Зачем нужна иммунологическая толерантность?
advertisement
Межфакультетские учебные курсы МГУ - 2015/2016 учебный год Беседы об иммунологии vk.com/msu_immunology Беседа 5 Зачем нужна иммунологическая толерантность? Трансплантационный и противоопухолевый иммунитет 14 октября 2015 г Дмитрий Владимирович Купраш Институт молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН Кафедра иммунологии биофака МГУ kuprash@gmail.com Контрольные вопросы 1. Типичная кинетика развития Т-клеточного ответа. Клетки памяти. 2. Центральная и периферическая иммунная толерантность. 3. Регуляторные Т-клетки - развитие и известные свойства. 4. Иммунопривилегированные органы. Иммуносупрессивное микроокружение. 5. Иммунная толерантность при беременности и ее нарушения. 6. Группы крови, резус-фактор и связанные с ними проблемы. 7. Отторжение трансплантатов и как с ним можно бороться. 8. Роль вирусов в развитии рака. 9. Иммунный надзор за злокачественными опухолями. 10. Способы активации противоопухолевого иммунитета. Т-клетки - "сотрудники сил правопорядка" Антиген-презентирующая клетка Клетка-мишень Гланды Тимус MHC II MHC I Лимфоузлы Лимф. сосуды Селезенка Т-киллер Аппендикс Костный мозг Т-хелпер Цитотоксические Т-клетки несут на поверхности ко-рецептор CD8, который обеспечивает узнавание антигенов в комплексе с MHCI на поверхности клеток-мишеней Т-хелперы, экспрессирующие ко-рецептор CD4, узнают антигены в комплексе с MHCII на поверхности антиген-презентирующих клеток Антитела - продукты В-клеток IgG - основные иммуноглобулины крови. Долгосрочный иммунитет, нейтрализация токсинов, проникновение через плаценту, активация комплемента, активация фагоцитов. IgM - первая линия зашиты, эти антитела активированный В-лимфоцит производит первыми Лимфатическая система IgA - секретируемое антитело. Защита на слизистых поверхностях. IgE - нейтрализация паразитов. Аллергические реакции. IgD - функция точно не известна. Необходим для корректной активации В-клеток. Динамика продукции IgM- и IgGантител при первичном и вторичном иммунном ответе Всего Уровень антител, усл.ед/мл Вторичный ответ Первичный ответ Всего Время, сут 1-я иммунизация 2-я иммунизация Динамика иммунного ответа на примере YF-17D Сила ответа YF-17D - ослабленный штамм вируса желтой лихорадки, используемый для вакцинации 7 дней 15 дней Вирус Врожденный иммунный ответ Нейтрализующие IgM антитела 4-6 недель 18 месяцев 30-40 лет Врожденный иммунитет активируется немедленно вслед за размножением вируса. YF-17D активирует множество рецепторов врожденного иммунитета (TLR2, 7, 8, 9, RIG-I, MDA5), что обеспечивает сбалансированный ответ. Нейтрализующие IgG антитела Из всех адаптивных иммунных реакций, IgM антитела к вирусу появляются первыми, т.к. даже небольшое количество плазматических B-клеток способно произвести заметное количество антител. Продукция IgG требует помощи Т-клеток и созревания аффинитета во вторичных лимфоидных органах, поэтому начинается позже, но и продолжается намного дольше. CD8+ T-клетки CD4+ T-клетки Т-клеточный ответ требует деления клеток, которое происходит 1 раз в 12-20 часов. Первыми появляются Т-киллеры, Т-хелперы делятся чуть медленнее. Лимфоциты требуют постоянной стимуляции антигеном. Как только заканчивается источник антигена (для производящих IgM В-клеток - циркулирующий вирус, для Т-клеток - антиген, представленный на активированных АПК, для IgG - антиген, захваченный фолликулярными дендритными клетками во вторичных лимфоидных органах) - соответствующая ветвь адаптивного ответа идет на спад. Где берут антиген клетки памяти - до сих пор предмет для дискуссии. Три сигнала для Т клеток во время иммунного ответа АПК передают наивным Тклеткам три типа сигналов Получив сигналы от АПК, CD4 клетка производит CD40L и IL2 CD4 Тклетка CD8 Тклетка АПК АПК CD4 Т-клетка АПК получает CD40 сигнал и стимулирует CD8 клетку. IL2 действует напрямую CD4 Тклетка Активация Выживание Дифференцировка CD8 Тклетка Дифференцировка Т-хелперов За каждый тип дифференцировки отвечают определенные цитокины и транскрипционные факторы Внеклеточные бактерии в барьерных тканях Грибы Аутоиммунитет Th17 Внутриклеточные патогены Клеточный иммунитет Воспаление Аутоиммунитет Th1 IL-17 RORgt T-bet STAT3 TGFb, IL-6 Инфекции - бактерии, вирусы IFNg STAT4 IFNg, IL-12 Рецептор для хемоттрактанта Вклеток - "пропуск" в В-клеточную зону - грибы, паразиты Токсины Th0 Пищевые антигены IL-6 STAT3 Аллергены Лекарства Аутоантигены Tfh Ascl2 Антигенпрезентирующие клетки Treg FoxP3 TGFb STAT5 TGFb IL-10 IL-35 Иммунная толерантность Лимфоидный гомеостаз Регуляция иммунного ответа Помощь В-клеткам IL-4 STAT6 Th2 GATA3 Антитела Внеклеточные паразиты Аллергия IL-4 IL-10 IL-13 IL-21 IL-4 Анализ клеточных популяций при помощи проточной цитофлуорометрии anti-TGFbR anti-STAT3 anti-RORgt anti-IL-17 IL-17 RORgt STAT3 TGFbR Иммунологическая толерантность Под иммунологической толерантностью понимают отсутствие специфической продуктивной иммунной реакции на конкретный антиген. Это не обязательно означает, что антиген не распознается. В дополнение к центральной толерантности к собственным антигенам, существует несколько уровней периферической. На каждом уровне действуют свои молекулярные и клеточные механизмы. Молекулярная структура эпитопов, распознаваемых Т и В лимфоцитами, принципиально не отличается между собственными и чужеродными антигенами. Поэтому распознавание своего и чужого требует дополнительных сигналов от физиологического микроокружения (строма первичных лимфоидных органов) и системы врожденного иммунитета (костимуляторные сигналы, цитокины). Система сигналов врожденного иммунитета не идеальна, поэтому необходим эволюционно приемлемый компромисс между толерантностью к собственным антигенам и эффективной защитой от патогенов. Недостаточная толерантность выражается в аутоиммунных заболеваниях и репродуктивных проблемах. Недостаточная защита - в хронических инфекциях и злокачественных опухолях. Механизмы аутотолерантности Мозг Тип толерантности Механизм Где действует Центральная толерантность Делеция клона или редактирование рецептора Костный мозг, тимус Сегрегация антигена Физическая изоляция аутоантигена Иммунопривилегированные органы Периферическая анергия Инактивация клеток сигналом "1" в отсутствие костимуляции Вторичные лимфоидные органы Регуляторные Т-клетки и другие механизмы локальной иммуносупрессии Супрессия цитокинами и внутриклеточными сигналами Очаги воспаления, барьерные ткани, злокачественные опухоли Гланды Тимус Лимфоузл ы Лимф. сосуды Селезенка Аппендикс Костный мозг Молекулярные компоненты иммунологической толерантности • Aire (транскрипционный фактор) - представление собственных антигенов в тимусе • Fas / FasL - уничтожение аутореативных Т-клеток • IDO и др. подавление пролиферации, миграции и адгезии эффекторных Т-клеток • FoxP3 (транскрипционный фактор) - управление развитием регуляторных Т-клеток • CTLA-4, PD-1 - подавление костимуляции (отрицательный "сигнал 2") • TGFb, IL-10 - иммуносупрессорные цитокины (отрицательный "сигнал 3") Удаление аутореактивных клонов лимфоцитов: основа центральной толерантности Из клетки-предшественника развивается большое количество лимфоцитов, каждый - со своей "случайной" специфичностью Удаление аутореактивных клонов лимфоцитов: основа центральной толерантности Из клетки-предшественника развивается большое количество лимфоцитов, каждый - со своей "случайной" специфичностью Аутореактивные лимфоциты удаляются в процессе клональной селекции Группы крови как пример естественной аутотолерантности Немодифицированный Н-антиген N-ацетилгалактозамин Антиген А + антиген В Галактоза Группа крови I(0) Группа крови II(A) Группа крови III(B) Агглютинины a и b (естественные антитела к антигенам А и B) закодированы в зародышевом геноме и производятся B1 клетками (предполагаемая физиологическая роль таких антител - иммунитет к пищевым антигенам). Появление на периферии B1 клеток, производящих антитела против A или B антигенов у данного индивидуума возможно только при отсутствии у него соответствующего антигена, т.к. иначе такая B клетка не пройдет отрицательную селекцию и не сможет покинуть костный мозг. Группа крови IV(АB) Схема возможного переливания крови в полевых условиях Антиген B + Антиген А Антиген В Антиген А Антиген H Фукоза Группы крови как пример естественной аутотолерантности Немодифицированный Н-антиген N-ацетилгалактозамин Антиген А + антиген В Галактоза Группа крови I(0) Группа крови II(A) Группа крови III(B) + Группа крови IV(АB) Группы крови системы AB0 - эволюционно молодое явление (десятки тысяч лет). Первая группа крови - самая древняя, причины появления остальных не вполне ясны. Предполагается связь с увеличением количества растительной пищи в рационе. Прослеживаются также корреляции с ущербом от кровососущих насекомых, хотя связь не прямая (например, ни одна группа крови от малярии не защищает). На поверхности эритроцитов отсутствует MHCI, поэтому Т-клеточный ответ при переливании крови не является проблемой. От нападения NK-клеток эритроциты защищены молекулой CD47. Недавно показано, что по мере старения эритроцита CD47 меняет конформацию и превращается в сигнал "съешь меня" для макрофагов. Антиген B Антиген А Антиген В Антиген А Антиген H Фукоза Патология отрицательной селекции в тимусе как механизм нарушения аутотолерантности ТИМУС Мутация Aire Норма Аутореактивные клоны Клетка эпителия тимуса Клетка эпителия тимуса Отрицательная селекция Отсутствие отр. селекции Эмиграция клонов на периферию Аутоспец. клон Синдром APECED (аутоиммунная полиэндокринопатия с кандидозом и эктодермальной дистрофией) Иммунопривилегированные органы Мозг и глаза (жизненно важные органы с минимальной способностью к регенерации) Плацента (полиморфные отцовские белки являются чужеродными) Защечный мешок грызунов (пища богата аллергенами) Семенники (сперматозоиды появляются, когда периферия уже заполнена зрелыми лимфоцитами) Волосяной фоликул в стадии роста Гематоэнцефалический барьер - преграда на пути нейродегенеративных заболеваний 1 2 3 3 3 Механизмы защиты от Т-лимфоцитов: 1. Плотные физические контакты на границе 2. Экспрессия FasL на астроцитах. 3. Различные механизмы иммуносупрессии. Плод - это аллотрансплантат, который не отторгается Сбой механизмов толерантности при беременности может выражаться как в первичном иммунном ответе (конфликт по антигенам групп крови системы АВО), так и в иммунизации с эффектом памяти (резусконфликт). При благополучном течении беременности в плаценте наблюдается присутствие Th2 клеток и продукция IL-4, IL-10, при неблагоприятном - Th1 клетки и продукция IFNg (опасность воспаления и цитотоксических реакций против клеток плода). Резус-конфликт Происхождение лимфоцитов, отторгающих трансплантат Лимфоциты, способные реагировать с антигенами донора, отсутствующими у реципиента, не удаляются в ходе клональной селекции. Антигены реципиента Антигены донора Патоген Приживление трансплантата зависит от комбинации аллелей MHC у донора и реципиента H-2b Мыши, конгенные по локусу H2 Кожа от мышей Н-2b Кожа от мышей Н-2k Кожа от гибридов Н-2b х Н-2k H-2k x F1 (H-2b х Н-2k) Почему MHC-несовместимые трансплантаты отторгаются так интенсивно? Периферические Т-лимфоциты реципиента прошли селекцию в присутствии определенного набора молекул MHCI (6 штук из сотен возможных). Они распознают антигены в комплексе с этой молекулой с разумным сродством. Клетки, имевшие TCR с высоким сродством к MHCI, удалены в ходе негативной селекции. Однако среди прошедших селекцию Т-клеток осталось много таких, у которых TCR имеет высокое сродство к другим вариантам MHCI, в том числе к тем, что имеются на клетках донорского органа. Эти Т-клетки начинают атаку на донорские клетки - массированную и быструю, не требующую никаких дополнительных сигналов. Чем сильнее отличаются молекулы MHC - тем больше будет таких клеток и тем сильнее реакция. Хорошее совпадение молекул MHC еще не устраняет проблему отторжения, ведь у донора (если это не однояйцевый близнец) имеется множество белков, отличающихся от белков реципиента. Некоторые из них будут содержать иммуногенные пептиды, которые будут процессироваться и представляться на MHC. В любом случае, проблему представляет Т-клеточное распознавание. Наиболее эффективным препаратом для его подавления является циклоспорин А и его производные - вещества, прицельно отключающие активацию транскрипционного фактора NFAT, характерного для активированных Т-клеток. При пересадке иммунных клеток или их предшественников возможно другое иммунологическое осложнение: реакция трансплантата против хозяина. В тяжелых случаях может приводить к смертельному исходу. Злокачественные опухоли подвергаются иммуноредактированию Задача иммунотерапии опухолей - научиться "пробивать" толерантность, переключить иммунный ответ с супрессивного на продуктивный. И в большинстве случаев не отторгаются Аргументы в пользу существования иммунного надзора у человека • Повышение частоты опухолей вирусной природы при иммуносупрессии. Иммуносупрессия может быть наследственной, инфекционной (СПИД) или фармацевтической (пересадка органов, лечение аутоиммунных патологий). • Иммунный ответ на новые иммуногенные эпитопы (в опухолях кишечника) с повышенной нестабильностью микросателлитов (MSI-H). Эти опухоли с самого начала имеют дефекты в системах репарации ДНК, из-за этого накапливают больше мутантных пептидов, чем обычно. Иммунная система распознает эти мутации и более эффективно держит опухоль под контролем (такие больные имеют более благоприятный прогноз). • Инфильтрация (в меланому) специфических Т-лимфоцитов. В большинстве случаев оказывается неэффективной вследствие иммуносупрессорного микроокружения опухоли, однако указывает на успешное распознавание опухолеассоциированных антигенов. Высокое отношение CD8+/FoxP3+ (много CTL / мало Treg) коррелирует с благоприятным прогнозом. • Паранеопластические аутоиммунные синдромы (при немелкоклеточном раке легкого). Так называют аутоиммунные поражения удаленных органов, вызванные иммунным ответом на экспрессию тканеспецифических антигенов в опухолях. Симптомы - такие же, как при аутоиммунных патологиях, часто предшествуют онкологическим проявлениям. Взятие видов рака в скобки означает, что при таких видах онкологии данные явления наиболее изучены. Механизм паранеопластических аутоиммунных синдромов ЦНС Гематоэнцефалический барьер Периферия Аргументы в пользу существования иммунного надзора у человека • Спонтанная регрессия (меланомы). Феномен недостаточно исследован и объяснен, однако в редких исследованных случаях обнаружены цитотоксические Т-лимфоциты, реагирующие на специфические TAA. • Длительные предраковые состояния. Моноклональная гаммапатия неустановленной значимости во всех изученных случаях предшествует множественной миеломе, но может никогда в нее не превратиться. • Пересадка опухолевых клеток иммунодефицитным пациентам вместе с трансплантатами. Наиболее яркий пример: две почки донора были пересажены двум разным реципиентам, у обоих появилась меланома донорского происхождения. Внимательное изучение медицинских карт показало, что 16 лет назад у донора была удалена первичная меланома размером 2.6 мм, и после 15 лет послеоперационного наблюдения пациент был признан здоровым. • История гибели "мальчика в пузыре" Дэвида Веттера от множественных лимфом Бёркитта. Злокачественные опухоли вирусного происхождения В 1909 году Пауль Эрлих выдвинул гипотезу иммунного надзора над опухолями В 1910 году Фрэнсис Пейтон Раус открыл вирус, вызывающий саркому (опухоль соединительной ткани) у кур. Как выяснилось позже, это был первый надежно охарактеризованный онкогенный вирус, RSV. Нобелевская премия : 1966 год. Лев Александрович Зильбер (1894—1966) Работая над вирусной теорией рака, Зильбер столкнулся с невозможностью выделить вирус из опухоли. Однажды случайно погибла одна из подопытных крыс, и при вскрытии Зильбер обнаружил у нее маленький узелок молодой опухоли. Он отфильтровал зараженные клетки и перенес полученный экстракт на здоровую крысу. Через некоторое время у нее начала расти опухоль. Зильбер догадался, что вирус может присутствовать в опухолях только на ранних стадиях – он лишь запускает процесс болезни, а затем исчезает. Главный принцип его гипотезы – вирус не противостоит хозяйской клетке, не размножается в ней – он взаимодействует с ней, меняет ее наследственные свойства, превращая в опухолевую, а затем исчезает. 17.01.1945 г. - Газета "Известия", статья "Проблема рака", в которой Л.А.Зильбер популярно изложил свою концепцию: "Рак - это заболевание генома". Инфекции и рак Ежегодные глобальные данные по раковым заболеваниям, связанным с инфекциями 25% случаев рака ротовой полости Рак шейки матки 80% случаев рака печени 80% случаев рака желудка 10% случаев рака желудка Рак носоглотки HPV = Human papillomavirus (вирус папилломы) HBV, HCV = Human hepatitis B, C virus (вирусы гепатита) EBV = Epstein-Barr virus (вирус Эпштейна-Барр) 10% неходжскинской лимфомы 30% ходжскинской лимфомы Всего более 2 млн005. случаев в год (почти 20% всех раковых заболеваний) Вакцинация против ВПЧ для профилактики рака шейки матки Вирус папилломы человека (ВПЧ, HPV) ДНК-вирус. Известно более 100 его типов, из них два, HPV16 и HPV18, вызывают более 70% случаев рака шейки матки. ВПЧ передается половым путем и заражает клетки эпителия слизистой оболочки. ДНК вируса встраивается в геном клетки, что через много лет может привести к раковой трансформации. Вирусная ДНК Белки оболочки Инфекция ВПЧ 90% выздоравливают в течение 2 лет Размножение вируса Недели Зараженная клетка ДНК ВПЧ встраивается в геном клетки В 0.8% случаев возникает рак 10-30 лет Вирус в клетках Злокачественная опухоль Вакцинация против ВПЧ для профилактики рака шейки матки Harald zur Hausen Вирус папилломы человека (ВПЧ, HPV) ДНК-вирус. Известно более 100 его типов, из них два, HPV16 и HPV18, вызывают более 70% случаев рака шейки матки. ВПЧ передается половым путем и заражает клетки эпителия слизистой оболочки. ДНК вируса встраивается в геном клетки, что через много лет может привести к раковой трансформации. Вирусная ДНК Белки оболочки Инфекция ВПЧ Нобелевская премия 2008 г. 90% выздоравливают в течение 2 лет Размножение вируса Недели Зараженная клетка ДНК ВПЧ встраивается в геном клетки В 0.8% случаев возникает рак 10-30 лет Вирус в клетках Злокачественная опухоль В России применяются две вакцины от ВПЧ - Гардасил и Церварикс. Обе сделаны на основе вирусоподобных частицы, построенных из белков оболочки HPV. - обе вакцины защищают от самых опасных типов ВПЧ - 16 и 18. - Гардасил также защищает от вирусов 6 и 11 типов (вызывающих кондиломы) - Церварикс может формировать иммунитет к типам ВПЧ, которых в вакцине нет - 33 и 45 (так называемый перекрестный иммунитет). - курс прививок включает в себя три инъекции в течение 6 месяцев. - прививаться от ВПЧ рекомендуется девушкам в возрасте от 9 до 26 лет. - согласно имеющимся на настоящий момент данным, профилактическая вакцинация против HPV сокращает риск развития рака шейки матки примерно втрое. Блокировка "блокпостов" для иммунотерапии рака АПК Т-клетка Костимуляция Остановка на "блокпосте" ("checkpoint") Блокировка "блокпоста" FDA 2011: anti-CTLA-4 Ipilimumab / MDX-010/101 / Yervoy (Bristol-Myers) FDA 2014: anti-PD-1 James P. Allison, Ph.D Pembrolizumab / MK-3475 / Keytruda (Merck) Варианты генетической модификации лимфоцитов Во всех случаях нужны опухолеспецифические антигены Современные подходы к иммунотерапии рака: - Таргетные препараты на основе антител - Адоптивный перенос Т-лимфоцитов - Стимуляция иммунитета: - агонисты TLR - цитокины - иммуностимулирующие антитела - в т.ч. блокирующие иммунологические чекпойнты - иммуногенная химеотерапия - Вакцины: - на основе дендритных клеток - пептидные - ДНК - Онколитические вирусы "АБВГ" контроля за меланомой Австралия и Новая Зеландия - "столица меланомы" по следующим причинам: 1. Много светлокожих людей в местности с высокой дозой солнечной радиации. 2. Пониженное содержание озона в атмосфере (дополнительный УФ). 3. Жители традиционно предпочитают досуг на свежем воздухе Первые результаты широкомасштабной кампании по уменьшению дозы УФ (одежда, зонты, солнечные кремы, стереотипы поведения): Доказано, что курение является одной из основных причиной рака легких Доказано, что курение является одной из основных причиной рака легких Если посмотреть на абсолютные цифры, риск умереть от рака легких даже для заядлых курильщиков не так уж и велик: в пределах 5% от общей смертности. Однако не стоит обольщаться: курение в течение всей жизни отнимет у вас примерно 10 лет. Причем вклад рака легких составит порядка 10%, остальное - сердечнососудистые и другие заболевания. Никогда не поздно бросить: даже в 60 лет это добавит к продолжительности жизни около 3 лет.
