Adaptivní imunitní systém

SOUHRN

Lymfocyty B a T se jako součást adaptivního imunitního systému vyznačují vysoce různorodým individuálním repertoárem klonálních receptorů, které dovedou rozpoznat příslušné antigeny. Tyto receptory vznikají v rámci tzv. somatické rekombinace různých náhodně spojovaných komponent. Z této skutečnosti vyplývá, že existují nejen užitečné, ale též škodlivé, autoreaktivní receptory. Lymfocyty B a exprimované plazmatické buňky produkují protilátky (imunoglobuliny). Protilátky na buněčné membráně představují specifické receptory lymfocytů B – BCR. Protilátky dokážou rozpoznat nativní antigeny a prostřednictvím části Fc realizují efektorové funkce. K významným efektorovým funkcím patří aktivace komplementu a aktivace efektorových buněk, např. granulocytů nebo makrofágů, které exprimují specifické receptory pro protilátkové fragmenty Fc. Dlouho přežívající plazmatické buňky jsou nositeli imunitní paměti. Lymfocyty T rozpoznávají peptidové fragmenty navázané na molekuly HLA. Pomocné CD4+ T lymfocyty (lymfocyty Th) dokážou rozpoznat peptidy navázané na molekuly HLA II. třídy, lokalizované na povrchu specializovaných antigen prezentujících buněk. Cytotoxické CD8+ T lymfocyty rozpoznávají peptidy navázané na molekuly HLA I. třídy. K aktivaci lymfocytů T nestačí samotné rozpoznání antigenu, nýbrž je nezbytná přítomnost dalších, tzv. kostimulačních signálů, které poskytují antigen prezentující buňky. Důležitá efektorová funkce CD4+ T lymfocytů spočívá v tvorbě cytokinů, které aktivují další buňky adaptivního i vrozeného imunitního systému. Podle druhu produkovaných cytokinů se CD4+ T lymfocyty dělí na Th1, Th2, Th17 a Treg buňky. Toto třídění je vcelku smysluplné, i když dosti zjednodušené. Jednak se tyto fenotypy in vivo do určité míry překrývají, jednak je tvorba cytokinů v jednotlivých Th buňkách flexibilní. V thymu se uskutečňuje rozsáhlá selekce lymfocytů T. Pouze buňky, které mají schopnost rozpoznávat vlastní molekuly HLA, jsou pozitivně selektovány. Následně jsou negativně selektovány buňky rozeznávající autoantigeny. Ze všech nezralých prekursorů lymfocytů T, které „přicestovaly“ do thymu, pouze asi 5 % opouští thymus jako žijící zralé lymfocyty T. Specializované antigen prezentující buňky, které se vyskytují v thymu, dokážou představit lymfocytům T též orgánově specifické antigeny, např. inzulin. Přes selekci probíhající v thymu se mezi lymfocyty T vyskytují též buňky autoreaktivní. Různé mechanismy periferní tolerance brání, aby tyto buňky nevyvolaly autoimunitní choroby.

RESÜMEE

B- und T-Lymphozyten sind die Zellen des adaptiven Immunsystems. Sie verfügen über ein hochdiverses Repertoire an individuellen, klonalen Antigenrezeptoren. Diese Rezeptoren werden durch die sogenannte somatische Rekombination verschiedener Gen-Elemente zufällig zusammengefügt. Daraus ergibt sich, dass auch schädliche, autoreaktive Rezeptoren gebildet werden. B-Lymphozyten und Plasmazellen produzieren Antikörper. Membrangebundene Antikörper sind die B-Zell-Rezeptoren. Antikörper sind in der Lage, lösliche Antigene zu erkennen. Die Eff ektorfunktionen der Antikörper werden über ihre Fc- Region vermittelt. Wesentliche Eff ektorfunktionen der Antikörper sind die Komplementaktivierung und die Aktivierung von Eff ektorzellen, z.B. Granulozyten oder Makrophagen, die spezifische Rezeptoren für die Fc- Regionen der Antikörper exprimieren. Langlebige Plasmazellen sind die Träger des Antikörpergedächtnisses. T-Lymphozyten erkennen Peptidfragmente, die an MHCMoleküle körpereigener Zellen gebunden sind. CD4+ T-Helferzellen (Th) erkennen Peptide, die an MHC-Klasse-II-Moleküle spezialisierter Antigen-präsentierender Zellen gebunden sind. CD8+ zytotoxische T-Zellen erkennen Peptide die an MHC-Klasse-I-Moleküle gebunden sind. Zur Aktivierung der T-Zellen ist Antigenerkennung allein nicht ausreichend; es werden zusätzliche ko-stimulatorische Signale von den Antigen-präsentierenden Zellen benötigt. Die wesentliche Eff ektorfunktion der CD4+ T-Lymphozyten ist die Produktion von Zytokinen. Damit werden weitere Zellen des adaptiven und angeborenen Immunsystems aktiviert. Nach ihrer Zytokinproduktion unterscheidet man CD4+ T-Lymphozyten in Th1-, Th2-, Th17- und Treg-Zellen. Diese Einteilung ist insgesamt sinnvoll, allerdings etwas vereinfacht. Zum Einen gibt es in vivo erhebliche Überlappungen zwischen diesen Phänotypen. Zum Anderen ist die Zytokinproduktion einzelner Th-Zellen häufig flexibel. Das T-Zellrepertoire wird im Thymus massiv selektioniert. Nur solche T-Zellen, die in der Lage sind Selbst-MHC Moleküle zu erkennen, werden positiv selektioniert. Danach werden diejenigen Zellen, die Selbst-Antigene erkennen können negativ selektioniert. Nur etwa 5% der in den Thymus einwandernden unreifen Vorläuferzellen verlassen den Thymus lebend als reife T-Zellen. Spezialisierte Antigen- präsentierende Zellen im Thymus sind in der Lage, den T-Zellen auch solche Antigene zu präsentieren, die ansonsten im Organismus streng organspezifisch exprimiert werden (z.B. Insulin). Trotz der thymischen Selektion gehören autoreaktive T-Zellen zum normalen Repertoire. Durch verschiedene Mechanismen der peripheren Toleranz wird normalerweise verhindert, dass diese Zellen Autoimmunkrankheiten verursachen.

KOMENTÁŘ - Prof. RNDr. Jan Krejsek, CSc.

Způsob, jakým imunitní systém identifikuje podněty, na které je zapotřebí zahájit obrannou reakci, fascinuje vědce již po více než 100 let. Je neuvěřitelné, že již na počátku 20. století, bez znalosti molekulových a buněčných mechanismů, které jsou základem imunitní odpovědi, německý imunolog Paul Ehrlich dokázal formulovat tzv. hypotézu postranních řetězců. V ní vyjádřil názor, že buňky jsou vybaveny povrchovými strukturami, receptory, které vlivem vnějších podnětů upravují svůj tvar a stávají se rozpoznávacími a efektorovými strukturami. Za svůj přínos vědě mu byla udělena Nobelova cena. Tato hypotéza byla překonána až v 50. letech minulého století, kdy australský imunolog Frank MacFarlane Burnet postuloval klonálně selekční hypotézu fungování imunitního systému, za kterou byl rovněž odměněn Nobelovou cenou. Opět bez znalosti buněčného substrátu a s minimální znalostí struktury protilátek, jejichž výzkum byl v té době na počátcích, názor Paula Ehrlicha zcela zvrátil. Odvodil, že imunitní systém je vybaven množinou receptorů, které jsou vyjádřeny na povrchu imunokompetentních buněk. Jejich vznik se uskutečňuje bez přítomnosti antigenu. Antigen následně vybírá z množiny předem hotových receptorových struktur tu, která nejlépe odpovídá svou specificitou. Buňka, která takový receptor exprimuje, je antigenem stimulována k proliferaci. To je princip zmíněné selekčně klonální hypotézy fungování imunitního systému.

S odstupem času se ukázalo, že MacFarlane Burnetovy představy platí pro buněčný substrát specifické imunitní odpovědi, tj. lymfocyty T a B. Tyto buňky na svých površích exprimují receptory TCR, resp. BCR, kterými jsou podněty antigenů rozpoznávány. Až do začátku 80. let zůstávalo záhadou, jakými mechanismy může člověk zajistit ohromné množství bílkovinných řetězců tvořících receptory TCR a BCR, jejichž teoreticky stanovený počet se udává v řádu 10 až 10. Přitom už v té době bylo zřejmé, a v genomovém projektu se to navíc i potvrdilo, že kódovací možnosti lidského genomu jsou o mnoho řádů nižší a pohybují se v počtu cca 30 000 funkčních genů. Existuje zde tedy paradox. I kdybychom využili celou kódovací kapacitu lidského genomu pouze na tvorbu řetězců receptorů TCR a BCR, stejně bychom mohli sestavit pouze velmi omezenou paletu těchto receptorů. Obrovskou variabilitu receptorů lymfocytů T a B umožňuje unikátní genetický proces, který se za účasti specifických rekombinázových enzymů uskutečňuje pouze v lymfocytech T a B. Tento proces je označován jako genové přeskupení. V komentovaném článku je stručně naznačeno, jakým způsobem genové přeskupení probíhá. Stojí za připomenutí, že za objasnění mechanismu genového přeskupení byla udělena další Nobelova cena, a to koncem 80. let vědci japonského původu Susumo Tonegawovi.

Je samozřejmé, že imunologové se po dlouhou dobu zajímají o rozdíly, které panují v rozpoznávání antigenů mezi lymfocyty T a lymfocyty B. Je pozoruhodné, že přes shodné mechanismy vzniku TCR a BCR a velmi podobné strukturní charakteristiky těchto receptorů je rozpoznávání antigenů lymfocyty T a lymfocyty B zásadně odlišné. Tady si dovolím zdůraznit odlišnosti, které jsou v komentovaném článku poněkud skryty. Je třeba velmi důrazně upozornit, že zatímco lymfocyty B prostřednictvím receptoru BCR rozpoznávají nativní konformačně uspořádané antigeny značné velikosti, TCR receptory jsou schopny rozpoznat pouze malé lineární peptidové fragmenty o velikosti 10–20 aminokyselin, které vznikly zpracováním nativních antigenů v buňkách prezentujících anti gen. Tyto buňky mají za úkol internalizovat exogenní antigenní materiál a zpracovat ho v podrobně popsané nitrobuněčné cestě degradace na lineární peptidy, které jsou potom vázány na molekuly HLA II. třídy. Komplex peptidového exogenního antigenu navázaného na molekulu HLA II. třídy je rozpoznáván subpopulací pomocných CD4+ T lymfocytů. Cizorodé antigeny, které jsou tvořeny uvnitř buněk (např. virové) jsou zpracovány odlišnou cestou a prezentovány v kontextu I. třídy HLA. Rozpoznává je subpopulace cytotoxických tlumivých CD8+ T lymfocytů. A tady stojí za připomenutí, že na pochopení těchto mechanismů a odhalení imunobiologické úlohy molekul HLA I. a II. třídy jsme museli čekat až do 70. let. Objevy v této oblasti byly oceněny dokonce dvěma Nobelovými cenami, a to plným právem. Je tedy zřejmé, že jde o zcela fundamentální objevy, které daleko přesahují rámec imunologie.

V článku je velmi dobře zdůrazněno, že jak lymfocyty B, tak především lymfocyty T, mají vedle schopnosti regulovat obranné mechanismy člověka, také značný negativní potenciál, který může vést k poškozující zánětlivé reakci, imunopatologii. Podmnožinu imunopatologických stavů, které jsou indukovány reaktivitou lymfocytů T (B) vůči vlastním strukturám, označujeme jako autoimunitní procesy. V článku je zdařile ukázáno, že tvorba tak obrovského základního repertoáru lymfocytů T procesem genového seskupení v sobě zahrnuje buňky, které buď nemají schopnost účinně interagovat s molekulami HLA, anebo jsou schopny reagovat na autoantigeny na molekuly HLA vázané. Takovéto buňky musejí být v průběhu intrathymového vyzrávání eliminovány pozitivní selekcí a následně selekcí negativní. V rámci specifického imunitního systému přesto trvá tzv. „horror autotoxicus“, neboť eliminace autoreaktivních lymfocytů T z principu nemůže být úplná. Je zřejmé, že musí být zařazeno mnoho dalších pojistných mechanismů, které indukci a rozvoj T lymfocytární a v menší míře také v B lymfocytární imunitní odpovědi budou regulovat. Za nejvýznamnější lze považovat fakt, že rozpoznání antigenních struktur prostřednictví TCR vyžaduje současné kostimulační interakce zajištěné membránovými molekulami a cytokinovým mikroprostředím. Není-li tento tzv. kontext rozpoznávání k dispozici, antigenní stimulace paradoxně vede k anergizaci nebo apoptóze reagujícího lymfocytu T. Tento mechanismus lze považovat za významného činitele regulujícího T lymfocytární imunitní odpověď. Sám o sobě by nestačil, musí být doplněn dalšími úrovněmi regulací.

O úloze imunoregulačních subsetů lymfocytů T máme stále více dokladů. V tomto ohledu je potřeba velmi zdůraznit, že každý zralý lymfocyt T, který je součástí základního imunologického repertoáru prošlého diferenciací a selekcí v thymu, má možnost vyzrávat do funkčně odlišných subsetů lymfocytů T. Výchozí populace je označována jako subset Th0 T lymfocytů. Je fascinující, jak funkčně plastická je tato populace buněk. V závislosti na těžko popsatelných proměnných, jakými jsou molekulární charakteristika antigenního podnětu, typ prezentující buňky, způsob zpracování antigenu, volba transkripčních faktorů regulujících genový přepis a mnoho dalších proměnných faktorů, to vše v kvalitativním i kvantitativním kontextu, rozhodne o směřování Th0 T lymfocytu např. do subsetu Th1, Th2, Th3, Treg nebo Th17 a velmi pravděpodobně do mnoha dalších regulačních subsetů, které jsou zatím popisovány v experimentálním myším modelu a které budou jistě postupně nalézány i u člověka.

Článek se zaměřuje na nejlépe poznané imunoregulační subsety. Zde pouze podtrhuji, že všechny uvedené imunoregulační subsety jsou žádoucí pro fyziologickou imunitní reakci. Reflektují momentální potřeby organismu, a jsou-li dobře regulovány, jsou odpovědny za optimální obrannou reakci. Bohužel s ohledem na komplexnost regulací poměrně často dochází k poruchám ve vyzrávání do imunoregulačních subsetů. Jejich dysbalance je jednou z příčin rozvoje imunopatologických nemocí, jak je také v článku naznačeno. Celá oblast se zdánlivě jeví jako čistě teoretická imunobiologická záležitost. Není tomu tak. Již v současné době můžeme u vybraných nemocí zasahovat do sítí imunoregulačních subsetů lymfocytů T. Jde např. o imunopatologickou reakci I. typu zprostředkovanou protilátkami IgE – alergii. U nemocných trpících touto imunopatologickou reakcí abnormálně převažuje aktivita subsetu Th2 T lymfocytů. Ty mimo jiné podporují tvorbu protilátek IgE reagujících s alergeny. Desetiletí používaná „hyposenzibilizace“, nově označovaná jako imunoterapie alergenem spočívá v dlouhodobém podávání narůstajících dávek kauzálního alergenu v injekční nebo perorální podobě. Po dlouhé době (měsíce a spíše roky) se rovnováha mezi Th2 a Th1 T lymfocyty normalizuje. Tyto změny můžeme objektivně laboratorně změřit. Podstatné však je, že nemocný se symptomů alergického onemocnění zbaví.

V článku je relativně podrobně popsána úloha lymfocytů T v regulacích B lymfocytární odpovědi a produkce protilátek. Spíše s ohledem na zaměření článku v něm však chybí uvedení skutečnosti, že podstatná část protilátkové aktivity, zvláště v časných fázích infekčního onemocnění, podporu T lymfocytárního systému nevyžaduje. Zvláštní subsety lymfocytů B tvoří velmi časně po antigenní stimulaci málo specifické polyreaktivní protilátky, především třídy IgM. Někdy jsou nazývány protilátkami přirozenými. To ukazuje na mnohé shody s mechanismy vrozené imunity. V dynamice obrany proti infekci je tato časná tvorba protilátek kritická a stále ještě nedoceněná. Ve zdařilém popisu některých fenoménů, které v lymfocytech B regulují lymfocyty T, tj. izotypového přepnutí a somatické hypermutace, postrádám zdůraznění, že všechny tyto vlastnosti lymfocytů B, získané po stimulaci antigenem a podpořené kooperací s lymfocyty T, se odrazí v paměťových buňkách. Na tomto fenoménu je postaven nejčastější imunomodulační zásah, tj. aktivní imunizace.

Svůj komentář bych chtěl uzavřít určitým doplněním celého velmi zdařilého přehledového článku. V současnosti totiž v imunologii prožíváme vzrušující období, kdy jsou vytvářeny nové pohledy (paradigmata) na jeho fungování. Dovolte mi v této souvislosti připomenout, že letošní Nobelova cena za lékařství byla opět udělena za objevy v oblasti studia imunitního systému. Jde o mechanismy, které určují vrozenou imunitní odpověď člověka. Tyto mechanismy pochopitelně nebyly tématem komentovaného článku. Původní koncepci rozpoznávání mezi „cizím“ a „vlastním“, která je dána v článku bohatě diskutovanými rozpoznávacími strukturami lymfocytů T a B, tj. specifické imunity, v současnosti zásadně doplňuje koncepce „bezpečné“ versus „nebezpečné“. Obecně je zastáván názor, že optimální pro fungování člověka je udržení stálého vnitřního prostředí, tj. homeostázy. Všechny podněty, které homeostázu mohou narušit, označujeme jako nebezpečné. Jsou identifikovány množinou membránových, nitrobuněčných nebo solubilních receptorů označovaných jako receptory PRR (pattern recog nition receptors). Tak je umožněna identifikace signálů nebezpečí, které mohou být velmi rozmanité a přicházet zvenčí (exogenní nebezpečné vzory, např. PAMP [pathogen associated molecular pattern] patogenních mikroorganismů), ale mohou také vznikat ve vnitřních strukturách člověka (endogenní nebezpečné vzory DAMP [danger associated molecular patterns]). Například chemicky a oxidačně modifikované struktury těla, produkty vzniklé nekrózou buněk a mnohé jiné podněty vedou k aktivaci nitrobuněčných signálních drah a stimulaci přepisu genů, které kódují prozánětové působky, mj. prozánětové cytokiny TNFα a IL-1-β. Naproti tomu bezpečné vzory žádnou zánětovou reakci nevzbuzují. Elegantně je řešen dřívější paradox, jak imunitní systém může např. odlišit střevními patogenní bakterie, na které musí reagovat imunitní reakcí, a přirozenou mikroflóru trávicího traktu, kterou musí tolerovat. Obě skupiny mikroorganismů se z pohledu specifické imunity jeví jako antigenní. Teoreticky by tedy měla následovat rovnocenná imunitní reakce na obě skupiny mikroorganismů. Rozhodnutí přinese buňka vrozené imunity, která identifikuje signály nebezpečí PAMP patogenních mikroorganismů, jejich antigeny zpracuje, prezentuje lymfocytům T a připraví kontext rozpoznávání tak, aby lymfocyty T účinně proliferovaly a efektorově působily. Avšak bakterie přirozené mikroflóry buňka vrozené imunity střevní sliznice vyhodnotí jako bezpečné, nebude je internalizovat, nebude je zpracovávat a nebude je prezentovat T lymfocytárnímu systému. T lymfocytární odpověď se neuskuteční.

Z této velmi zjednodušené zkratky jasně vyplývá, že komplexní pohled na fungování imunitní soustavy jako podstatné části komplexní reakce těla na signály nebezpečí, tj. zánětu, dostaneme pouze tehdy, pokud znalosti o specifické i vrozené imunitě spojíme do integrálního celku. Takové téma by mohlo být předmětem dalších přehledných článků. Celou věc navíc komplikuje skutečnost, že jde-li o zánětovou reakci, v současné době už nemůžeme oddělovat buňky imunitní soustavy od působení jiných buněčných typů těla. Dostáváme se do velmi komplexní a velmi obtížné situace, která však pro současnou medicínu představuje velkou výzvu. Popsání jevů, o kterých se píše v komentovaném článku i v tomto komentáři, dává totiž dobrý základ pro terapeutické zásahy, které již nyní umožňují ovlivňovat především imunopatologické procesy či stimulovat imunitní systém s cílem pomoci nemocným.

Zdroj: Medicína po promoci