IMMUNOLOGIAN PERUSTEET Haartman-instituutti

Transkriptio

1 IMMUNOLOGIAN PERUSTEET 2012 Haartman-instituutti Immuunijärjestelmän tarkoituksena on torjua vieraita taudinaiheuttajia. Immuunipuolustus on organisoitu siten, että perifeerisissä kudoksissa toimii joukko luonnolliseen immuniteettiin kuuluvia mekanismeja, kun taas adaptiivisesta immuniteetista vastuussa olevat solut, lymfosyytit, kiertävät lymfaattisissa elimissä, lymfakierrossa ja veressä, menemättä muihin kudoksiin ennen aktivaatiotaan. Tämän pääsäännön rikkovat muistilymfosyytit, etenkin muisti-tsolut, joita löytyy myös perifeerisistä kudoksista (ks. alempana). Patogeenin tunkeutuessa elimistöön se aktivoi hyvin nopeasti komplementtinimisen proteiinikaskadin. Komplementin oikotieaktivaation saavat aikaan vieraat kalvorakenteet, kuten mikrobin pinta, klassisen tien aktivaatio taas vaatii antigeeni-vasta-aine-kompleksin. Keskeinen tapahtuma kummassakin aktivaatiotiessä on C3-tekijän pilkkoutuminen kalvoon kiinnittyväksi C3b- ja kudosnesteeseen jääväksi C3a-osaksi. Tästä eteenpäin kaskadi on aktivaatiotavasta riippumatta yhteinen. Lopulta komplementti puhkaisee kalvoon reiän (membrane attack complex), mikä joissain tapauksissa voi johtaa patogeenin tuhoutumiseen. Huomattavasti suurempi merkitys on sillä, että mikrobin pintaan kiinnittyneet komplementin tekijät helpottavat fagosyyttien tarttumista siihen (opsonisaatio). Infektiopaikalta erittyvät ja kudosnesteeseen leviävät pilkkoutumistuotteet, kuten C3a, toimivat myös voimakkaasti tulehdusta edistävinä aineina. Perifeeristen kudosten tärkein fagosyyttityyppi on makrofagi. Se reagoi mikrobeille ominaisiin, omasta elimistöstä puuttuviin rakenteisiin, esim. monien bakteerien soluseinästä löytyvään lipopolysakkaridiin. Makrofagi fagosytoi mikrobin kalvorakkkulaan, jonka sisällä se sitten pyrkii tuhoamaan saaliinsa. Makrofagi on myös tehokas liukoisten välittäjäaineiden, sytokiinien, tuottaja. Makrofagin sytokiinit toimivat komplementin tavoin tulehdusta edistävästi, ja ovat varhaisen immuunivasteen säätelyssä hyvin tärkeitä. Infektiopaikalta erittyvät komplementin pilkkoutumistuotteet sekä sytokiinit vaikuttavat lähellä kulkevien verisuonien seiniin, lisäten niiden permeabiliteettia ja aktivoiden endoteeliä. Verenkierrossa kulkevat leukosyytit reagoivat näihin signaaleihin pysähtymällä ja tunkeutumalla verisuonen seinän läpi kudoksiin. Tämän jälkeen ne vaeltavat infektiopaikalle seuraamalla infektiopaikalta erittyvien aineiden gradienttia ylöspäin (kemotaksis). Ensimmäisenä verenkierrosta saapuvat neutrofiilit. Ne ovat fagosyyttejä, ja pyrkivät makrofagien tavoin tarttumaan patogeeneihin ja tuhoamaan ne rakkuloissaan.

2 Perifeerisistä kudoksista löytyy myös dendriittisoluja, jotka nekin kykenevät fagosytoosiin. Mikrobien rakenteet käynnistävät niissä kuitenkin pian vasteen, joka sammuttaa fagosytoosin mutta tuottaa pinnalle yhä runsaammin stimulatorisia molekyylejä. Tätä muutosta fagosyytistä immunostimulatoriseksi soluksi kutsutaan dendriittisolujen maturaatioksi. Samaan aikaan dendriittisolut jättävät infektiopaikan ja kulkeutuvat lymfanesteen mukana lähimpään imusolmukkeeseen. Dendriittisolu on siis linkki infektiopaikan ja lymfaattisen kudoksen välillä, ja samalla adaptiivisen immuunivasteen keskeinen käynnistäjä. Infektiopaikalta kulkeutuu lymfan mukana imusolmukkeisiin myös vapaita antigeeneja, muita soluja, sekä sytokiineja. Dendriittisoluilla on pinnallaan runsaasti antigeenien esittelyyn erikoistuneita molekyylejä, ns. Major Histocompatibility Complex (MHC; ihmisellä HLA) molekyylejä. Niitä on kahta tyyppiä: MHC luokka I löytyy kaikkien tumallisten solujen pinnalta ja kerää esittelemänsä peptidit solun itse tuottamista proteiineista. Terveessä solussa nämä ovat omia rakenteita, infektoituneessa solussa patogeenin, etenkin viruksen proteiineja. MHC luokka II on lähinnä eräiden immuunijärjestelmän solujen pinnalla, mikä kuvastaa sen merkitystä immuunivasteen käynnistyksessä ja ohjaamisessa. MHC II ottaa esittelemänsä peptidit solun ulkoapäin, esim. fagosytoosilla keräämistä rakenteista. Tärkeimmät MHC II:ta ekspressoivat solut ovat dendriittisolut, B-solut ja makrofagit. Sitä löytyy myös esim. kateenkorvan epiteelisoluista, missä se ohjaa T-solujen kypsymistä. Adaptiivisesta immuniteetista ovat vastuussa T- ja B-lymfosyytit, ja sen perusta on spesifinen antigeenireseptori. T-soluilla tämä on T-solureseptori, B-soluilla immunoglobuliini eli vasta-ainemolekyyli. Lymfosyyttien kehityskaudella tapahtuva antigeenireseptoreja koodaavien geenipalojen sattumanvarainen rekombinaatio synnyttää kuhunkin soluun omanlaisensa reseptorin. Näin lymfosyyttipopulaatio kokonaisuutena ekspressoi hyvin laajaa valikoimaa erilaisia antigeenireseptoreita ja pystyy tunnistamaan minkä tahansa elimistöön tunkeutuvan patogeenin. Laajan valikoiman kääntöpuolena on se, että jotakin tiettyä antigeenia tunnistavia lymfosyyttejä on hyvin harvassa, ja siksi vain pieni osa koko populaatiosta kykenee osallistumaan vasteeseen. Se suuri valtaosa lymfosyyttipopulaatiosta, jonka reseptori tunnistaa jotakin muuta antigeenia, ei reagoi patogeeniin millään tavoin. Imusolmukkeessa adaptiivisen immuunivasteen kannalta välttämätön tapahtuma on CD4+ auttaja-t-solun aktivaatio. Ne tunnistavat MHC II:n esittelemiä antigeeneja, saaden tästä yhden aktivaatiota edistävän signaalin. Toinen aktivaatioon tarvittava signaali tulee dendriittisolujen ekspressoimista kostimulatorisista molekyyleistä (tärkeimpinä CD80 ja CD86, jotka sitoutuvat T-solun CD28-molekyyliin). Immuunijärjestelmän ollessa

3 lepotilassa vain dendriittisolu kykenee antamaan kostimulatorisen signaalin, ja se on siksi ainoa solutyyppi, joka pystyy käynnistämään T-soluvasteen. Samalla periaatteella aktivoituvat myös CD8+ tappaja-t-solut, mutta niiden kohdalla antigeenin tunnistus tapahtuu MHC I-molekyylien esittelemänä. Aktivoituneet T-solut alkavat jakautua hyvin nopeasti. Tämä on välttämätöntä, jotta kyseiselle antigeenille spesifisistä harvalukuisista soluista saadaan kasvatettua tehokkaaseen puolustukseen riittävän suuri populaatio. Jakautuessaan T-solut myös käynnistävät puolustusfunktionsa; niistä tulee ns. effektorisoluja. Tämän jälkeen ne kykenevät reagoimaan spesifiseen antigeeniinsa ilman kostimulatorisia signaaleja. Dendriittisolun ja sen ekspressoimien kostimulatoristen molekyylien merkitys on siis ennen kaikkea vasteen käynnistämisessä. Imusolmukkeissa niin ikään oleskelevat B-solut tunnistavat antigeeninsa ilman erityistä esittelyä. Ne käyttävät tähän pinnallaan olevaa immunoglobuliinimolekyyliä ja saavat näin ensimmäisen signaalin. Aktivoituakseen myös B- solut tarvitsevat kaksi signaalia, joista toinen tulee auttaja-t-solulta. B-solu voi prosessoida Igmolekyyliinsä tarttuneen antigeenin sisällään esiteltäväksi MHC II:ssa. Tämä ei riitä T-solun aktivointiin, koska B-solulta puuttuvat kostimulatoriset molekyylit, mutta dendriittisolun jo aktivoima auttaja-t-solu kykenee reagoimaan B- solun esittelemiin antigeeneihin, antaen tälle tarvittavan toisen signaalin. Aktivaationsa jälkeen B- solukin alkaa jakautua, erilaistuen samalla plasmasoluksi, joka tuottaa liukoisena samaa Igmolekyyliä kuin solulla oli pintareseptorina. Liukoisten vasta-aineiden toiminta immuunipuolustuksessa perustuu niiden spesifiseen sitoutumiseen antigeeniinsa. Ne voivat estää esim. toksiinia sitoutumasta reseptoriinsa, tai virusta kohdesoluunsa (neutralisaatio). Samoin kuin komplementin tekijät, patogeeniin kiinnittyneet vasta-aineet helpottavat fagosyyttien tarttumista siihen (opsonisaatio); ne myös aktivoivat komplementin klassista tietä. Vasta-aineita on eri luokkia, joiden teho em. mainittujen tehtävissä on erilainen. Plasmasolujen ensimmäiseksi tuottamat vasta-aineet ovat IgM-luokkaa. Vasteen kuluessa soluissa tapahtuu DNA:ta silmikoimalla luokanvaihto ja IgM korvautuu jollakin muulla luokalla. Seerumin runsain vasta-aineluokka on IgG, kun taas IgA:ta kuljetetaan aktiivisesti limakalvoille. IgE osallistuu parasiittien vastaiseen puolustukseen ja on tärkeä allergian välittäjänä. IgD:tä on vain B-solun pintareseptorina. Luokanvaihto ei vaikuta vasta-aineen antigeenia tunnistaviin osiin. Niitä koodaaviin geeneihin alkaa kuitenkin immuunivasteen edetessä kasautua pistemutaatioita, jotka muuttavat antigeenispesifisyyttä. Antigeenia paremmin sitovat mutantit valikoituvat muiden kustannuksella, ja näin B- soluvaste kokonaisuutena muuttuu ajan kuluessa antigeenia tehokkaammin sitovaksi (affiniteettimaturaatio). B-solujen tuottamat vasta-aineet leviävät kaikkialle elimistöön, mutta toimiakseen immuunivasteessa T-solujen täytyy vaeltaa infektiopaikalle. Jakauduttuaan riittävästi imusolmukkeissa ne lähtevät imusuonten kautta verenkiertoon ja seuraavat sitten kemotaktisia tekijöitä infektiopaikalle. Adaptiivisen immuunivasteen kehittymiseen huippuunsa kuluu patogeeni ensimmäistä kertaa kohdattaessa, eli primäärivasteessa vähintään viikko. Dendriittisolun imusolmukkeessa aktivoimat CD8+ tappaja-tsolut kykenevät reagoimaan muidenkin solujen MHC I:ssä esittelemiin antigeeneihin, vaikka näillä ei olekaan kostimulatorisia molekyylejä. Tappaja-T-solu tulkitsee vieraita rakenteita MHC I:ssä esittelevän solun infektoituneeksi ja voi tappaa sen. Tämän tarkoituksena on tuhota infektoitunut solu,

4 ennen kuin se esim. ehtii vapauttaa uuden parven infektiivisiä viruksia. Todennäköisesti tappaja-t-solu kykenee myös estämään patogeenien lisääntymistä infektoituneissa soluissa vähemmän vahingollisin keinoin, lisäämällä kohdesolunsa vastustuskykyä patogeenia kohtaan. Esim. isäntäsolun lisääntynyt RNA:n pilkkominen ja proteiinisynteesin inhibitio vaikuttavat virusten lisääntymistä estävästi. Auttaja-T-solut ekspressoivat CD4-molekyyliä ja tunnistavat antigeeneja MHC II:n esittelemänä. Auttaja-T-solujen aktivaatio on adaptiivisen immuunivasteen kannalta keskeistä, sillä niiden tehtäviin kuuluu aktivoida ja ohjata immuunijärjestelmän muiden komponenttien toimintaa. Auttaja-T-soluilta saadut signaalit ovat tärkeitä Bsolujen aktivaatiolle, vasta-aineiden tuotolle ja luokanvaihdolle, ja ne aktivoivat myös makrofageja ja tappaja-tsoluja tehokkaammiksi solunsisäisten patogeenien tuhoajiksi. Auttaja-T-solujen signaalit ovat osin riippuvaisia suorista solukontakteista, osin sytokiinivälitteisiä. Kummassakin tapauksessa auttaja-t-solun vaikutus ulottuu vain sen välittömään ympäristöön. Immuunivasteen kuluessa auttaja-tsolut erilaistuvat funktionaalisesti eri tyyppisiksi alaluokiksi. Tällä hetkellä tunnetaan ns. Th1, Th2, ja Th17-solut, jotka eroavat toisistaan tuottamiensa sytokiinien suhteen. Th1-solujen tuottamat sytokiinit, kuten IFN-g, aktivoivat esim. makrofageja ja tapppaja-t-soluja, ja ohjaavat immuunivastetta solunsisäisiä patogeeneja tehokkaasti tuhoavaksi. Th2-solujen sytokiinit, kuten IL-4 ja IL-5, aktivoivat esim. B-soluja ja eosinofiileja ja tukevat solunulkoisten patogeenien sekä parasiittien torjuntaa. Th17-solut tuottavat IL-17:a ja tukevat neutrofiilien toimintaa sekä ylläpitävät tulehdusreaktiota. Auttaja-T-solujen erilaistumisen suunnan määräävät todennäköisesti dendriittisolun (ja muiden luonnollisen immuniteetin solujen) aktivaatiohetkellä antamat signaalit, etenkin sytokiinit. Adaptiivisen immuunivasteen käynnistyminen johtaa useimmiten siihen, että patogeeni häviää infektiopaikalta. Joissain tapauksissa infektio paranee ja kaikki patogeenit tuhotaan, joskus taas patogeeni onnistuu piiloutumaan immuunivasteelta esim. makrofagien sisälle. Kummassakin tapauksessa tulehdusta ylläpitävien mikrobirakenteiden vähentyessä immuunivaste alkaa sammua. Suurin osa vasteeseen osallistuvista soluista ja molekyyleistä on lyhytikäisiä. Ellei siis vasteeseen antigeenien puutteessa rekrytoida enää uusia soluja, valtaosa aktivoituneesta populaatiosta kuolee. Jäljelle jää immunologinen muisti, joka tekee samaan patogeeniin kohdistuvasta vasteesta seuraavilla kerroilla merkittävästi nopeamman ja tehokkaamman. Immunologinen muisti on antigeenispesifistä ja siten lymfosyyteistä riippuvaista. Osa plasmasoluista on pitkäikäisiä, ja patogeenille spesifisiä vasta-aineita voidaan usein osoittaa jopa kymmeniä vuosia akuutin infektion jälkeen. Muistisolujen tuottamat vasta-aineet ovat myös luokanvaihdon ja affiniteettimaturaation ansiosta tehokkaampia kuin primäärivasteessa syntyneet vasta-aineet. Muisti-T-soluista osa palaa lepäävään tilaan ja lymfaattisiin kudoksiin. Nämä solut tarvitsevat jälleen aktivaation ja jakautumisvaiheen ennen kuin ne pystyvät osallistumaan uuteen vasteeseen.

5 Primäärivasteen jäljiltä spesifisten T-solujen määrä on kuitenkin jäänyt pysyvästi koholle, joten jakautumiseen tarvitaan vähemmän aikaa. Lisäksi perifeerisissä kudoksissa puolustukseen osallistuneista effektorisoluista osa onvasteen sammuessa jäänyt henkiin, muodostaen pitkäikäisen ensilinjan puolustusmekanismin. Nämä ns. effektorimuistisolut eivät enää kykene jakautumaan, mutta patogeenin tunkeutuessa uudestaan elimistöön ne kykenevät toimimaan välittömästi, voittaen aikaa uusien solujen muodostamiseen imusolmukkeissa. Kun sama patogeeni siis kohdataan uudestaan, aina primäärivasteen kaltaisena toistuvan luonnollisen immuniteetin lisäksi myös adaptiivinen immuunivaste pääsee käynnistymään ilman viivettä. Edellä esitellyt immuunipuolustuksen mekanismit voivat väärin suuntautuessaan aiheuttaa isäntänsä kudoksille vakavaa vahinkoa, ja immuunijärjestelmä onkin tarkan kontrollin kohteena. Mekanismeista, jotka estävät immuunijärjestelmää vahingoittamasta omia kudoksia, käytetään yhteisnimitystä immunologinen toleranssi. Toleranssin muodostuminen alkaa lymfosyyttien kehittyessä primäärisissä lymfaattisisissa elimissä, B-soluilla luuytimessä, T-soluilla kateenkorvassa. Jos epäkypsä lymfosyytti tunnistaa tietyssä kehitysvaiheessa antigeenireseptorillaan jotakin, saa se apoptoosiin johtavan signaalin. Tämän ns. sentraalisen toleranssin tarkoituksena on eliminoida omia rakenteita tunnistavat lymfosyytit. Kypsät lymfosyytit ovat perifeerisen toleranssin kohteena. Eräs tärkeä mekanismi on auttaja-t-solujen aktivaation rajaaminen imusolmukkeisiin, dendriittisolujen toimesta tapahtuvaksi. Auttaja-T-solut puolestaan kontrolloivat muun immuunivasteen käynnistymistä ja toimintaa. Näin immuunivaste pääsee syntymään vain, jos perifeerisissä kudoksissa oleva patogeeni panee alulle dendriittisolujen maturaation ja migraation imusolmukkeisiin. Kolmas tärkeä toleranssimekanismi on immuunivasteiden aktiivinen suppressio. Osa CD4+ T-soluista muodostaa ns. regulatoristen T-solujen populaation, jonka koostumus ja toiminta tunnetaan yhä puutteellisesti. Regulatoriset T-solut kykenevät kuitenkin jotenkin estämään omiin rakenteisiin kohdistuvia vasteita, ja osallistuvat todennäköisesti myös normaalien immuunivasteiden hillitsemiseen.