2, např. major basic protein – MBP). IgE umožňují vazbu na povrch žírných buněk a eozinofilů.