Uební texty 3. LF UK OBRANA PROTI BAKTERIÍM pehled základních údaj Zdroje a doporuená literatura: Hoejší V., Bartková J.: Základy imunologie, 2. vydání, Triton 2002, str.158 Roitt I., Brostoff J., Male D.: Immunology, 6 th edition, Mosby 2001, 15. kapitola, str. 245-258 Kaufmann S. H., Sher A., Ahmed R.: Immunology of Infectious Diseases, ASM Press 2002, kapitoly 1 (str. 5-23), 7 (str. 93-103), 15 (str. 207 221) 1. ÚVOD Zpsob obrany organismu proti rzným druh bakterií lze odvodit ze struktury daného mikroorganismu. Struktura bunné stny bakterií má vliv na odpov imunitního systému. 4 hlavní typy bunné stny: Gram-pozitivní bakterie silná peptidoglykanová stna s teichoovou kyselinou, ± kapsula, ± fimbrie nebo biík Gram-negativní bakterie tenká peptidoglykanová stna, s vnjší membránou asociované lipopolysacharidy (LPS) = endotoxin a lipoproteiny, ± kapsula, ± fimbrie nebo biík Mykobakterie peptidoglykanová stna tsn asociována s proteiny, arabinogalaktanem, lipoarabino-mananem, glykolipidy a mykolová kyselina, ± kapsula 1
Spirochety tenká peptidoglykanová stna, lipoproteiny, axiální fibrily, vnjší membrána, virulentní kmeny se slizovitou vrstvou na povrchu GRAM-NEGATIVNÍ organismy vnjší lipidová dvouvrstva asto citlivá k obranným mechanismm, které mohou vést k lýzi buky = KOMPLEMENT a CYTOTOXICKÉ BUKY Zabíjení ostatních bakterií obvykle vyžaduje pohlcení procesem FAGOCYTÓZY vnjší povrch bakterie fimbrie nebo biík, nebo mže být pokryta ochrannou kapsulou brání fagocytóze a úinku komplementu, ale slouží jako cíl pro PROTILÁTKOVOU odpov Existují dva extrémní typy patogenicity, resp. virulence: toxicita bez invazivity Corynebacterium diphteriae, Vibrio cholerae invazivita bez toxicity obvykle pechodný stupe mezi tmito dvma extrémy Poškození tkání mže být zpsobeno jak mikroorganismem tak imunitní odpovdí hostitele. 2
2. OBRANA ORGANISMU Imunitní odpov má dv hlavní strategie: nespecifickou (vrozenou odpov) a specifickou (získanou) odpov. Tyto odpovdi neexistují oddlen od sebe, protože poátení vrozená odpov k patogenm mže ovlivnit následnou specifickou odpov. VROZENÁ IMUNITA: MECHANICKÉ BARIÉRY vstupu první linie obrany organismu nespecifický, fylogeneticky starší zpsob rozpoznání konzervovaných bakteriálních struktur FAGOCYTÓZA vtšina bakterií je zabita procesem fagocytózy (vrozená imunita nebo ve spolupráci s adaptivní imunitní odpovdí) KOMPLEMENT nkteré, ve vtšin pípad Gram-negativní bakterie SPECIFICKÁ (ZÍSKANÁ, ADAPTIVNÍ) IMUNITA: PROTILÁTKY BUKAMI ZPROSTEDKOVANÁ ADAPTIVNÍ IMUNITA (proti intracelulárním bakteriím) a) aktivace makrofág prostednictvím TNFα, IFNγ 3
b) zabíjení cytotoxickými T bukami (vtšina Tc bunk se úastní antibakteriální imunity - γ typ) 2.1. VROZENÝ SYSTÉM PRVNÍ LINIÍ OBRANY JSOU ANTIBAKTERIÁLNÍ MECHANISMY, KTERÉ NEJSOU ZÁVISLÉ NA ROZPOZNÁNÍ ANTIGENU 2.1.1. BARIÉRY VSTUPU intaktní neporušená kže neproniknutelná pro vtšinu bakterií mastné kyseliny toxické pro vtšinu bakterií epiteliální povrchy oišované inností asinek v tracheji nebo odcházející moí v urogenitálním systému ph zmny v žaludku a vagín (kyselé prostedí) komensálové ve vagín, epiteliální buky sekretují glykogen, který je metabolizován uritými druhy komensálních bakterií, produkujících kyselinu mlénou Obecn komensálové mohou omezovat prnik patogen produkcí antibakteriálních protein kolicin Komensálové mohou osídlit ekologickou niku soutží o živiny Když je normální flóra porušená nap. vlivem antibiotik, mohou propuknout infekce zpsobené houbami rodu Candida nebo bakteriemi rodu Clostridium difficile zánt steva a prjem 2.1.2 ROZPOZNÁNÍ ZNAK SPOLENÝCH MNOHA BAKTERIÍM LPS a další bakteriální složky spouštjí nespecifickou antibakteriální obranu bez specifického rozpoznání antigenu (LPS se uvoluje z Gram-negativních bakterií a váže se na rozpustný CD14 a na lipoproteinové ástice plazmy) 4
PAMPs PATHOGEN-ASSOCIATED MOLECULAR PATTERNS (s patogeny asociované molekulární znaky), nap. lipopolysacharid a manan. Nejsou unikátní pro patogeny a jsou invariantní u všech mikroorganism urité tídy. PRRs PATTERN RECOGNITION RECEPTORS (receptory rozpoznávající znaky) Mnoho neškodných organism, jako nap. nepatogenní koky, je také odstranno. Rozpoznání bakterií nezávislé na lymfocytech Projevy vrozené imunity k extracelulárním bakteriím: Aktivace komplementu Endotoxiny pímo stimulují uvolování prozántlivých cytokin (IL-1, IL-6, TNFα) vaskulární permeabilita, vasodilatace, extravazace, migrace a aktivace makrofág a neutrofil, horeka, syntéza protein akutní fáze Interakce endotoxin makrofág mediátorová boue (nekontrolované uvolování cytokin, zejména TNFα, IL-1, IL-6) Fagocytóza opsonizace fragmenty komplementu jako výsledek stabilizace C3 konvertázy komponenty bakteriální stny vetn LPS 2.1.2.1.1. AKTIVACE KOMPLEMENTU ALTERNATIVNÍ CESTOU A) MAC (membrány atakující komplex) mže pímo zniit nkteré bakterie s vnjší membránou ásten ty s vnjší lipidovou dvouvrstvou citlivé k lytickému komplexu C5b-9 tj. Gram-negativní bakterie B) ANAFYLATOXINY také se uvolují fragmenty C3a a C5a, což zpsobuje 5
kontrakci hladkého svalstva degranulaci žírných bunk C5a je také chemoatraktantem pro fagocyty a aktivuje je (C3a a C5a se váží na specifické receptory C5aR a C3aR, které patí do jedné nadrodiny receptor spojených s G-proteiny, podobn jako chemokinové receptory symptomy anafylaxe) C) OPSONIZACE C3 ŠTPY OZNA Í BAKTERIE PRO NÁSLEDNOU FAGOCYTÓZU ad B - ANAFYLATOXINY Psobení C5a silný aktivátor všech bunk myeloidní ady (granulocyty a mononukleární fagocyty) psobí na: 1) neutrofily 2) monocyty a makrofágy 3) žírné buky a bazofily B.1) C5a a NEUTROFILY zvýšený pohyb (chemokineze) smrov orientovaný pohyb (chemotaxe) indukce degranulace a aktivace respiraního vzplanutí produkce volných radikál Neutrofilní granula obsahují zásobu adhezivních molekul degranulace vede ke zvýšené expresi adhezivních molekul na povrchu bunk podporují adhezi k endoteliu a migraci neutrofil do tkání B.2) Monocyty a makrofágy projevují podobnou chemotaktickou odezvu jako neutrofily. B.3) C5a a ŽÍRNÉ BUKY a BAZOFILY 6
C5a další dležitá role v zántu: Zpsobuje degranulaci žírných bunk a bazofil uvoluje histamin a další vazoaktivní mediátory nepímý vliv na krevní cévy, vazodilatace arteriol a zvýšená permeabilita kapilár C5a má v séru velmi krátkou životnost rychle inaktivován karboxypeptidázou N (odštpuje N-terminální arginin nižší úinnost než C5a) C5a, který je navázán na receptory na povrchu bunk, je internalizován a rychle proteolyticky rozštpen na neaktivní fragmenty Psobení C3a je mnohem mén aktivní než C5a indukuje slabou agregaci neutrofil aktivuje respiraní vzplanutí zpsobuje degranulaci žírných bunk oproti C5a NENÍ signifikantn chemoatraktantem krom zmínných cest aktivace komplementu, mohou i nkteré další enzymy aktivovat komplement C3, C5 a C4 mezi tyto enzymy se zahrnují sérové proteiny plazmin a kalikrein enzymy z leukocyt elastáza neutrofil bakteriální proteázy (napíklad gingipain-1 z P. gingivalis, který zpsobuje onemocnní dásní) Chemotaxe migrace fagocyt do místa infekce díky aktivaci komplementu pímý chemotaktický úinek produkt bakterií a uvolování chemokin je spouštno bakteriálními PAMPs 7
2.1.2.1.1. PÍMÁ NESPECIFICKÁ STIMULACE PRODUKCE CYTOKIN A CHEMOKIN prostednictvím endotoxin Uvolování cytokin z makrofág Rychlé uvolování TNFα a IL-1 z makrofág systémová aktivace fagocytujících bunk a jejich zvýšená adheze k cévnímu endotelu následné uvolování chemokin MCP-1 (monocyte chemoattractant protein 1) a MIP-1α (macrophage inflammatory protein-1) zvyšuje specifickou pohyblivost populace lymfocyt Uvolování cytokin z NK bunk myší NK buky jsou stimulovány IL-12 nebo TNF mohou uvolnit IFNγ aktivace makrofág = na T-bukách-nezávislá cesta aktivace (pomáhá vysvtlit neoekávanou rezistenci myši se SCID defektem ve vyzrávání lymfocyt, v prbhu infekce Listeria monocytogenes) 2.1.2.1.3. VTŠINA BAKTERIÍ JE ZABÍJENA PROCESEM FAGOCYTÓZY a) nkteré, vtšinou Gram-negativní bakterie jsou pímo zabíjeny komplementem b) nkteré Gram-negativní mohou být zabity NK bukami nebo Tc bukami Kroky fagocytózy interakce s patogenem: A) chemotaxe B) pilnutí fagocytující buky k bakterii C) aktivace pohlcování 8
D) aktivace mikrobicidní aktivity A. CHEMOTAXE fagocyty pitahují: bakteriální komponenty jako f-met-leu-phe fragmenty komplementu nap. C5a lokáln uvolované chemokiny a cytokiny B. NAVÁZÁNÍ FAGOCYTU K ORGANISMU Dležitá interakce, která mže urovat, zda dojde k pohlcování a zda budou spuštny smrtící mechanismy vazba lektiny na organismech nap. manózu vázající lektin na fimbriích E. coli lektiny na fagocytech mají mnohá vazebná místa specifická pro rzné uhlovodíkové skupiny Receptory fagocyt : scavenger receptory (receptory A [SR-A], typ I, typ II, typ B) Scavenger receptory váží negativn nabité molekuly: nízkodenzní lipoproteiny, polynukleotidy, anionické polysacharidy, fosfolipidy. Píklad: MARCO (makrofágový receptor s kolagenní strukturou) váže jak Gram-negativní, tak i Gram-pozitivní bakterie. 9
Je pravdpodobné, že scavengerové receptory pispívají k vazb (fagocyt - mikrorganismus), zatímco koreceptory vytváejí signál pro internalizaci. Toll-like receptory (TLR) TLRs jsou transmembránové proteiny s extracelulárními na leucin bohatými repetitivními sekvencemi, transmembránová cytoplazmatická doména homologická k IL-1 receptoru, všechny TLR signály realizovány prostednictvím NF-B Objeveno devt TLR receptor TLR-2 interakce s gram-pozitivními bakteriemi, kvasinkami a parazitem Trypanosoma cruzi TLR-4 interakce s lipopolysacharidy gram-negativních bakterií TLR-5 váže flagelin TLR-9 nemetylovaná CpG z bakteriální DNA komplementové receptory CR3 komplement se váže na mikroorganismus prostednictvím alternativní (vrozená imunita) nebo klasické cesty (adaptivní imunita). Komplement mže být také fixován lektiny vázajícími manózu pítomnými v séru, které se mohou samy vázat k C1q receptorm (lektinová cesta vrozená imunita). manózový receptor (CD206) na fagocytech je zamen na glykokonjugáty na bakteriálním povrchu rzné integriny váží fibronektin/vitronektin-opsonizované partiule Fc receptory na fagocytech, které se spojují s protilátkami vázanými na povrchu DLEŽITÉ: rozpoznání mikroorganismu mže zahrnovat více než jeden receptor, nap. LPS se váže k CD14 a TLR-4 C. AKTIVACE POHLCOVÁNÍ 10
Vazba mikroorganismu k receptoru na makrofágové membrán nevede vždy k pohlcování (viz. scavengerové receptory) Fc receptory a komplementové receptory nejdležitjší zvyšují nkolik tisíckrát pohlcování mikroorganism s navázanými protilátkami a/nebo C proteiny D. AKTIVACE MIKROBICIDNÍ AKTIVITY Pohlcení nezajišuje spuštní smrtících mechanism Nap. Yersinia pseudotuberculosis indukuje své vlastní pohlcování, ale také uvoluje produkt genu, který moduluje signál pro pohlcování smrcení není spuštno ZPSOBY SMRCENÍ U FAGOCYT A) na kyslíku závislé B) na kyslíku nezávislé A) na kyslíku závislá cesta zahrnuje a) redukci kyslíku na superoxidový aniont (má jeden nepárový elektron) interaguje s velkým potem dalších molekul dává vznik volným radikálm a dalším toxickým derivátm b) tvorbu oxidu dusnatého (NO ) z L-argininu pemuje se na další toxické substance: peroxinitrity výsledek intrakcí NO s produkty cesty redukce kyslíku B) na kyslíku nezávislá cesta mže být dležitjší než se v minulosti soudilo - mnoho organism mže být zabito bukami pacient s chronickou ganulomatózní chorobou, kteí nemohou tvoit reaktivní kyslíkové intermediáty 11
- myeloperoxidázová deficience, není možná produkce kyseliny chlorné a halidových derivát (HXO) nkteré zpsoby smrcení mohou být ovlivnny NO, ale mnoho organism mže být zabito ANAEROBN B.1 KATIONICKÉ PROTEINY S VLASTNOSTMI PODOBNÝMI ANTIBIOTIKM defensiny katelicidin katepsin G azurocidin catepsing and azurocidin aktivita proti gram-negativním bakteriím DEFENSINY Rodina mikrobicidních bazických peptid s konzervovaným 6-cysteinem, 3-disulfidickým motivem. Tvoí pro ionty prchodné kanály v lipidové dvouvrstv a pravdpodobn úinkují brzy po formování fagolysozomu, pedtím než dojde k acidifikaci. Výskyt: cytoplazmantická granula fagocytujících a sekretorických bunk na epiteliálních površích Neutrofily: HNP-1 (human neutrophil peptide 1, lidský peptid neutrofil 1) HNP-2 HNP-3 Jsou dležitými souástmi neutrofilních denzních azurofilních granulí (30-50% granulárních protein) HNP-4 také v neutrofilech, ale ve 100x menším množství Když lidské neutrofily pohltí Salmonella enterica, defensiny jsou nejhojnjšími polypetidy ve fagocytárních vakuolách. 12
HD-5, HD-6 granula Panethových bunk (specializované, dlouho žijící buky na dn krypt tenkého steva), tyto buky jsou stimulovány bakteriemi nebo cholinergními stimuly uvolnní defensin (u myši) Defensiny mohou zabíjet: Staphylococcus aureus Pseudomonas aeruginosa E. coli Cryptococcus neoformans obalený virus Herpes simplex KATELICIDIN (cathelicidin) katelicidiny tvoí skupinu kationických (bazických) peptid. Vyskytují se v neutrofilech. Bylo popsáno, že mohou zabíjet Gram-negativní i Gram-pozitivní bakterie, plísn, parazity a obalené viry. B.1. DALŠÍ MECHANISMY ph lysozym hydrolýza peptidoglykanu je nejúinnjší proti Gram-pozitivním bakteriím laktoferin (produkovaný neutrofily) váže železo snaha o vyhladovní mikroorganism 13
2.2. SPECIFICKÁ IMUNITNÍ ODPOV 2.2.1. B-LYMFOCYTY PROTILÁTKY se podílejí na ANTIGENN SPECIFICKÝCH OBRANNÝCH MECHANISMECH dležitost interakce s protilátkami záleží na mechanismech patogenicity PROTILÁTKY klíová role pi vyrovnání se s BAKTERIÁLNÍMI TOXINY neutralizace difterického toxinu zablokováním vazby vazebné ásti molekuly a její cílové buky blokování lokáln psobících toxin nebo extracelulárních matrix-degradujících enzym, které fungují jako fator umožující šíení mohou interferovat s motilitou mikroorganismu vazbou na biíky IgA na vnjších a mukózních površích zabrauje vazb bakterií na epiteliální buky (nap. IgA k M proteinm skupiny A streptokok dává typov specifickou imunitu k streptokokovým infekcím HCD) nkteré IgA mohou blokovat funkní životní podmínky organismu jako vazbu slouenin obsahujících železo nebo píjem živin nejdležitjší úloha protilátek v imunit proti netoxickým bakteriím nejefektivnjší zasažení komplementu 14
dokonce organismy, které jsou rezistentní k (vrozené) alternativní cest jsou znieny komplementem nebo jsou obaleny C3 produkty pohlcování fagocyty klasická cesta (antigen/protilátka = adaptivní odpov) nejsilnji komplement fixující protilátky u lovka: IgM, IgG1, IgG3 IgG1 a IgG3 mají také vysokou afinitu k Fc receptorm - nkteré patogeny se mohou vyhnout úinku protilátek nap. Neisseria gonorrhoeae 3.2.2. T LYMFOCYTY CYTOKINY PRODUKOVANÉ T LYMFOCYTY cytokiny produkované T helper bukami aktivují makrofágy k zabíjení mikroorganism (Th1 typ neboli prozántlivé cytokiny) a B buky k produkci protilátek (Th2 typ). 12. 12. 2002 15