Samenvatting verplichte stof deel 1

Deze samenvatting is gebaseerd op het studiejaar 2013-2014.

Thema 1: The immune system and its opponents

Pathology, Robbins and Cotran Pathologic Basis of Disease, hoofdstuk 1: Cellulaire reacties

(Blz. 4-41)

Cellulaire reacties
Pathologie verklaart waarom signalen en symptomen zich voordoen. Dit vormt de basis voor zorg in de kliniek en therapieën. De vier aspecten van het ziekteproces vormen de kern van de pathologie. Hieronder vallen de oorzaak (etiologie), de mechanismen achter de ontwikkeling ervan (pathogenese), de biochemische en structurele veranderingen (moleculair en morfologisch) en de functionele consequenties (klinische manifestatie).

Onder de etiologie vallen twee soorten factoren: genetische (mutatie, ziekte-geassocieerde variaties in het gen, polymorfisme) en verworven (infectieus, voeding, chemisch, psychisch).

De meeste ziekten worden door meerdere factoren veroorzaakt, waaronder zowel externe als genetische factoren.
Pathogenese wijst op de opeenvolging van gebeurtenissen, die tot een respons leiden, van stimulus tot uiteindelijk het tot expressie komen van de ziekte. Dit speelt een belangrijke rol binnen de pathologie, omdat de oorzaak alleen nog niet vertelt wat de functie van bijvoorbeeld het desbetreffende gen is.
Morfologisch wijst op een verandering in structuur van een cel of weefsel. Dit kan kenmerkend zijn voor een bepaalde ziekte of etiologisch proces. Moleculaire analyse kan de genetische verschillen weergeven tussen bijvoorbeeld twee tumoren. Op deze manier is het ook het gedrag en daarmee de reactie ervan op verschillende therapieën te voorspellen.
Klinische manifestatie is het optreden van functionele abnormaliteiten (symptomen), welke worden veroorzaakt door genetische, biochemische en structurele veranderingen.

De condities van een normale cel worden binnen een nauw bereik op een contante toestand gehouden. Dit noemen we homeostase. Adaptatie is het reversibel aanpassen van een cel aan fysiologische stress of pathologische stimuli. Dit kan doordat een cel groter wordt (hypertrofie), functioneel actiever, vermeerdert in aantal (hyperplasie), kleiner en minder actief wordt (atrofie) of in fenotype verandert (metaplasie). Er ontstaat celschade wanneer de cel zich niet verder kan adapteren of door blootstelling aan schadelijke stoffen of stress.

Als de stimulus blijft of in het begin al erg sterk was, is deze schade irreversibel en sterft de cel af. Adaptatie, reversibele celschade en celdood zijn stadia in het proces van een progressieve stoornis. Er zijn veel verschillende oorzaken, die kunnen leiden tot celdood. Dit kan op twee manieren gebeuren, namelijk door necrose en apoptose.
Voedseltekort stimuleert een adaptieve reactie genaamd autofagie. Stress induceert veranderingen in de cel anders dan de typische adaptaties. Deze metabolische veranderingen of chronische veranderingen gaan vaak gepaard met intracellulaire ophoping van bepaalde stoffen.

Bij hypertrofie worden de cellen groter, door verhoogde productie van cellulaire eiwitten, waardoor de grootte van het orgaan ook toeneemt. Hypertrofie kan fysiologisch of pathologisch ontstaan doordat het functioneel nodig is of door stimulatie van hormonen en groeifactoren. In spieren gebeurt dit vooral, wanneer ze meer worden belast. Hierop reageert de spiercel door meer myofilamenten aan te maken. In de uterus stimuleren hormonen de groei van de uterus tijdens een zwangerschap. Mechanische sensoren (stimulus: verhoogde last) groeifactoren en agonisten induceren samen de verhoogde synthese van eiwitten voor spieren. Hypertrofische cellen kunnen tevens de vorm van het samentrekkende eiwit veranderen in een foetale of neonatale vorm. De genen, die destijds tot expressie kwamen, worden namelijk niet meer down-gereguleerd. Als vergroting van de spier niet meer opweegt tegen de verhoogde last, ontstaan degressieve veranderingen zoals afbraak en verlies van vezels door apoptose of necrose. Onder selectieve hypertrofie valt ook selectieve hypertrofie van een suborganel in de cel. Het endoplasmatisch reticulum kan bijvoorbeeld gaan hypertrofiëren als adaptieve reactie op bepaalde medicijnen, waardoor er meer enzymen beschikbaar zijn om het af te breken. De adaptatie zorgt ervoor dat het lichaam de volgende keer minder op dit medicijn reageert.

Hyperplasie is een toename in het aantal cellen. Hypertrofie en hyperplasie komen vaak samen voor, doordat ze reageren op dezelfde externe stimulus. Wanneer de cel niet alleen in staat is om groter te worden, maar zich ook kan delen, zullen beide processen optreden. Hartspierweefsel is niet in staat om zich te delen. Je hebt twee soorten fysiologische hyperplasie. Hormonale hyperplasie (puberteit; proliferatie klierepitheel in de borsten) zorgt voor een betere functionele capaciteit van het weefsel, terwijl compenserende hyperplasie (in de lever) ervoor zorgt dat bepaald weefsel weer aangroeit na beschadiging of een medische uitsnijding. Een overmaat aan hormonen of groeifactor veroorzaakt de meeste vormen van pathologische hyperplasie. Er is hier dan sprake van een gecontroleerde verstoorde balans, die verdwijnt als de hoeveelheid hormonen/groeifactor vermindert. Een mutatie in genen die de celdeling regelen, kan echter tot kanker kan leiden. Pathologische hyperplasie kan wel als voedzame bodem dienen voor kanker, waardoor patiënten met hyperplasie in het endometrium wel een verhoogde kans op kanker hebben. Virale infecties hebben ook als kenmerkende reactie het ontstaan van hyperplasie, doordat ze cellen beïnvloeden die groeifactor aanmaken. Dit stimuleert proliferatie van cellen of het ontstaat wanneer de output van stamcellen vergroot in geval van bijvoorbeeld letsel.

Atrofie is het verkleinen van een orgaan doordat het afneemt in hoeveelheid of grootte van cellen. Fysiologische atrofie vindt gedurende het hele leven plaats. Pathologische atrofie kan ontstaan door verschillende oorzaken:

• Verminderde belasting

• Bedrust/Tijdelijk niet gebruiken leidt tot reversibele hypotrofie

• Na langere tijd vindt er zowel hyperplasie door apoptose als hypertrofie plaats

• Verminderde innervatie

• Verminderde bloedtoevoer

• Ouderdomsatrofie ontstaat in de hersenen op late leeftijd door atherosclerose

• Tekort aan voedingsstoffen

• Bij extreem voedseltekort worden spieren als brandstof opgebruikt

• Patiënten met chronische ontstekingsziekten en kanker hebben een overschot aan TNF, wat de eetlust vermindert en vetten uitput, wat ook leidt tot spieratrofie

• Verminderde endocriene stimulatie

• Verlies aan oestrogenen (stimulatie) leidt tot menopauze; atrofie weefsel

• Druk

• Compressie veroorzaakt in omliggende gebieden atrofie (tumor)

Cellulaire veranderingen zijn overal gelijk. Ze worden kleiner in grootte en organellen, waardoor de cel minder nodig heeft om te overleven en dus alleen een verlies heeft in functie.

Atrofie ontstaat wanneer er te weinig eiwitten worden aangemaakt en teveel afgebroken. Een verlaagde metabolische activiteit vermindert de productie en de ubiquitine-proteasoom pathway zorgt voor de versterkte afbraak. Voedseltekort of verminderde belasting stimuleert namelijk de koppeling van cellulaire eiwitten aan het kleine peptide ubiquitine, waarna het in de proteasoom wordt afgebroken. Autofagie, het proces waarbij een ‘verhongerde’ cel zichzelf opeet op zoek naar voedingsstoffen, gaat vaak samen met atrofie. Autofagische vacuolen bevatten componenten van de cel en kunnen fuseren met een lysosoom. Lysosomale enzymen kunnen verteren deze componenten of ze blijven over waarna ze als sarcofagen in het cytoplasma aan het celmembraan gekoppeld liggen. Bruine atrofie is de verkleuring van het weefsel door een grote hoeveelheid van deze restlichaampjes in sarcofagen.
Metaplasie is een reversibele verandering van een type gedifferentieerde cel in een ander type. De meest voorkomende verandering is van kolomvormig naar plaveiselepitheel en ontstaat na chronische irritatie, zoals in de luchtpijp bij rokers, omdat dit beter kan overleven onder deze omstandigheden. Dit is dus een vorm van adaptatie, waarbij beschermingsmechanismen wel verloren kunnen gaan. Deze factoren voor het ontstaan van metaplasie, geven ook aanleiding tot het ontwikkelen van kwaadaardige transformaties in dit epitheel. Metaplasie ontstaat door het reprogrammeren van stamcellen in normaal weefsel of in niet-gedifferentieerde mesenchymale cellen in het bindweefsel. De voorlopercellen doorlopen dus diffentiatie via een nieuwe pathway. Cytokinen, groeifactoren en componenten in de extracellulaire matrix stimuleren de expressie van bepaalde genen en bepalen zo waartoe een cel zich uiteindelijk zal ontwikkelen.

Celschade en celdood
Celschade is het gevolg van stress, die dermate groot is dat de cel zich niet langer kan adapteren, blootstelling aan schadelijke stoffen of intrinsieke abnormaliteiten.
Er is sprake van reversibele celschade, wanneer de schade verdwijnt als je de stimulus weghaalt. Dit zie je meestal in vroegere stadia of milde vormen van schade. Een van de kenmerken hiervan is een verminderde oxidatieve fosforylatie, waardoor er ook minder energie in de vorm van ATP kan worden opgeslagen. Daarnaast zwelt de cel op door veranderingen in ionconcentratie en de influx van water, wat ook tot verandering in de intracellulaire organellen kan leiden.
Door constante beschadiging verandert de cel irreversibel en sterft de cel af (celdood).
Dit kan met behulp van twee mechanismen: necrose en apoptose. Bij necrose is het membraan ernstig beschadigt, dringen lysosomale enzymen de cel binnen, verteren deze en de componenten van de cel lekken naar buiten. Dit is altijd pathologisch. Als het DNA of de cellulaire eiwitten onherstelbaar beschadigd zijn, dood de cel zichzelf. Hierbij ontbindt de kern zich en valt de cel verder in fragmenten uiteen. Dit maakt het makkelijk om de stukjes te verwijderen. Apoptose is ook een normaal functioneel proces en heeft dus niet altijd iets te maken met celschade. Tot slot kan celdood ook het resultaat zijn van autofagie.

Oorzaken celschade
De meeste oorzaken voor celschade zijn in te delen in een aantal groepen:

• Te weinig zuurstof (Hypoxie)
  Afhankelijk van de ernst ondervindt een cel veranderingen, schade of sterf af. Dit kan ontstaan door een verminderde bloedstroom (ischemie), slechte zuurstofvoorziening of verminderde capaciteit van bloed om zuurstof mee te nemen.

• Fysische factoren
  Omgevingsfactoren, die celschade kunnen veroorzaken, zijn bijvoorbeeld extreme temperaturen (verbranden/bevriezen), plotselinge veranderingen in luchtdruk of straling.

• Chemische factoren en drugs
  Wanneer stoffen in hypertonische concentraties voorkomen, de ionbalans verstoren, giftig of in te hoge dosis aanwezig zijn (alcohol,medicijnen) kan dit de cel ook schade aanbrengen.

• Besmettelijke stoffen
  Dit gaat van submicroscopische virussen tot bacteriën, schimmels en zelfs wormen en veroorzaken ieder op een verschillende manier schade.

• Immunologische reacties
  Schadelijke reacties op lichaamseigen stoffen (auto-immuunziekte) en afweerreacties kunnen de cel of het weefsel ook schade aanrichten

• Genetische stoornissen
  Genetische abnormaliteiten kunnen celschade veroorzaken doordat bepaalde functionele eiwitten niet goed werken. Daarnaast kan het de gevoeligheid voor chemicaliën of andere omgevingsfactoren beïnvloeden.

• Verstoorde voedselbalans
  Verstoorde voedselbalans is de voornaamste oorzaak voor celbeschading. Zowel in derde wereld landen waar er een tekort aan is, ook aan vitaminen. Maar ook een overmaat leidt tot atherosclerose en obesitas wordt geassocieerd met verschillende ziekten.

Het duurt een even voordat een bepaalde oorzaak tot morfologische verandering leidt. Deze tijd hangt af van de sensitiviteit die verschil per methode. Daarnaast duurt het langer voordat necrose optreedt dan andere reversibele veranderingen. De meest gebruikelijke stimuli leiden via necrose tot celdood. Apoptose heeft een meer unieke functie.

Een belangrijk kenmerk van reversibele schade zijn opgezwollen cellen en organellen, blaasjes in het membraan, het loslaten van ribosomen van het endoplasmatisch reticulum (ER) en samenklonteren van chromatine in de kern. Het opzwellen is een resultaat van de verstoorde ion- en vloeistofbalans, doordat de ionpompen niet meer goed werken. Daarnaast ontstaan vaak vetvacuolen met vet in cellen die een rol spelen in het vetmetabolisme.

Je treft dus op 4 plaatsen in de cel structurele veranderingen aan: plasmamembraan (verlies microvilli/blaasjes), mitochondrium (gezwollen), ER (vergroot), kern (opsplitsing).

Necrose is het gevolg van het verlies van ruimtelijke structuur van intracellulaire eiwitten (denaturatie) en enzymatische vertering van de dodelijk beschadigde cel. Necrotische cellen kunnen hun membraan niet goed meer in stand houden, waardoor delen vaak de cel uit lekken. De enzymen die de necrotische cel vervolgens verteren zijn afkomstig uit de lysosomen van de cel zelf en leukocyten als reactie op de ontstekingsreactie. Vertering van componenten van de cel duurt uren, waardoor veranderingen in de cel niet altijd meer zichtbaar kunnen zijn. Sommige componenten kun je echter 2 uur later al wel in het bloed terugvinden. Wanneer de organellen in het cytoplasma zijn verteerd, krijg je vacuolen in het cytoplasma. De dode cellen worden vervangen door een dubbele laag fosfolipen, zogenaamde myeline ‘figuren’, welke fagocytose ondergaan of verder afgebroken worden tot vetzuur. Deze vetzuren verkalken uiteindelijk.
Nucleaire veranderingen treden op 3 manieren op: Karyolyse duidt op het verliezen van DNA, pyknose is het verschrompelen van de kern en de toename van basofielen en bij karyorrhexis valt de irreversibel gecondenseerde (pyknotische) kern in fragmenten uiteen.

De verschillende morfologische patronen van necrose geven aanwijzingen over mogelijke oorzaken. Bij coagulatie necrose blijft het dode weefsel dagen of weken onaangetast, doordat niet alleen de structurele eiwitten, maar ook enzymen voor proteolyse zijn aangedaan. Uiteindelijk zorgt fagocytose van de cellulaire restjes voor het opruimen van de cel. Dit gebeurt door ischemie ten gevolge van een obstructie, behalve in het brein. Het gebied waar coagulatieve necrose optreedt, noemen we een infarct. Vervloeiende necrose zorgt juist voor een snelle vertering van dode resten, waarbij een vloeibare viscoos mengel (pus) ontstaat, doordat microben (bacteriën, schimmel) de ophoping van leukocyten stimuleren. Gangreen necrose is een combinatie van coagulatieve en liquefactieve necrose, waarbij ischemie voor schade zorgt en de patiënt een bacteriële infectie ter plaatse heeft. Hetgeen zich hierbij vormt noemen we koudvuur of gangreen. Verkazende necrose ontstaat meestal in het centrum van een tuberculose infectie. In het midden bevinden zich afgebroken cellen vormloze granulacellen met daaromheen een grens van inflammatoire cellen. Dit noemen we een granuloma.
Een pancreatitis kan vetnecrose veroorzaken, doordat lipasen uit de pancreas lekken en de membranen van vetcellen in het peritoneum en de tryglyceride-esters, die erbinnen lagen, afbreken. Deze vetzuren vormen met calcium grote witte gebieden (vet verzeping).
Fibrine-achtige necrose komt voor bij immunologische reacties met bloedvaten. Wanneer complexen van antigenen of antilichamen in de wand in aanraking komen met fibrine die uit de vaten lekt, vormt zich een heldere vormloze roze stof in de haematoxiline-eosine kleuring, genaamd fibrinoïd.
Necrotisch weefsel, wat het lichaam niet goed verteerd en reabsorbeerd, trekt calciumzouten en andere mineralen aan. Dit wordt dystrofische verkalking genoemd.

Mechanismen die celschade veroorzaken

Er zijn een aantal elementen, die in de meeste vormen van celschade voorkomen:

• De cellulaire reactie hangt af van het soort, de duur en de ernst van de schade.

• De concequenties hangen af van het type, de staat en de mogelijkheid tot adapteren van de cel.

• Verschillende biochemische mechanismen die aangrijpen op essentiële cellulaire componenten veroorzaken de celschade.

• Iedere schadelijke stimulus triggert ook meerdere onderling verbonden mechanismen die andere cellen weer schade aan kunnen brengen.

Er zijn twee manieren om ATP te produceren. Het meeste gebeurt via oxidatieve fosforylatie van ADP en de rest door glycolyse. Voor glycolyse is geen zuurstof nodig. De meest voorkomende oorzaken voor uitputting van ATP zijn verminderde toevoer van zuurstof en voedingsstoffen, schade aan mitochondriën en het gedrag van giftige stoffen. Waarbij weefsels met de minst glycolytische capaciteit lijden het ergst onder zuurstoftekort.
Vermindering van de hoeveelheid ATP met 5-10 % heeft al tot gevolg:

• Verminderde activiteit van de natrium-kaliumpomp, waardoor er meer natrium met water de cel in diffundeert, deze opzwelt en het endoplasmatisch reticulum dilateert.

• Veranderd cellulair energiemetabolisme, doordat de ischemie zorgt voor een tekort aan zuurstof, dat betekent minder oxidatieve fosforylatie en meer anaerobe glycolyse. De glycose voorraad raakt op en er ontstaat meer lactaat, wat de cellulaire pH verlaagt.

• Calciumpompen falen, wat tot meer Ca²+ influx leidt en beschadiging van cellulaire componenten

• Minder eiwitsynthese, doordat de ribosomen zich losmaken van het rER en polysomen splitsen ten gevolge van de langdurige uitputting van ATP.

• Ongevouwen eiwitten, een reactie getriggerd door misvormde eiwitten, die geen/minder zuurstof en glucose bevatten. Dit kan leiden tot celschade of celdood

• Necrose van mitochondriën en lysosomen, doordat de membranen irreversibel beschadigd zijn

Mitochondriën leveren energie in de vorm van ATP en spelen een rol in celschade en celdood. Ze raken beschadigd door een toename aan Ca²+ in het cytosol, reactieve zuurstofverbindingen en zuurstoftekort. Twee gevolgen van schade aan mitochondriën zijn:

1. Mitochondriële permeabiliteitstransitieporie. Door de porie gaat de membraanpotentiaal verloren en daarmee de oxidatieve fosforylatie, wat tot steeds verdere uitputting van ATP leidt en uiteindelijk necrose van de cel.

2. Apoptose van de cel, doordat tussen het binnenste en buitenste membraan cytochroom c en eiwitten liggen. Deze activeren de enzymen (caspases), die apoptose induceren. Wanneer deze weglekken in het cytosol, ondergaat de cel apoptose

Toename van intracellulair Ca²+ brengt de cel schade toe via de volgende mechanismen:

• De mitochondriële permeabiliteitstransitieporie gaat open bij een ophoping van Ca²+ in de mitochondriën, wat ervoor zorgt dat er geen generatie van ATP plaatsvindt.

• Het activeert een aantal enzymes, waaronder fosfolipase, protease, endonuclease en ATPase, die voor membraan-, eiwit- en DNA-schade zorgen.

• Het induceren van apoptose door caspases te activeren en de permeabiliteit van de mitochondriën te verhogen

Vrije radicalen zijn chemische stoffen die een ongepaard elektron bevatten en autokatalytische reacties in gang zetten, wanneer ze met zichzelf reageren. Zo ontstaat een keten aan schade. Mitochondriën maken tijdens het opwekken van energie reactieve zuurstoffen (ROS), radicalen, die beschermingsmechanismen weer afbreken en verwijderen. Tevens maken leukocyten, en dan met name neutrofielen en macrofagen, ook ROS aan. Wanneer de concentratie van deze ROS stijgt, krijg je oxidatieve stress. Dit is een proces dat voorkomt bij celschade, kanker, veroudering en degeneratieve ziekten.

Vrije radicalen worden op verschillende manieren gegenereerd:

• Tijdens de normale omzetting van O₂ naar H₂O worden gedeeltelijk tussenproducten geproduceerd, die ongepaarde elektronen bevatten, doordat er telkens een verschillend aantal elektronen van zuurstof wordt afgehaald.

• De absorptie van stralingsenergie kan ook vrije radicalen vormen

• Bij een ontsteking maken geactiveerde leukocyten veel ROS aan, waarvan sommige intracellulaire oxidases O₂ genereren met één ongepaard elektron.

• Het enzymatische metabolisme van exogene chemicaliën of medicijnen kan ook vrije radicalen genereren. Dit zijn geen ROS, maar werken wel hetzelfde.

• Overgangs metalen (zoals koper en ijzer) kunnen elektronen afstaan of opnemen. Bij deze reactie katalyseren ze de vorming van vrije radicalen.

• NO (stikstofoxide) kan zelf ook als een vrij radicaal functioneren

Deze vrije radicalen zijn niet stabiel en reageren met water spontaan tot O₂ en H₂O₂. Verder heeft het lichaam een aantal (niet-)/enzymatische mechanismen om ze te verwijderen:

• Antioxidanten voorkomen vorming of maken ze inactief

• Reactieve ionen zijn maar in lage concentraties in het bloed aanwezig, doordat ze aan transport- en opslageiwitten gekoppeld worden, wat de vorming van ROS vermindert.

• Een aantal enzymen verwijderen radicalen door superoxide (O₂ met een vrij elektron) en H₂0₂ af te breken. Hiertoe behoren:

1. Catalase (in peroxisoom): 2H₂O₂  O₂ + 2H₂O

2. Superoxide-dismutasen (SODs) in de mitochondriën en het cytosol:
   2O₂ (superoxide) + 2H  2H₂O₂ + O₂

3. Glutathion peroxidase katalyseert de afbraak van vrije radicalen ook. Daarbij zegt de ratio GSH (voorproduct)/GSSG iets over de capaciteit van de cel om ROS onschadelijk te maken.

Vrije radicalen kunnen tot onder andere 3 relevante pathologische reacties leiden:
1. Peroxidatie van membraanvetten. Dit gebeurt wanneer vrije radicalen afkomstig van O₂ in aanraking komen met onverzadigde vetzuren. Deze peroxiden zijn onstabiel en leiden zo tot een keten aan reacties, propagatie genaamd.
2. Oxidatieve verandering van eiwitten. Vrije radicalen stimuleren de oxidatie van zijketens van aminozuren, waardoor de confirmatie verandert, actieve bindingsplaatsen verloren gaan en de afbraak van misvormde eiwitten in de proteasomen verhoogt.
3. Schade aan het DNA.

Het membraan, en daarmee de permeabiliteit, raakt op verschillende manieren beschadigd:
- ROS
- Verminderde synthese van fosfolipiden; Dit kan een gevolg zijn van een defect aan het mitochondrium of door hypoxemie, wat beiden leidt tot een verminderde productie van ATP.
- Versterkte afbraak van fosfolipiden; Een verhoogde Ca²+ concentratie, veroorzaakt tot ernstige celschade, activeert namelijk de endogene fosfolipasen.
- Abnormaliteiten in het cytoskelet; De verhoogde Ca²+ concentratie activeert ook proteasen, die het cytoskelet aantasten, waardoor het celmembraan van het cytoskelet loslaat.

Mitochondriële membraanschade leidt tot verminderde ATP productie en release van eiwitten, die apoptose op gang brengen. Schade aan het plasmamembraan verstoort de osmotische balans en leidt tot het verlies van cellulaire inhoud. Bij schade aan de lysosomale membranen lekken enzymen naar buiten, die complete vertering katalyseren, waardoor de cel door necrose afsterft.
Oxidatieve stress en vrije radicalen veroorzaken dermate ernstige schade aan DNA en eiwitten, dat deze irreversibel is, ondanks de aanwezigheid van herstelmechanismen.

Ischemie veroorzaakt sneller en ernstigere schade dan hypoxemie, omdat hierbij niet alleen de aerobe, maar ook de anaerobe glycolyse gestoord is. Dit leidt tot veel van de hierboven genoemde biologische veranderingen, maar is reversibel, wanneer het zuurstofgehalte weer op peil is. Als een staat van ischemie aanhoudt, ondervindt de cel wel irreversibele schade en necrose.
Het herstellen van de perfusie in ischemisch weefsel kan tot extra schade leiden, doordat nieuwe schadelijke processen gaan werken. Reoxigenatie verhoogt namelijk de vorming van reactieve zuur- en stikstoffen, de verhoogde productie van cytokines en expressie van hechtingsmoleculen veroorzaakt ter plekke ontstekingen en IgM antilichamen hebben de neiging om in ischemisch weefsel te gaan zitten. Hier binden ze aan eiwitten en zorgt de activatie voor nog meer schade en ontstekingen.

Chemicaliën veroorzaken schade via twee mechanismen:
- Direct, door samen te voegen met belangrijke moleculaire componenten; Alleen de cellen die deze stoffen gebruiken, absorberen of uitscheiden lijden hieronder
- Indirect, doordat ze pas in het ER van de lever omgezet worden in reactieve giftige metabolieten; Deze schade ontstaat voornamelijk door de formatie van vrije radicalen.

Apoptose is een gereguleerd zelfmoordmechanisme, wat ervoor zorgt dat de cel in stukjes wordt afgebroken en afsterft, voordat er iets uit kan lekken, waardoor geen ontstekingsreacties ontstaan. Dit proces is erop gericht cellen om onnodige cellen te verwijderen. Het is belangrijk bij de volgende fysiologische processen: vernietiging van cellen tijdens embryogenese, herstellen van hormoon-afhankelijk weefsel, verlies van cellen bij prolifererend weefsel om het aantal gelijk te houden, eliminatie van schadelijke zelf-reactieve lymfocyten en doden van gastcellen die hun werk gedaan hebben (neutrofielen/lymfocyten).

Apoptose doodt alleen cellen die irreversibel (pathologisch) beschadigd zijn. Dit gebeurt bij DNA schade, ophoping van niet goed gevormde eiwitten, celdood door bepaalde infecties en pathologische atrofie van weefsel na een obstructie.

Zichtbare kenmerken van apoptose zijn: het krimpen van de cel, condensatie van chromatine, blaasjes in het cytoplasma, die daarna apoptotische lichaampjes vormen, en fagocytose. Er zijn een aantal biochemische veranderingen die hiervoor zorgen.
Zo wijst de aanwezigheid van actieve caspases op apoptose in een cel. Tevens gebeurt de afbraak van eiwitten en DNA op een specifieke manier, wat niet het geval is bij necrose. Specifieke membraanveranderingen zorgen ervoor dat fagocyten de dode cellen kunnen herkennen.
Te veel of te weinig apoptose kan de oorzaak voor bijvoorbeeld degeneratieve ziekten en kanker. Nu kun je apoptose in twee fasen onderverdelen: de initiatiefase en de uitvoerende fase. De initiatiefase komt op gang door signalen van twee verschillende pathways.
De intrinsieke (mitochondriële) pathway is het belangrijkste mechanisme en bevat Bcl-sensoren, -effectoren en regulatoren, die het lekken van apoptose stimulerende moleculen (cytochroom c) veroorzaken. Deze binden vervolgens met initiatie cascasen en activeert zo de uitvoerende caspasen. De extrinsieke (‘dood’-receptor) pathway treedt in werking wanneer een ‘dood’-receptor op het plasmamembraan een verbinding met een cel aangaat. De receptoren vallen onder de ‘TNF-familie’ en bevatten een ‘dood-domein’. Na binding aan de receptor, gaan meerdere receptoren bij elkaar liggen waardoor de ‘dood’-domeinen een verbinding met elkaar aangaan om zo een hechtingsplaats te vormen voor een adaptoreiwit. Dit bindt uiteindelijk aan caspasen die de apoptose uitvoeren. Wanneer zo’n initiatie caspase zicht splitst en zij actieve vorm krijgt, zet hij de uitvoerende caspasen in werking.
De apoptotische cel splitst in dermate kleine delen en ondergaan membraanveranderingen waardoor ze fagocytose stimuleren. Macrofagen produceren zelf deeltjes die aan apoptotische cellen binden.

Als er teveel of te weinig apoptose plaatsvindt, kunnen er ziekten ontstaan. Te weinig apoptose zorgt ervoor dat abnormale cellen, zoals DNA-mutaties, overleven. Dit kan kanker veroorzaken. Daarnaast overleven ook cellen, die lichaamseigen cellen aanvallen. In dat geval is er sprake van een auto-immuunziekte. Een teveel aan apoptose leidt tot een verlies aan cellen, wat neurodegeneratieve ziekten en ischemische schade veroorzaakt.

Autofagie is een proces dat optreedt ten tijde van voedselschaarste, waarbij een stervende cel een andere opeet om te overleven. Hierbij worden intracellulaire organellen en het cytosol in kleine stukjes verdeeld, vervolgens van het cytoplasma gescheiden in een autofagische vacuole, die later met een lysosoom tot een autofagolysosoom fuseert. Tot slot kunnen de lysosomale enzymen dan de cellulaire componenten verwerken.

Abnormale intracellulaire ophopingen van een bepaalde stof kunnen ook schade toebrengen aan een cel. Deze kunnen endogeen of exogeen en tijdelijk of permanent zijn. Het cytoplasma en de celkern kunnen bestandsdeeltjes opslaan. De meeste abnormale vormen van ophoping zijn onder te verdelen in 4 types:

1. De productie van een normaal endogeen bestandsdeel is gelijk of verhoogd, maar het kan niet snel genoeg verwijderd worden.

2. Een gemuteerd gen zorgt voor de vorming van een abnormale endogene stof, die zich niet goed kan vouwen en de cel niet kan afvoeren

3. Een enzymdefect, meestal erfelijk, zorgt ervoor dat een normaal bestandsdeel niet goed afgebroken kan worden

4. Een abnormale exogene stof treedt binnen, die door de cel niet afgebroken of getransporteerd kan worden

Steatose (vetverandering) duidt op een abnormale ophoping van triglyceriden en komt vaak voor in de lever. Belangrijke oorzaken zijn alcoholmisbruik, diabetes mellitus en obesitas. Katabolisme breekt normaal vrije vetzuren in de lever af tot cholesterolesters, fosfolipiden of ketonlichaampjes. Bij een defect ontstaan uit vetzuren triglyceriden. Apo-eiwitten kunnen deze weer omzetten in lipide-eiwitten, die buiten de lever opslagen kunnen worden als vet. Cellen gebruiken cholesterol voor de synthese van het celmembraan. Alleen pathologische processen zorgen ervoor dat de cel cholesterol of cholesterolesters intracellulair opslaat. Dit gebeurt bij atherosclerose (vetvacuolen in de intimalaag van bloedvaten), xanthomen (in bindweefsel in huid/pezen), choresterolose (lamina propia van de galblaas) en de ziekte van Niemann-Pick type C (mutatie, meerdere organen)

Een overmaat aan opslag van eiwitten in de cel kan een gevolg zijn van:

• Teveel reabsorptie in de renale buis; dit is een compensatoir mechanisme van het lichaam, wanneer er sprake is van teveel eiwitten in de urine.

• Een plasmacel produceert extreme hoeveelheden eiwit, die normaal worden gesecreteerd, wanneer er een actieve synthese van immunoglobulinen plaats moet vinden (lichaampjes van Russel)

• Een defect in het intracellulaire transport en daarmee de secretie van belangrijke eiwitten.

• Ophoping van eiwitten van het cytoskelet; dit ontstaat als gevolg van schade aan de cel of bepaalde ziekten, zoals Alzheimer;

• Aggregatie van abnormale eiwitten

Een overmaat aan glycogeen komt voor bij patiënten met een defect in hun glucose of glycogeen metabolisme, wat resulteert in een intracellulaire overmaat, zichtbaar als heldere vacuoles in het cytoplasma.

Pigmenten kunnen exogeen of endogeen zijn. Voorbeelden van exogene pigmenten zijn koolstof en tattoos. Wanneer je koolstof inademt, pikken macrofagen dit op en brengen het via lymfatische kanalen naar de lymfeknopen. Deze worden zwart als je teveel inademt.

Daarnaast bestaan een aantal endogene pigmenten. Lipofuscine is een bruine pigmentkorrel, die de aanwezigheid van regressieve veranderingen in weefsel markeert.

Melanine is bruinzwart van kleur. Het goudgeel-kleurige hemosiderine, afkomstig van hemoglobuline, geeft een overmaat in opgeslagen ijzer aan. Wanneer je het ijzer van haem afhaalt, krijg je biliverdine en wordt het groen.

Er zijn twee vormen van pathologische verkalking: Bij dystrofische verkalking vindt de afzetting van calcium plaats in necrotische gebieden. Schade aan het membraan zou ervoor zorgen dat calcium in membraan gebonden vesikels wordt geconcentreerd. Allereerst bindt calcium aan fosfolipiden en binden osfatasen die een fosfaatgroep vormen aan het calcium. Dit herhaalt zich een aantal keer, waarna het geheel structureel verandert tot een microkristal, die zorgt voor nog meer afzetting van calcium. Metastatische verkalking is het afzetten van calcium in normaal weefsel, wanneer er sprake is van een hypercalciëmie. Dit is het gevolg van (1) een toegenomen secretie van het parathyroïd hormoon (PTH), (2) vernietiging van weefsel in het beenmerg, (3) vitamine D gerelateerde aandoeningen of (4) nierfalen. Het kan overal in het lichaam optreden, maar dit komt het meest voor in tussenliggend weefsel van de maag, nieren, longen en bloedvaten, waar excretie van zuur plaatsvindt.

Cellulaire veroudering is een progressieve vermindering in functie en leefbaarheid door genetische abnormaliteiten en ophopingen van cellulaire en moleculaire schade.

Veranderingen, die een bijdrage leveren in de veroudering van cellen, zijn:

• Verminderde cellulaire replicatie; cellen bereiken een staat, waarna ze zich niet meer kunnen delen (veroudering). Dit komt mogelijk doordat het DNA na iedere deling iets korter wordt. Jongere cellen ondervinden meer delingen dan oudere.

• Ophoping van metabolische en genetische veranderingen; Oxidatieve schade, veroorzaakt door vrije radicalen, neemt toe met de leeftijd van de cel.

Immunology, The Immune System, hoofdstuk 1: Het immuunsysteem

(Blz. 1-27)

De immunologie is de wetenschap die kijkt naar de mechanismen van bescherming tegen invasie door andere organismen. Deze organismen repliceren zich doorgaans zeer snel, waardoor zelfs kleine infecties in afwezigheid van een actief immuunsysteem zelfs fataal kunnen zijn. Het duurt even voordat de immuunreactie op gang komt, waardoor alle mensen infecties krijgen. Pas als een infectie is doorgemaakt, kan een persoon immuun worden voor dit organisme. Ditzelfde mechanisme wordt toegepast bij vaccinatie, oftewel immunisatie, maar dan met een versie van het organisme dat geen ziekte veroorzaakt.

De aangeboren immuniteit is de eerste afweer. Het bestaat uit anatomische en chemische barrières, en reacties die direct infecties stoppen zodra ze beginnen. Wanneer dit faalt, komt de verworven immuniteit op gang, deze werkt specifieker tegen het organisme zelf. Ook vormt deze na klaring langdurende immuniteit om herhaling te voorkomen.

Commensalen zijn de goedaardige micro-organismen die in de mens leven, in een volwassenen zijn het meer dan 500 soorten en wegen ze samen twee pond. E.Coli is bv een goedaardige die de darmen beschermt tegen andere koloniserende bacteriën. Na antibiotica vestigt zich een nieuwe flora, opportunisten zoals Clostridium Difficile kunnen dan veel kwaad. Het kan zorgen voor een pseudo-membraneuze colitis.

Pathogenen zijn alle organismen die potentieel ziekte kunnen veroorzaken. Opportunistische pathogenen zijn diegene die normaliter zonder problemen voorkomen en alleen bij een verminderde afweer of op een andere plek in het lichaam kwaad kunnen. Deze hoeven om ziekte te voorkomen dan ook niet uitgeroeid te worden, maar alleen teruggebracht naar normale niveaus.

Endemische ziekten zijn diegene die veel voorkomen in een populatie, maar over het algemeen overwonnen worden, vaak al op jonge leeftijd. Bijvoorbeeld de mazelen en malaria.

Aangeboren immuniteit
De eerste verdediging tegen infectie is de huid, een sterke impermeabele barrière van epitheel en keratinocyten. Het epitheel van luchtwegen, het maagdarmkanaal en de urinewegen worden ook door een dergelijke epitheellaag beschermd, maar deze mucosae zijn gevoeliger voor infecties omdat hun voornaamste doel is stofwisseling. De slijmlaag bevat daarom oa. Enzymen en proteoglycanen ter bescherming. Alle epithelia scheiden anti-microbiële stoffen uit: talg bevat vetzuren en lactaatzuren; tranen en speeksel bevatten lysozymen; en veel milieus zoals in maag, vagina en op de huid zijn zuur. Wanneer deze mechanische, chemische en microbiële mechanismen falen, komt het aangeboren immuunsysteem in actie en zorgt deze voor inflammatie.

Het aangeboren immuunsysteem reageert snel en zorgt dat de meeste infecties binnen een paar dagen zijn opgelost zonder ziek te worden. Ten eerste herkent het dat er een pathogeen is, via eiwitten en oppervlakte receptoren. Daarna zorgt het voor recrutering van vernietigende effectormechanismen. Deze bestaan uit producten van effector cellen en uit complementeiwitten die de pathogenen markeren en aanvallen. Bij bv een val, herkennen cellen en eiwitten in het beschadigde weefsel aanwezige bacteriën en sturen ze opslosbare eiwitten genaamd cytokinen om de aangeboren immuniteitsrespons op gang te brengen. De inflammatie bestaat uit calor (warmte), dolor (pijn), rubor (roodheid) en tumor (zwelling). De cytokinen zorgen voor lokale dilatatie van capillairen (calor en rubor), lekkage van vocht uit de capillairen (tumor en daardoor dolor).

Verworven immuniteit

Mensen met een slechte voedingstoestand, slaaptekort of anderszins stress hebben een grotere kans dat deze eerste afweer niet goed genoeg is. De aangeboren respons zorgt dan voor vertraging van de infectie, terwijl het lymfocyten (witte bloedcellen) rekruteert die een sterkere en specifiekere immuunrespons kunnen verzorgen. Dit is de verworven immuniteit.

Het grote verschil met de aangeboren immuniteit ligt in de oppervlakte receptoren op lymfocyten die de pathogenen herkennen, deze zijn allemaal van hetzelfde type maar wel erg pathogeenspecifiek. Alleen die lymfocyten met de juiste receptor wordt actief en differentieert om grote aantallen effectorcellen te produceren. Dit heet klonale selectie en klonale expansie. Deze reactie komt na ongeveer een week op gang.

Een aantal van de geactiveerde lymfocyten vormt het immunulogische geheugen, waardoor bij een volgende aanraking met het pathogeen een sneller en sterkere respons zal optreden. Deze respons wordt dan de secundaire immuunrespons genoemd.

Immuuncellen

Leukocyten (witte bloedcellen) zijn de voornaamste cellen van het immuunsysteem en ontstaan uit pluripotente hematopoëtische stamcellen. Deze zijn ook de voorloper van erythrocyten (rode bloedcellen) en megakaryocyten, welke de voorloper is van trombocyten (bloedplaatjes). Dit proces, de hematopoëse, is in de vroege embryo gelokaliseerd in lever en dooierzak, in de oudere foetus in de milt, vanaf de geboorte voornamelijk in beenmerg. Bij volwassenen is dit vooral beenmerg in schedel, ribben, sternum, wervelkolom, bekken en femur.

Een stamcel kan delen tot nieuwe stamcellen of zich ontwikkelen in een van drie lijnen:

• De erythroïde voorloper: erythrocyten en trombocytproducerende megakaryocyten

• Myeloïde voorloper:

  • granulocyten (= polymorphonucleaire leukocyten)

    • neutrofielen. Deze hebben een fagocyterende werking, wat betekent het kapselen en doden van micro-organismen. Hierdoor ontstaat pus.

    • eosinofielen: tegen wormen en parasieten

    • basofielen: tegen parasieten

  • Monocyten, macrofagen en dendritische cellen

    • Monocyten: voorloper van macrofagen. Macrofagen zorgen voor fagocytose en het opruimen van dode cellen. Ze zorgen voor de lokale respons tegen infectie en geven dmv cytokinen een signaal af naar andere cellen, zoals neutrofielen en andere leukocyten

    • Dendritische cellen: Zijn messengers die de verworven immuunrespons op gang brengen door het meenemen van pathogenen naar lymfeweefsel.

  • Mestcellen bevinden zich in alle bindweefsels. Degranulatie speelt een belangrijke rol bij inflammatie

• Lymfoïde voorloper:

  • Natural killer (NK) cellen: zorgen dat met name virale cellen zich niet kunnen verspreiden

  • Kleine lymfocyten zijn verantwoordelijk voor de verworven immuunrespons. Ze circuleren als kleine onvolwassen vorm en zijn degenen die een pathogeen herkennen en na 1-2 weken de verworven immuunrespons activeren:

    • B-lymfocyten/B-cellen: oppervlakteantigenen zijn immunoglobulinen

    • T-lymfocyten/T-cellen: oppervlakteantigenen zijn T-cel receptoren

      • Cytotoxische T-cellen: doden cellen met virussen of bacteriën er in. De functie lijkt op die van de NK cel in de aangeboren immuniteit.

      • T-helper cellen: zorgen dat andere cellen geactiveerd worden, zoals het activeren van B cellen naar plasma cellen. Plasmacellen produceren antilichamen

Binnen eenzelfde persoon zijn er miljoenen typen immunoglobulinen en T-celreceptoren.

NB. Bestudeer het microscopische uiterlijk van de verschillende cellen van het immuunsysteen. Bv Parham, The immune system. Blz 13, figuur 1.12

Lymfoïde cellen

Zowel B als T cellen ontwikkelen zich in eerste instantie in beenmerg. B cellen rijpen helemaal voor ze de circulatie in gaan, T cellen verlaten het immatuur en rijpen verder in de thymus. Beenmerg en thymus zijn de primaire lymfoïde organen. In secundaire lymfoïde organen worden al volwassen lymfocyten gestimuleerd om te reageren op pathogenen. Dit zijn Milt, adenoïden, tonsillen, appendix, lymfeklieren en de patches van Peyer in de darmen.

Lymfesysteem

Lymfevaten vangen in alle weefsels plasma op dat de vaten uit gelekt is. Ze brengen het lymfe via lymfeklieren en ductus thoracicus naar het bloed van de vena subclavia sinistra. Het lymfe wordt continue gecirculeerd van bloed via klier naar lymfevaten en vice versa. De milt is het enige lymfoïde orgaan dat alleen door bloed wordt voorzien. De lynfoïde cellen zijn continue in beweging, maar het grootste gedeelte bevindt zich in de lymfoïde weefsels en organen, slechts een klein gedeelte in bloed en lymfe.

Met name bindweefsels worden vaak aangedaan door infecties. De eerste drainerende lymfeklier ontvangt het vocht met pathogenen, pathogeen onderdelen en geïnfecteerde dendritische cellen. In de klier worden de dendritische cellen opgevangen en alle pathogene materiaal gefilterd om te voorkomen dat ze in het bloed komen en zodat ze de juiste lymfocyten kunnen activeren tot effector cellen. Door de activatie vindt proliferatie van cellen plaats en zwelt de klier op. De door dendritische cellen geactiveerde T cellen gaan naar de B cel follikels en helpen daar ze te activeren tot plasma cellen. De plasma cellen en effector T cellen gaan met efferente lymfe en bloed naar het geïnfecteerde weefsel.

Wanneer het pathogeen in het bloed zelf zit, dan wel door het type pathogeen, dan wel doordat het door de eerste klier heen is gebroken, is de milt het filtrerende orgaan. Naast de lymfoïde functie in het witte merg verwijdert de milt ook beschadigde en oude rode bloedcellen in het rode merg. Microbiële producten en micro-organismen worden door de milt macrofagen en dendritische cellen opgenomen, welke B en T cellen aantrekken uit het bloed.

Het ademhalingsstelsel en maag-darmkanaal komen het meeste in contact met micro-organismen. Daarom zijn zij voorzien van veel secundair lymfoïde weefsel. De gut-associated lymphoid tissues (GALT) bestaat uit tonsillen, adenoïden, appendix en Peyer's patches in de dunne darm. Het bronchial-associated lymphoid tissue (BALT) is iets minder georganiseerd. Ook verschillende mucosa hebben dergelijk weefsel in de vorm van mucosa-associated lymphoid tissue (MALT), welke bereikt wordt door M cellen in het epitheel.

Pathologie

Bij de genetische aandoening van asplenie hebben kinderen geen milt en zijn ze hierdoor erg vatbaar voor gekapselde bacteriën, bv Streptococcus Pneumoniae en Heamophilus Influenzae. Zij worden tegen deze aandoeningen subcutaan gevaccineerd. Van daar uit wordt de immuunrespons in de drainerende lymfeklieren gestimuleerd. Bij chirurgische verwijdering van de milt als gevolg van een trauma, wordt hetzelfde gedaan. Bij volwassenen is de splenectomie minder ingrijpend dan bij kinderen, omdat zij in hun leven al een beschermende immuniteit tegen veel pathogenen hebben ontwikkeld. Toch worden ook zij vaak gevaccineerd tegen met name Streptococcus Pneumoniae.

Immunodeficiënties zijn er in verschillende vormen, velen genetisch. Wanneer slechts een gen is aangedaan, kan meestal het andere gen compenseren en wordt dat eiwit nog wel geproduceerd. Bij twee afwijkende genen is een groter probleem. Wanneer een eiwit is aangedaan dat slechts een plek heeft in de immuunrespons, is de persoon alleen gevoeliger voor een bepaald type pathogeen. Wanneer de gehele verworven immuniteit defect is, is het probleem vele malen groter.

Acquired immune deficiency syndrome (AIDS) wordt veroorzaakt door het Human immunodeficiency virus (HIV). HIV zorgt dat T helper cellen worden aangetast. Gedurende de maximaal 20 jaar dat steeds minder T helper cellen actief zijn, wordt de patiënt steeds vatbaarder voor opportunistische infecties die in de gezonde mens geen schade aandoen.

Het complementsysteem

Het complementsysteem markeert pathogenen voor afbraak. Het is onderdeel van de aangeboren immuniteit en bevindt zich in bloed, lymfe en extracellulair en het bestaat uit eiwitten geproduceerd in de lever. Complement fixeert zich aan het oppervlak van pathogenen en maakt ze zo makkelijker te fagocyteren. Veel complementonderdelen zijn proteolytische enzymen die inactief als zymogenen circuleren. Er zijn drie verschillende activatiesystemen, allen zorgen voor C3 activatie, C3b depositie op het pathogene oppervlak en het aantrekken van andere effectormechanismen voor destructie. Het alternatieve pathway van complement activatie is de eerste die actief wordt. De lectine pathway komt op gang na start van infectie. De klassieke pathway van complement activatie is onderdeel van zowel aangeboren als verworven immuniteit. Het heeft een antilichaam of een C-reactive protein (CRP) gebonden aan het oppervlak.

Immunology, The Immune System, hoofdstuk 2: Innate immunity

(Blz. 33-40, 44-47, 49-53, 54-57, 65-66)

Het complement systeem markeert pathogenen voor vernietiging

Een belangrijk onderdeel van het innate immunity is een systeem van oplosbare plasma eiwitten gemaakt in de lever en aanwezig in bloed, lymfe en extracellulaire vloeistof. Deze plasma eiwitten worden het complement systeem of complement genoemd. Binding van complement aan pathogenen zorgt dat fagocytose makkelijker kan worden uitgevoerd.

Veel complement enzymen zijn proteases die geknipt moeten worden voor activatie.

Infectie triggert complement activatie door het op gang brengen van een cascade waarbij opeenvolgende proteases elkaar knippen en activeren.

Meer dan 30 complement eiwitten bestaan, maar complement component 3 (C3) is de belangrijkste. Bij activatie wordt C3 geknipt in C3a en C3b, waarna C3b bindt aan het pathogeen. Dit is de belangrijkste functie van het complement systeem en heet complement fixatie. Binding van C3b markeert het pathogeen voor fagocytose en kan eiwit complexen formeren die de membraam van het pathogeen beschadigen. C3a werkt als chemo-attractant en trekt effector cellen aan. Patienten zonder C3 zijn ernstig immuun-gecompromitteerd.

Complement kan worden geactiveerd door middel van 3 pathways:

1. Alternative pathway: treedt als eerste op.

2. Lectin pathway: treedt als tweede op. Vereist binding van Mannose-binding Lectin (MBL) aan pathogeen.

3. Classical pathway: treedt als derde op. Vereist binding van antlichaam of C-reactive protein (CRP) aan pathogeen.

Vervolgens wordt C3 geknipt in C3a en C3b en zullen 3 processen plaatsvinden:

1. Recruitment van ontstekingscellen

2. Opsonizatie van pathogenen in combinatie met factiliteren van fagocytose

3. Perforatie van cell membramen van het pathogeen.

Een beginnende infectie leidt tot activatie van de alternative pathway.

De alternative pathway bestaat uit een cascade van proteases die een positieve feedback loop vormen, zodat uiteindelijk een grote hoeveelheid C3b gebonden wordt aan het pathogeen. Ten grondslag hieraan ligt de formatie van C3 convertases: eiwitten die C3 knippen en activeren.

Deze feedback-loop verloopt als volgt:

• C3 vormt een complex door opeenvolgende binding met H2O, factor B en factor D. Dit complex heet iC3Bb en knipt C3 in C3a en C3b en is dus een C3 convertase.
• C3b bindt aan het pathogeen en kan vervolgens opnieuw een complex vormen door opeenvolgende binding met factor B en D. Dit complex heet C3bBb en is een C3 convertase. Het kan dus C3 activeren maar nu op het pathogeen zelf.
• Deze C3 convertases blijven C3 knippen en C3b zal zich blijven binden aan het pathogeen. Merk op dat er een sterke steiging van C3 convertases en dus ook van C3b optreedt. Uiteindelijk zal de aanwezigheid van C3b leiden tot versnelde fagocytose van het pathogeen.

Regulerende eiwitten sturen C3b depositie

Zoals eerder genoemd zorgt het complex C3bBb voor een explosieve toename van C3b binding. Om dit te controleren bestaan er complement control proteins (CCP). Deze eiwitten zorgen voornamelijk voor stabilisatie en degradatie van C3b gebonden aan pathogenen.

Daarnaast zorgen deze eiwitten voor onderscheid tussen cellen van het pathogeen en van de mens zelf.

Eiwitten op de membramen van pathogenen

-Factor P (properdin) beschermt C3b tegen degradatie en zorgt dus voor verlengde activiteit

-Factor H werkt samen met Factor I en degradeert C3b tot een inactieve vorm

Eiwitten op de membramen van mensen

-Decay-accerelating factor (DAF): bindt aan C3bBb waardoor Bb wegvalt en C3b niet langer C3 kan knippen en activeren

-Membrane co-factor protein (MCP): doet hetzelfde maar zorgt ook voor verhoogde gevoeligheid van C3b voor factor I, waardoor C3b inactief wordt.

Veel van deze complement control proteins zijn opgebouwd uit modules van aminozuren, ook wel complement control proteins (CCP) modules genoemd. Wanneer een eiwit gebruik maakt van deze modules worden ze ook wel regulators of complement activation (RCA) genoemd.

Fagocytose door macrofagen zijn de eerste celullaire defensielinie tegen pathogenen

De eerste effector cel van het immuun systeem dat een pathogeen tegenkomt is de macrofaag. Macrofagen zijn volwassen monocyten die gemigreerd zijn naar het weefsel. Deze cellen zijn aanwezig in bindweefsel, de randen van het gastro-intestinale stelsel en de longen, de alveoli, en in de lever (Kupffer cells). Macrofagen behoren zowel tot de innate als de adaptive immunity.

Macrofagen kunnen nonspecifiek fagocytose uitvoeren, dit betekent dat zij allerlei micro-organismen kunnen binden. Fagocytose wordt echter efficienter uitgevoerd wanneer het pathogeen gebonden is door moleculen die de macrofaag kan herkennen. Opsonizatie is het proces waarbij zo'n coating wordt gevormd; dit kan bijvoorbeeld door binding van C3b aan het pathogeen.

Complement Receptor 1 (CR1) is de receptor op het oppervlak van de macrofaag die kan binden met C3b op het oppervlak van de pathogeen. Ook beschermt CR1 de macrofaag, zodat deze zelf niet wordt gecoat met C3b.

Complement Receptor 3 (CR3) en 4 (CR4) binden tussenvormen van C3b op het pathogeen en assisteren zo bij herkenning door de macrofaag.

Andere complement eiwitten maken gaten in membramen van pathogenen

Naast C3 bestaan er andere complement eiwitten genaamd terminal complement components. Hieronder vallen C5, C6, C7, C8 en C9.

C5 kan als volgt worden geactiveerd. Wanneer C3bBb aanwezig is op een pathogeen kan het binden met nog een C3b molecuul, waarna het in staat is C5 te activeren. C5 splitst zich in C5a en C5b en induceert de vorming van een membrane-attack complex (MAC).

C5b bindt vervolgens aan C6, C7, C8 en uiteindelijk C9 om zo een porie te vormen in het membraam van het pathogeen. Deze porie verstoort het membraam van de pathogeen en zorgt dat deze afsterft.

Een aantal moleculen (DAF, HRF, CD59) beschermen menselijke cellen tegen vorming van deze porien. Wanneer dit proces verstoort is kan men paroxysmale nocturne hemoglobinurie krijgen, afbraak van de eigen rode bloedcellen door complement activatie.

Receptoren van het innate immune system onderscheiden structuren van pathogenen

De structuur van de membramen van micro-organismen is anders dan die van dierlijke cellen. Macrofagen bezitten daarom een grote verscheidenheid aan receptoren die pathogeen-specifieke liganden kunnen herkennen.

Voorbeelden van deze receptoren zijn:

• Lectins: groep van eiwitten die koolhydraten kunnen herkennen.

  • Bijvoorbeeld: Mannose receptor, Glucan receptor.

• Scavenger receptor: bindt negatief geladen liganden op de oppervlak van onder andere Gram-positieve bacterien

• Complement Receptoren CR3 en CR4 zijn in staat bacterial lipopolysaccharide (LPS) te binden. Dit komt vooral voor op de membraam van Gram-negatieve bacterien.

Binding van deze liganden aan de receptoren van macrofagen zorgt voor een proces genaamd receptor-mediated endocytosis. Tijdens dit proces wordt het pathogeen omringd door de macrofaag in een endosoom of phagosoom. Deze phagosomen fuseren dan met lysosomen, organellen die toxische stoffen bevatten, om vervolgens de pathogeen onschadelijk te maken.

Toll-Like Recceptors merken de aanwezigheid van infectie op

Toll-Like Receptors (TLRs) zijn receptoren van het innate immunity die ervoor zorgen dat een specifieke immuunreactie kan plaatsvinden bij introductie van een specifiek pathogeen. TLRs signaleren de cel tot de productie van inflammatoire cytokinen in de vroege fase van infectie.

Er zijn verschillende soorten TLRs. Macrofagen bevatten TLR4 die specifiek kan binden met LPS en andere liganden op de oppervlak van gram-negatieve bacterien.

TLRs bestaan uit 2 delen: een deel op het oppervlak van de cel in de vorm van een hoefijzer dat pathogenen kan herkennen en een deel in het cytoplasma van de cel dat signalen kan doorgeven. Functionele receptoren bestaan uit homodimeren of heterodimeren.

Mensen hebben 10 TLR genen die combinaties met elkaar kunnen ondergaan. Zo kan een homodimeer van TLR4:TLR4 of een heterodimeer van TLR1:TLR2 bestaan. Hoewel het aantal TLRs beperkt zijn, kunnen ze structuren herkennen die typisch zijn voor alle pathogenen, waardoor ze veel verschillende micro-organismen kunnen oppikken.

TLRs kunnen zowel op het membraam van cellen voorkomen, maar ook bijvoorbeeld in endosomen aan 'de binnenkant' van de cel.

Activatie van macrofagen leidt tot inflammatie van geinfecteerde gebieden

Wanneer macrofagen door middel van TLR4 en andere receptoren pathogenen oppikken, worden grote hoeveelheden cytokinen geproduceerd. Deze cytokinen induceren celveranderingen zoals verhoogde membraampermeabiliteit, vasodilatatie en verminderde flow in capillairen. Dit leidt tot de inflammatie-verschijnselen van roodheid, warmte, zwelling, pijn en functieverlies.

De belangrijkste cytokinen die macrofagen aanmaken zijn:

• IL-1: Activeert endotheel en lymfocyten. Faciliteert toegang van effector cellen tot plaats van infectie.

• IL-6:

• CXCL8: Chemokine die neutrofiele granulocyten aantrekt.

• IL-12: Activeert NK-cellen die zich ecialiseren in de verwijdering van virussen.

• Tumor Necrosis Factor α (TNF-α): Activeert endotheel en verhoogt permeabiliteit van capillairen, zodat complement en immuuncellen het weefsel kunnen bereiken. De systemische effecten van TNF-α zoals koorts en shock kunnen schadelijk en zelfs dodelijk zijn.

Chemoattractante cytokinen (chemokines) regelen verkeer van leukocyten van en naar de plek van inflammatie. Het aantrekken van cellen gebeurt op basis van een concentratie gradient van chemokines, geproduceerd door cellen op de plaats van infectie.

CXCL8 is een chemokine die neutrofiele granulocyten naar de infectieplek leidt. Daarnaast zorgt binding met CXCL8 ervoor dat de neutrofiele granulocyten hun adhesie-eigenschappen veranderen.

Naast deze stoffen bestaan er vele andere inflammatoire mediatoren, stoffen die inflammatie kunnen induceren of hierbij assisteren. Voorbeelden zijn: prostaglandines, leukotrienen, complement factoren etc.

Systemische infectie of sepsis/septicemia is het verschijnsel waarbij pathogenen in de systemische bloedstroom terecht komen. Wanneer het immuunsysteem normaal functioneert zorgt TNF-α voor de aanmaak van platelet-activating factor. Dit leidt tot kleine bloedproppen in de vaatwand die de pathogeen verhinderen om via lekkend plasma de bloedstroom te bereiken. Als de pathogeen toch de systemische circulatie bereikt, bijvoorbeeld bij heftige brandwonden, kan grootschalige productie van TNF-α leiden tot shock en zelfs de dood.

Het aantrekken van neutrofiele granulocyten naar infectiegebieden gaat samen met interactie met endotheel.

Migratie van leukocyten tussen bloed en weefsel is cruciaal om een effectieve immuunrespons te faciliteren. Hierbij spelen adhesie moleculen op zowel de leukocyt als het endotheel van het bloedvat een belangrijke rol.

Er zijn vier soorten adhesie moleculen:

1. Selectins E-selectin, P-selectin

2. Vasculair addressins CD34

3. Integrins CR3, CR4

4. Eiwitten uit de immunoglobulin superfamily CD31

Neutrofiele granulocyten herkennen chemokines zoals CXCL8, waardoor ze worden aangetrokken naar het infectiegebied. Deze chemokines induceren expressie van adhesiemoleculen op het oppervlak van de cel. Inflammatoire mediatoren die vrij komen bij de inflammatoire reactie zorgen ook dat de liganden voor deze adhesiemoleculen vrijkomen op het endotheel. De neutrofiele granulocyt bindt vervolgens aan het endotheel en migreert naar het infectiegebied.

Het proces waarbij neutrofiele granulocyten migreren naar het weefsel heet extravasatie:

1. De neutrofiele granulocyten rolt over het endotheel, waarbij bindingen met selectins zorgen dat de cel langzaam tot stilstand komt. Deze selectins zijn opgeslagen in het endotheel in Weibel-Palade bodies en komen vrij bij stimulatie door inflammatoire mediatoren.

2. De neutrofiele granulocyten bindt stevig aan het endotheel en wordt stil gelegd. Dit gebeurt door interactie met integrins.

3. De neutrofiele granulocyt ondergaat diapedesis: een knijpende beweging waardoor de cel plat genoeg wordt om door de barrière van het bloedvat heen te kruipen. Dit gebeurt onder invloed van integrins and immunoglobulin superfamily eiwit CD31. De basement membrane wordt afgebroken door proteases.

4. De neutrofiele granulocyt migreert naar het infectiegebied geleidt door CXCL8.

Alle witte bloedcellen vertonen het gedrag dat ze op een gegeven moment het bloed verlaten en migreren naar het weefsel. Dit heet homing en lijkt in grote delen op het proces wat neutrofiele granulocyten ondergaan.

Neutrofiele granulocyten zijn gespecialiseerd in het doden van pathogenen waarna ze sterven.

Neutrofiele granulocyten kunnen pathogenen fagocyteren net als de macrofaag. Zij hebben een arsenaal aan receptoren om pathogenen te herkennen, waaronder complement. Neutrofiele granulocyten leven kort en sterven nadat ze fagocytose hebben uitgevoerd.

Fagocytose gebeurt als volgt:

1. Neutrofiele granulocyten bevatten 2 soorten granules met toxische stoffen om pathogenen te doden.

• Azurofiele granulen: eiwitten en peptiden die microben kunnen verteren en degraderen.

• Specifieke granulen: bevatten NAPDH oxidase componenten die de pH van het pathogeen kunnen verhogen.

1. Na fusie met de granulen zal een lysosoom de pH sterk verlagen en de overblijfselen geheel te degraderen.

2. De neutrofiele granulocyt sterft af en wordt op zijn beurt gefagocyteerd door de macrofaag.

Respiratory burst: proces waarbij NAPDH oxidases kortdurig veel zuurstof gebruiken om schade toe te brengen aan het pathogeen. Eindproducten van deze reactie kunnen leiden tot schade aan eigen lichaamscellen.

Chronic granulomatous disease: ziekte waarbij NAPDH oxidases niet correct functioneren. Het gevolg is dat de respiratory burst niet plaatsvindt en dat het pathogeen niet kan worden geelimineerd. Macrofagen die vervolgens de neutrofiele granulocyten fagocyteren kunnen niet langer functioneren en worden gelokaliseerd in granulomen. Deze granulomen kunnen overal in het lichaam voorkomen en tasten de functie van organen aan.

Inflammatoire cytokinen verhogen lichaamstemperatuur en activeren de acute-fase respons in hepatocyten.

Inflammatoire cytokines zoals IL-1, IL-6 and TNF-α verhogen de lichaamstemperatuur door hun effect op het temperatuurcentrum in de hypothalamus. Ook wordt energie vrijgemaakt door vet en spiercellen onder invloed van deze cytokines.

Moleculen die de lichaamstemperatuur kunnen verhogen heten pyrogens. Wanneer deze worden ingebracht door een externe bron zijn dit exogenous pyrogens, terwijl wanneer het lichaam ze zelf aanmaakt zij endogenous pyrogens heten.

Verhoging van lichaamstemperatuur verbetert de functie van het adaptive immunity. Daarnaast functioneren de meeste bacterien en virussen slechter bij een hogere temperatuur.

Een andere functie van IL-1, IL-6 en TNF-α is het initieren van de acute-fase respons in de lever. Tijdens deze respons worden acute-fase eiwitten gemaakt, zoals mannose-binding lectin en C-reactive protein.

Zowel MBL als C-reactive protein zijn opsonins: herkenningsmoleculen die macrofagen binden om vervolgens fagocytose te bewerktstelligen.

• Mannose-binding lectin (MBL) is een calcium afhankelijk lectine dat mannose bevattende koolhydraten bindt op bacterien, schimmels, protozoa and viruses. De structuur van MBL lijkt op die van een bloem met verschillende aanhechtingspunten, zodat een sterke binding met het pathogeen kan worden gemaakt. Na binding wordt de lectine pathway van complement activatie geïnitieerd.

• C-reactive protein (CRP) is een onderdeel van de pentraxin familie van eiwitten. Het bevat 5 identieke subunits die een pentameer vormen. CRP activeert de classical pathway van complement activatie wanneer er geen specifieke antilichamen aanwezig zijn.

Beiden stoffen komen in kleine hoeveelheden voor in gezonde mensen in plasma. Gedurende de piek van de acute-fase respons, ongeveer 2 dagen na het begin, kunnen ze oplopen tot een 1000-voud van hun initiele waarden.

NK cellen voorzien in een vroege immuunrespons tegen intracellulaire pathogenen.

Natural Killer cellen (NK-cellen) zijn de killer lymfocyten van het innate immune system. Ze beslaan 5-25% van de lymfocyten in het bloed, ze zijn groter dan B en T cellen en hebben cytotoxische granules.

Deze cellen verzorgen de innate immune response tegen intracellulaire infecties. Patienten zonder NK cellen hebben persisterende virus-infecties, zoals herpes.

NK cellen hebben 2 belangrijke effector functies: het doden van cellen en secretie van cytokines. NK-cellen worden geactiveerd door IFN-α, IFN-β, IL-12 en TNF-α. Ze maken onderdeel van de vroege immuunrespons met een maximale activiteit na 2-4 dagen.

De belangrijkste cytokine die NK-cellen uitscheiden is interferon γ (IFN-γ). Deze stof activeert macrofagen die op hun beurt IL-12 aanmaken. Hierdoor ontstaat een positieve feedback loop tussen NK-cellen en macrofagen. Macrofagen maken vervolgens ook cytokinen aan die de adaptive immune respons initieren. T-cellen nemen vervolgens de rol van NK-cellen over.

NK-cel receptoren kunnen verschillende liganden binden.

NK-cellen moeten snel kunnen reageren, waardoor ze continu in het bloed aanwezig zijn in een semi-actieve staat. In tegenstelling tot T en B cellen hebben NK-cellen geen receptoren gebaseerd op gearrangeerde genen, maar een groep vaste activerende en inhiberende receptoren.

Deze receptoren zijn in te delen in 2 groepen:

1. NK-cell immunoglobulin-like receptors: receptoren op het oppervlak van de NK-cell die lijken op de immunoglobulines.

2. NK-cell lectin-like receptors: receptoren met domeinen die lijken op het koolhydraat bindende domein van MBL.

Beide soorten receptoren bestaan in activerende en inhiberende versies. Op deze manier worden gezonde cellen niet aangevallen, vanwege de overheersende inhiberende signalen. Virus-cellen worden daarentegen wel aangevallen, omdat zij liganden bevatten die specifiek de activerende receptoren binden.

Immunology, The Immune System, hoofdstuk 3: Basisprincipes van adaptive immunity

(Blz. 72-75, 78-85)

De eerste defensielinie van het menselijk lichaam tegen pathogenen is de fysieke barriere van bijvoorbeeld de huid. De tweede defensielinie is de innate immunity. De derde defensielinie is die van de adaptive immunity. De adaptive immunity treedt in effect wanneer de eerste en tweede linie de pathogeen niet tegen kunnen houden.

Uniek voor de adaptive immunity is de aanwezigheid van T en B cellen die, in tegenstelling tot de innate immunity, een oneindig aantal verschillende pathogenen op een specifiekere wijze kunnen onderscheiden. Hierdoor onstaat een sterkere en efficientere immuunrespons ten op zichte van die van de innate immunity.

B en T-cel receptoren herkennen pathogenen totaal anders dan de innate immunity. Herkenning is gebaseerd op een unieke receptor die opgebouwd is uit varierende genetische informatie. Hierdoor ontstaat een oneindige hoeveelheid verschillende cellen, waarvan er slechts enkelen zijn die matchen met een pathogeen. Deze cel zal uiteindelijk gaan vermenigvuldigen en worden gebruikt om het pathogeen te vernietigen.

Adaptive immunity heeft een aantal unieke kenmerken ten opzichte van innate immunity

1. Adaptive immunity kan een pathogeen heel precies binden op basis van de vele verschillende liganden die zich bevinden op het oppervlakte van de pathogeen.

2. De B en T-cellen die proliferen tijdens de immuunrespons worden bewaard, zodat ze later nog eens kunnen worden gebruikt. Dit wordt ook wel immuniteit of immunologisch geheugen genoemd.

3. Vanwege de verscheidenheid aan cellen kan adaptive immunity ook de snelle evoluerende micro-organismen vernietigen.

Immunoglobulines en T-cel receptoren zijn de varierende elementen van het adaptive immune system.

B en T-cel receptoren vormen de basis van adaptive immunity. B-cel receptoren worden ook wel immunoglobulines genoemd. Immunoglobulines kunnen zich zowel op het oppervlak van een cel bevinden waar ze pathogenen herkennen, of ze kunnen gesecerneerd worden in het plasma door B effector cellen. In plasma heten immunoglobulines antilichamen. T-cel receptoren zijn altijd aanwezig op de cel en nooit in plasma.

Elk molecuul dat gebonden kan worden door een immunoglobuline of T-cel receptor heet antigeen. Immunoglobulines of T-cel receptoren worden daarom ook wel antigeen receptoren genoemd. Beiden zijn specifiek voor een uniek antigen.

Structureel lijken immunoglobulines en T-cel receptoren op elkaar.

-Immunoglobulines bestaan uit een zware keten (heavy chain) en een lichte keten (light chains). Beiden komen in tweevoud voor en bevatten een constant gebied en een varierend gebied. Met het variërend gebied kunnen antigenen worden gebonden. Immunoglobulinen bevatten een transmembrame regio, antilichamen hebben dit niet.

-T-cel receptoren bestaan uit een α (TCRa) en een β keten (TCRb). Beiden ketens bevatten, net als de immunoglobulines, een varierend en constante regio, waarbij de varierende regio antigenen bindt.

Vanwege de varierende regio's kunnen zowel immunoglobulines als T-cel receptoren een oneindig aantal antigenen binden. Echter, een ander antigeen of pathogeen kan hiermee niet verwijderd worden, omdat de bindingsplaats uniek is.

De constante regio van antilichamen kan oppervlakte receptoren voor fagocytose binden, evenals inflammatoire cellen en complement. Hierdoor bindt het variabele deel aan de pathogeen, terwijl het constante gedeelte immuuncellen recruiteert om te helpen met de vernietiging van de pathogeen.

De diversiteit van immunoglobulines en T-cel receptoren komt tot stand door genetische arrangementen.

De grote verscheidenheid in de variabele regios van immunoglobulines en T-cel receptoren komt tot stand door het combineren van verschillende genen. Drie genetische regio's genaamd V, D en J coderen voor receptorketens.

De immunoglobuline heavy chain en T-cel receptor β chain kunnen V, D en J bevatten terwijl de light chain en de T-cel receptor alpha chain alleen V en J bevatten.

Een proces dat gene rearrangement heet zorgt ervoor dat de genetische regio's op verschillende manieren gecombineerd worden. Voordat het DNA actief is en transcriptie en translatie kan ondergaan, worden er delen uitgeknipt die niet zullen worden gebruikt. Zo ontstaat een unieke sequentie van genetische informatie die zal leiden tot een unieke receptor. Dit proces wordt ook wel somatic recombination genoemd.

De immunoglobuline en T-cel receptor genen zijn de enige humane genen die dit proces moeten ondergaan, voordat ze functioneel worden.

Naast dit proces zorgen de enzymen die verantwoordelijk zijn voor het knippen en plakken van de genetische informatie ook voor variatie door op verschillende plekken hun werkzaamheden uit te voeren. Ten slotte zorgen verschillende zware ketens in combinatie met verschillende lichte ketens voor nog meer variatie.

Klonale selectie van B en T lymfocyten is het belangrijkste uitvoerende principe van de adaptive immune response.

Het lichaam maakt miljoenen B en T lymfocyten aan die een grote specificiteit vertonen. Het aantal cellen met een specifieke receptor configuratie is echter klein. Bij binding van een pathogeen ondergaan deze cellen proliferatie en differentiatie tot effector cellen.

Klonale selectie is het proces waarbij alleen B en T cellen worden geselecteerd die specifiek binden aan het pathogeen.

Klonale expansie is het proces waarbij deze geselecteerde cellen vervolgens proliferatie ondergaan.

Het proces van adaptive immunity wat hierboven beschreven is wordt ook wel de primary immune response genoemd. Dit is het geval wanneer een individu nog nooit met een bepaald pathogeen in aanraking is gekomen. Deze reactie duurt een paar dagen voordat er genoeg cellen zijn, waardoor de pathogeen het meeste ruimte heeft om schade te doen in deze periode.

T-cel receptoren herkennen antigenen op de oppervlakte van menselijke cellen.

In menselijke cellen worden pathogenen afgebroken tot peptiden (antigen processing) en vervolgens gebonden aan glycoproteïnen, genaamd Major Histocompatibility Complex (MHC) moleculen. Elk MHC molecuul bindt één peptide en dit complex wordt meegenomen naar het cel oppervlak. Het hele complex is de ligand voor T-cel receptoren en in dit complex wordt de peptide uitgerekt en gepresenteerd aan T cellen. Dendritische cellen zijn de meest gespecialiseerde antigen-presenterende cellen, en zijn essentieel bij het starten van een primaire T-cel respons.

Een MHC molecuul kan verschillende peptiden binden, maar welke binden wordt bepaald door de lengte en bepaalde kenmerken van de aminozuurvolgorde. Slechts een heel klein deel van de peptiden die worden gemaakt door het afbreken van de eiwitten van het pathogeen worden gepresenteerd aan T-cel receptoren en zijn dus antigenen. Om de efficiëntie van de antigen presentatie verhogen, hebben dendritische cellen verschillende vormen MHC moleculen, die allemaal weer een verschillende peptide-binding specificiteit hebben.
Elke vorm MHC molecuul wordt gecodeerd door een apart gen, en voor dit gen zijn veel verschillende allelen in de menselijke populatie. Deze allel variatie heet polymorfisme. De meeste mensen zijn heterozygoot voor MHC genen, zodat dendritische cellen meer verschillende pathogeen peptiden kunnen presenteren.

Twee klassen van MHC moleculen presenteren antigenen aan twee soorten T cellen.

Er bestaan twee typen MHC:

• MHC klasse I moleculen presenteren antigenen van het zich intracellulair replicerende pathogeen, zoals virussen. Peptiden die ontstaan na afbraak van het pathogeen worden in het ER gebonden aan MHC type I moleculen, waarna ze naar het celoppervlakte worden gebracht. De geïnfecteerde cellen worden herkend door de cytotoxische T-cel, waardoor de geïnfecteerde cel gedood wordt. Om te zorgen dat cytotoxische T-cellen alleen antigenen van MHC I herkennen, hebben zij co-receptor CD8, wat bindt aan een bepaalde kant van het MHC I molecuul dat anders is dan het gedeelte dat herkend wordt door de T cel receptor.

• MHC klasse II moleculen presenteren peptiden van een pathogeen wat zich extracellulair bevindt. MCH II moleculen gaan naar de endosomale blaasjes waar ze peptiden binden van lysosomale afbraak van de pathogenen, voordat ze naar het celoppervlakte gaan. MHC II van dendritische cellen presenteren de peptides aan de CD4-receptoren van T-helpercellen die vervolgens door middel van cytokinen B-cellen en macrofagen activeren. Om te zorgen dat de T helper cel alleen antigenen herkent van MHC II moleculen, is er een co-receptor, CD4.

Alle menselijke cellen zijn gevoelig voor infectie, en zij hebben bijna allemaal MHC I moleculen, en cytotoxische T cellen kunnen dus het overgrote gedeelte van geïnfecteerde cellen aanvallen. MHC II komen alleen voor op dendritische cellen, macrofagen en B-cellen, waarmee helper T cellen dus moeten reageren.

MHC 1 klasse moleculen en hun interactie met CD8+ cytotoxische T cellen

Van de vier soorten pathogenen zijn vooral virussen intracellulair actief. Cytotoxische T cellen richten zich daarom voornamelijk op de vernietiging van virussen. Wanneer een virus het lichaam is binnengedrongen zal een dendritische cel dit virus opnemen en een antigen presenteren op zijn MHC 1 molecuul.

In de secundaire lymphoide weefsels zal deze denritische cel in contact komen met een naieve CD8+ T cel. Na binding ondergaat deze T cel klonale expansie en differentieert tot een cytotoxische effector CD8+ T cel. Deze cel migreert vervolgens naar de plaats van infectie waar geinfecteerde cellen hun antigenen in MHC 1 moleculen presenteren. De cytotoxische T cel bindt en ontlaadt vervolgens een cocktail van toxische stoffen die apoptose in de cel induceren.

MHC 2 klasse moleculen en hun interactie met CD4+ helper T cellen

Op de plaats van infectie kunnen dendritische cellen extracellulaire pathogenen opnemen door middel van endocytose. Vervolgens worden deze pathogenen afgebroken en hun peptiden gepresenteerd in een MHC 2 molecuul. De dendritisch cel migreert naar een secundair lymphoide orgaan waar het in contact komt met een naive CD4+ T cel.

Na binding differentieert deze cel tot een effector CD4+ T helper cellen. Deze cellen kunnen vele verschillende soorten cytokinen produceren en assisteren in de verwijdering van alle soorten extracellulaire pathogenen, dit kunnen dus bacterien, virussen, schimmels en parasieten zijn.

Vervolgens migreert de CD4+ helper T cel naar de plaats van infectie, waar deze cytokinen produceert. Deze cytokinen mobiliseren neutrofiele granulocyten en monocyten, die zich vervolgens ontwikkelen tot macrofagen. Ook kunnen T helper cellen binden aan macrofagen die peptiden van het pathogeen presenteren, waarna ze cytokinen produceren die de effectiviteit van de macrofagen verhogen.

Effector CD4 T helper cellen ondersteunen B cellen om antilichamen te produceren.

Hoewel T cellen verschillende functies hebben, zo hebben B cellen slechts 1 functie en dat is het produceren van antlichamen. Activatie van B cellen leidt dan ook tot differentiatie van de cel tot een plasma cel, een cel gericht op het maken van zo veel mogelijk antilichamen. Antilichamen binden aan pathogenen en kunnen ze daarmee neutraliseren of dienen als herkenningsmolecuul voor andere effector cellen of fagocyten.

In tegenstelling tot de T cel receptoren die alleen peptiden op MHC moleculen herkennen, kan een antilichaam of immunoglobuline hele macromoleculen herkennen op het oppervlakte van de pathogeen.

Naieve B-cellen zijn cellen die nog geen antigen zijn tegengekomen. Zij zijn aanwezig in lymfeknopen en wachten op dendritische cellen die pathogenen in hun geheel meebrengen. Wanneer een naieve B-cel bindt aan een pathogeen zullen deze cellen blijven in de lymfeknoop, terwijl niet-bindende B cellen de lymfeknoop verlaten.

Binding leidt tot receptor-gemedieerde endocytose van het pathogeen. Het pathogeen wordt gedegradeerd en een peptide gepresenteerd op een MHC klasse 2 molecuul. Let op: B-cellen kunnen antigenen presenteren aan CD4+ helper cellen. Dit is noodzakelijk voor hun differentiatie en proliferatie.

Pas wanneer een geactiveerde B-cel bindt aan een CD4+ T helper cel met hetzelfde peptide in zijn MHC 2 complex, zal de B-cel onder invloed van de cytokinen van de T-cel prolifereren en differentiëren tot een plasma cel.

Extracellulaire pathogenen en hun toxinen worden geelimineerd door antilichamen.

De immunoglobulines (Ig's) die geproduceerd worden door B cellen en plasma cellen komen voor in 5 verschillende klassen of isotypen. Deze klassen verschillen in hun zware keten constante regio en hebben verschillende functies.

1. IgA: Kan naast zijn normale taak migreren naar epitheel en daar pathogenen binden

2. IgD: Slechts aanwezig in kleine hoeveelheden.

3. IgE: Deze moleculen zitten vast aan mestcellen en kunnen allergische reacties opwekken of een immuunreactie tegen wormen en parasieten initiëren.

4. IgG: Faciliteren fagocytose van pathogenen door te binden aan neutrofielen en macrofagen. Dit proces wordt opsonizatie genoemd en kan ook worden geiniteerd door complement activatie.

5. IgM: Het eerste antilichaam wat wordt aangemaakt in een immuunrespons. Het wordt niet opgemerkt door neutrofielen en macrofagen maar kan wel complement activeren en zo ondersteunen bij fagocytose.

Een belangrijke manier waardoor antilichamen pathogenen bestrijden is door middel van neutralizatie. Hierbij wordt het pathogeen op allerlei plekken bedekt met antilichamen, zodat het niet langer kan groeien, binden of vermenigvuldigen.

Immuniteit die veroorzaakt wordt door antilichamen wordt ook wel humorale immuniteit genoemd.

Immunology, The Immune System, hoofdstuk 4: De structuur van antilichamen en het ontstaan van B-cel diversiteit

(Blz. (95,96-97, 99-100, 102-105, 105-109, 115-119, 167-168)

Antilichamen zijn specifiek voor een bepaald antigen. Hierdoor is het lichaam genoodszaakt een groot repertoir aan antlichamen te produceren. Dit wordt ook wel het antibody repertoire genoemd en loopt op tot 10¹⁶ verschillende mogelijkheden. In de praktijk zijn er ongeveer 10⁹ verschillende antilichamen.

Voordat een B-cel geactiveerd wordt produceert deze alleen immunoglobulines in de vorm van B-cel receptoren. Na activatie ontwikkelt de cel zich tot een plasma cel, die zich specialiseert in de productie van 1 type antilichaam. Dit is de enige effector functie van B lymfocyten in het immuunsysteem.

De structurele basis van antilichaam diversiteit

Antlichamen zijn polypeptiden opgebouwd uit 2 identieke zware ketens (heavy chains) en lichte ketens (light chains) die gerangschikt zijn in een Y-vorm. De zware ketens vormen de basis en een klein gedeelte van de top van het antilichaam. De lichte ketens zitten vast aan de zware ketens in de top van het antilichaam.

Zowel een deel van de zware als de lichte ketens hebben een variabele regio (V) aan de top van het antilichaam, waarmee antigenen kunnen worden gebonden. De rest van de ketens vormen de constante regio.

Een antilichaam kan in 2 stukken worden geknipt door middel van proteases, ter hoogte van de hinge region, de overgang van de basis naar de armen. De armen die hierbij vrijkomen worden ook wel Fabs (Fragment antigen binding) genoemd en de basis die op het membraam blijft Fc (Fragment crystallizable).

De stam van een antlichaam wordt daarom ook wel de Fc regio genoemd.

Verschillen in de constante regio van de zware keten zorgen voor vijf verschillende klassen of isotypen immunoglobulinen. Deze zware ketens worden weergegeven met griekse letters specifiek voor elke klasse: IgG => γ, IgM => μ, IgD => δ, IgA => α, IgE => ε. Zoals je ziet komt de griekse letter overeen met de letter van de klasse immunolgobuline (dus IgD wordt delta, IgA wordt α, IgE wordt epsilon etc.)

De lichte ketens kennen alleen 2 klassen of isotypen namelijk κ en λ. Hoewel de isoformen van de zware ketens verschillende functies hebben, is dit niet aangetoond voor de lichte ketens.

Een antigen bindingsplaats wordt gevormd door hypervariabele regios in de lichte en zware ketens.

Een vergelijking tussen de variabele regios van de zware en lichte keten toont dat de variabiliteit van de bindingsplek wordt voornamelijk voorkomt in zogenaamde hypervariabele regios. Deze regios worden omgegeven door minder variabele framework regios.

Elke V regio blijkt 3 hypervariable regios te bezitten en structureel gezien blijken deze regios zich in de uiterste top van het antilichaam te binden, in de vorm van 3 loops. De V regio van zowel de zware als lichte keten komen samen en zo ontstaat uiteindelijke de unieke antigen bindingsplaats. De hypervariabele loops worden ook wel complementarity determining regions (CDRs) genoemd, omdat ze complementair zijn aan het te binden antigen.

Monoclonale antilichamen worden geproduceerd van een kloon van antilichaam-producerende cellen.

Omdat antilichamen zo effectief zijn in het herkennen van specifieke antigenen, kunnen ze ook in de kliniek of diagnostiek worden gebruikt. De traditionele manier om een bepaald antilichaam te verkijgen is om een antigen in te spuiten in een dier. Door antiserum op te nemen van het dier kunnen de antilichamen worden verkregen.

Een modernere manier is om B cellen te harvesten van het dier en vervolgens te fuseren met een tumor cel tot hybridomen. Dit zijn B cellen die altijd blijven groeien en antilichamen blijven produceren. Vervolgens wordt de B cel geselecteerd die een specifiek antigen bindt en deze wordt gebruikt om antilichamen te produceren. Antilichamen die zo zijn verkregen heten monoclonale antilichamen.

Flow cytometrie is een techniek waarbij antilichamen gelabeled worden met een kleurtje en vervolgens worden gebonden aan humane cellen. Deze cellen worden door een kolom geleid waar een laser op schijnt, die het licht van de antilichamen opvangt. De cellen worden geteld en gecombineerd met hun kleur en zo kan er onderscheid worden gemaakt tussen bijvoorbeeld B-cellen en T-cellen op basis van hun oppervlakte moleculen.

Deze techniek wordt in de kliniek gebruikt om cell populaties in het perifere bloed te analyseren en om zo immuun-gerelateerde aandoeningen op te sporen.

Monoclonale antilichamen worden gebruikt voor de behandeling van verschillende aandoeningen.

Monoclonale antilichamen worden zowel in diagnostiek als behandeling gebruikt.

Chimeric monoclonal antibodies zijn antilichamen die een muis V regio combineren met een humane C regio, om te zorgen dat het lichaam deze vreemde antilichamen niet afbreekt.

Retuximab is een monoclonaal antilichaam voor de behandeling van non-Hodgkin B-cel lymfomen. Het is gericht op CD20, dat te vinden is op normale en maligne B-cellen, maar niet op plasma cellen. Hoewel een deel van de immuniteit van de persoon hierdoor wegvalt, zal deze nog steeds antilichamen kunnen maken.

Een andere methode is om antilichamen te humaniseren. Hierbij worden alleen de complementarity determining regions (CDRs) – die bepalen wat het antilichaam bindt – van de muis ingevoegd in het menselijke antilichaam.

Omalizumab is zo'n gehumaniseerd antilichaam dat IgE bindt voor de behandeling van allergische astma.

Adalimumab is een monoklonaal antilichaam dat specifiek TNF-α bindt en wordt gebruikt in de behandeling van reumatoide arthritis.

Generatie van diversiteit van immunoglobulines in B-cellen voordat een antigen is gebonden.

Het DNA dat codeert voor de V regio van immunoglobuline komt in normale cellen voor in een vorm die niet tot expressie kan worden gebracht, de germline form of germline configuratie. Alleen B-cellen beschikken over de capaciteit deze gene segments te combineren tot functionele immunoglobulines. Dit gebeurt tijdens de ontwikkeling van precursor cellen in het beenmerg, waarna zij op het oppervlakte van de cel worden geplaatst.

Het DNA dat codeert voor een V regio wordt opgebouwd uit 2 of 3 gene segments.

Het DNA voor immunoglobulines is terug te vinden op 3 chromosomale locaties: de lichte keten λ locus, de lichte keten κ locus en de zware keten locus. Verschillende gene segments voor leader peptide (L), variabele regio (V) en constante regio (C) liggen hier opgeslagen.

Het DNA voor de leader peptides en constante regios kunnen normaal worden afgelezen. Het DNA voor de variabele regio van lichte ketens bestaat uit variabele (V) en joining (J) gene segments. Deze moeten eerst gearrangeerd worden voordat het DNA kan worden afgelezen.

Het DNA voor de variabele regio van zware ketens bevatten bovendien diversity (D) gene segments die noodzakelijk zijn voor het functioneren van het DNA.

Random recombinatie van genen zorgt voor de diversiteit in antigen bindingsplaatsen.

Somatic recombination is het proces waar recombinatie van DNA optreedt in somatische cellen in tegenstelling tot geslachtscellen waar dit normaal gebeurt. Dit gebeurt in ontwikkelende B-cellen en hierbij worden de vereise V, J en D segmenten op een random wijze gecombineerd tot een antigen-bindingsplaats. Vanwege de verschillende vormen van V, J en D segmenten en verschillende manieren waarop deze gecombineerd kunnen worden, ontstaat een grote verscheidenheid aan unieke antigen bindingsplaatsen.

Dit proces zorgt echter niet voor alle variatie tussen immunoglobulines. Combinatie van verschillende segmenten en tussen verschillende lichte en zware ketens zorgt voor ongeveer 1.6 miljoen verschillende antilichamen.

Recombination signal sequences (RSS) zijn sequenties van baseparen die de V, J en D regios omgeven en zijn herkenningspunten voor enzymen die het DNA knippen en plakken.

Echter deze sequenties zorgen ook voor meer diversiteit in de antigen bindingsplaatsen. Dit werkt als volgt:

• Recombination-Activating Genes (RAG) zijn complexen die binden aan beide zijden van het te knippen DNA. Vervolgens komen deze complexen samen en ontstaat een vouw in het DNA, ook wel een hairpin-structuur gevormd.

• Het DNA wordt afgeknipt, zodat een coding joint ontstaat in het coderende DNA en een signal joint wat bestaat uit het stuk DNA wat los ligt en een ronde vorm heeft aangenomen.

• Vervolgens zorgen de RAG complexen ervoor dat additionele baseparen worden toegevoegd om het achterliggende coderende DNA, de coding joint, passend op elkaar te krijgen. Het toevoegen van deze baseparen zorgt voor extra diversiteit in antigen-bindingsplaatsen.

• De diversiteit die hiermee wordt gecreëerd is terug te vinden in de 3e hypervariabele regio van de te vormen keten.

Isotype switching zorgt voor immunoglobulines met verschillende C regios maar gelijke antigen-bindingsplaatsen.

IgM is de eerste klasse antlichaam die wordt aangemaakt bij de primaire immuunrespons. IgM op het oppervlakte van de B-cel is een monomeer, terwijl uitgescheiden effector IgM antilichamen bestaan uit een circulair pentameer.

Omdat IgM beperkt is in manieren om pathogenen te verwijderen, is het mogelijk om de variabele regio van antilichamen te behouden, terwijl het constante gedeelte wordt veranderd. Hierdoor ontstaan verschillende klassen antilichamen met dezelfde antigen-bindingsplaatsen. Dit wordt isotype switching of class switching genoemd.

Dit proces wordt als volgt gerealiseerd:

• Aan de 5' zijde van het DNA voor de constante regio bevinden zich switch sequences, repeterende sequenties die herkend worden voor recombinatie.

• Knipenzymen zorgen dat 2 van deze switch sequences worden opengeknipt.

• Vervolgens vindt recombinatie plaats waarbij tussenliggend DNA wordt verwijderd en hetzelfde variabele deel op een nieuw constant deel wordt geplakt.

• Op deze manier kan een switch plaatsvinden van IgM naar bijvoorbeeld IgA of IgG.

Isotype switching gebeurt alleen tijdens een actieve immuunrespons en wordt gemedieerd door uitscheiding van cytokinen door geactiveerde T-cellen.

Hyper IgM immunodeficientie is de aandoening waarbij isotype switching niet kan voorkomen, omdat bepaalde enzymen ontbreken. Hierdoor wordt alleen IgM gemaakt en kan de patient zich slecht verdedigen tegen infecties.

Antilichamen met verschillende C regios hebben verschillende effector functies.

Er bestaan 5 verschillende klassen immunoglobulinen die gerangschikt zijn op een verschillen in hun constante regio's. In deze constante regio's kunnen echter weer subtypen optreden waardoor IgA 2 mogelijke C regio's (α1, α2) heeft en IgG zelfs 4 (γ1, γ2, γ3, γ4).

Antilichamen kunnen verschillende effector functies uitoefenen:

1. Neutralisatie: Hierbij wordt het oppervlak van het pathogeen bedekt met antlichamen, zodat het niet langer kan groeien, vermenigvuldigen of functioneren.

2. Opsonisatie: Hierbij wordt het oppervlak van het pathogeen bedekt met een coating van antilichamen die kan worden herkend door fagocyten. Dit proces kan ook worden bewerktstelligd door complement-factoren.

3. Activatie van complement

4. Sensitisatie voor NK en mestcellen

Het eerste antilichaam wat wordt geproduceerd in een immuunreactie is IgM. Deze kan het pathogeen binden op verschillende plekken.

• De sterkte van de binding van een immunoglobuline voor verschillende bindingsplekken wordt de aviditeit genoemd.

• De sterkte van de binding van een immunoglobuline voor een specifieke bindingsplek wordt de affiniteit genoemd.

Omdat IgM het eerste antilichaam is, zal het niet goed kunnen binden met het pathogeen omdat er nog geen klonale selectie heeft plaatsgevonden. Daarom heeft IgM verschillende bindingsplaatsen, om als nog te proberen een binding te maken. Op den duur ondergaat IgM clonale selectie en isotype switching, waardoor IgG ontstaat dat wel specifiek past en een enkele bindingsplaats heeft.

Immunoglobuline G

IgG is de meest voorkomende antilichaam in lichaamsvloeistoffen als bloed en lymfe en wordt aangemaakt in de lymfeknopen, milt en beenmerg.

IgG heeft meerdere effector functies in vergelijking met IgM. Het kan complement activeren en fagocyten aantrekken om het pathogeen te vernietigen. Ook kan het neutralisatie en sentisisatie van mestcellen en NK-cellen bewerkstelligen.

IgG heeft ook een aantal opmerkelijke eigenschappen: zo kan het diffunderen naar extravasculaire plekken en kan het de placenta passeren.

Immunoglobuline A

IgA monomeren worden aangemaakt door plasma cellen in lymfeknopen, de milt en beenmerg en wordt afgegeven in de bloedstroom. IgA dimeren worden afgegeven aan de mucosa en komen zo op het epitheel van bijvoorbeeld het gastro-intestinale stelsel uit. Ook bevindt het zich in melk, zweet, spuug en tranen. Omdat het epitheel blootstelt aan mogelijk infectiegevaar, wordt IgA hier als enig immunoglobuline afgegeven.

IgA wordt het meest aangemaakt van alle immunoglobulines, maar wordt dus deels afgegeven aan het epitheel.

Immunoglobuline E

IgE is gespecialiseerd in het activeren van effector functies van mestcellen in het epitheel, eosinofielen op mucosale oppervlakte en basofielen in het bloed. IgE kan deze cellen binden zonder antigen. Wanneer een antigen uiteindelijk bindt aan IgE zal het een sterke inflammatoire reactie in de cel induceren. IgE kan zal wormen en parasieten bestrijden. In landen waar dit weinig voorkomt is een IgE respons vooral geassocieerd met allergieën en astma.

B cellen moeten 2 checkpoints ondergaan tijdens hun ontwikkeling in het beenmerg.

Omdat de ontwikkeling van functionele B-cellen afhankelijk is van genetische recombinatie is het mogelijk dat er niet-functionerende B-cellen ontstaan. Om hiermee af te rekenen zijn er 2 checkpoints ingebouwd tijdens de ontwikkeling van de B-cel.

Eerst wordt de heavy chain geassembleerd, waarna er een strenge selectie optreedt om te kijken of de μ keten wel tot een functionele pre-B-cel receptor kan leiden.

Vervolgens wordt de light chain geassembleerd, waarna er wordt gekeken of deze past op de heavy chain en een functionele B-cel receptor ontstaat. Als tijdens 1 van de checkpoints irregulariteiten optreden, ondergaat de cel apoptose.

Immunology, The Immune System, hoofdstuk 5: Antigen herkenning door T lymfocyten

(Blz. 125-129, 133-137, 137, 140, 143-144, 146-148, 149-151, 151-152)

Net zoals B-cellen moeten T-cellen verschillende soorten antigenen herkennen. Het proces wat hieraan ten grondslag ligt, is grotendeels hetzelfde als bij B-cellen. Echter, omdat T-cellen ook andere functies uitoefenen, zijn er enkele verschillen.

T-cellen binden namelijk alleen antigenen die gepresenteerd worden in een MHC complex in tegenstelling tot B-cellen die macromoleculen op het pathogeen herkennen. Daarnaast heeft een T-cel voornamelijk interactie met menselijke cellen.

De T-cel receptor lijkt qua structuur op een immunoglobuline.

De structuur van de T-cel receptor (TCR) lijkt veel op die van een immunoglobuline. TCRs zijn altijd verankerd in het membraam en komen nooit voor in het plasma. Zij bestaan uit een variabel en een constante regio die door genetische recombinatie wordt gesynthetiseerd. De TCR is opgebouwd uit een α en een β keten die samen 1 antigen-bindingsplaats vormen. Dit in tegenstelling tot het antilichaam die minstens 2 antigen-bindingsplaatsen heeft. De TCR is echter wijdverspreid op het oppervlak van de cel en zal bij binding met meerdere TCRs binden, zodat uiteindelijk toch een sterkere binding onstaat.

Er zijn miljoenen verschillende TCRs in het menselijk lichaam. TCRs ondergaan geen isotype switching of somatic hypermutation. Net zoals de immunoglobulines hebben de beiden ketens van de TCR hypervariabele regios als onderdeel van hun variabele regios. Per keten zijn dit er 3 en deze vormen de bindingsplaats voor het antigen.

Diversiteit in T-cel receptoren wordt veroorzaakt door genetische recombinatie.

Net als immunoglobulines wordt de synthese van TCR bepaald door genetische recombinatie. Na synthese, echter, blijven immunoglobulines zich verder specialiseren. Dit gebeurt niet bij de TCR, omdat deze geen effector functie heeft. De TCR dient puur om antigenen te herkennen. Vernietiging van de pathogenen gebeurt door andere cellen en structuren.

De genetische informatie voor de TCR ligt op chromosoom 14 (α keten) en 7 (β keten).

• De α keten bevat slechts 1 soort constante regio. Daarnaast wordt het variabele deel gecodeert door een V en een J regio.

• De β keten bevat 2 soorten constante regios. Daarnaast wordt het variabele deel gecodeert door een V, J en een D regio.

Genetische recombinatie van TCRs vindt plaats in de thymus. Net als immunoglobulines liggen de constante regios vast en worden de variabele regio's onder invloed van RAG complexen en andere enzymen steeds opnieuw vastgesteld. Zo wordt een grote variëteit aan antigen-bindingsplaatsen gerealiseerd.

Severe combined immunodeficiency disease (SCID) is een aandoening waarbij mutaties in RAG complexen leiden tot niet-functionele T en B lymfocyten. Het is een ernstige aandoening in kinderen die met een beenmergtransplantatie moeten worden behandeld om overlijden te voorkomen.

Een aandoening waar de RAG complexen partieel functioneren wordt het syndroom van Omenn genoemd.

De genetische verscheidenheid die leidt tot de specificiteit van TCRs en immunoglobulines wordt veroorzaakt door V(D)J recombinatie. De RAG complexen die hieraan ten grondslag liggen komen alleen voor in lymfocyten.

RAG complexen lijken op transposons, eiwitten die kopien van zichzelf kunnen verspreiden naar verschillende chromosomen. Transposons maken namelijk gebruik van transposases, enzymen die DNA kunnen knippen en van herkennings-sequenties in het genoom. Omdat RAG complexen hier sterk op lijken wordt er gedacht dat transposons geevolueerd zijn over tijd tot de RAG complexen die nu ten grondslag liggen aan de adaptive immunity.

Twee klassen van MHC moleculen presenteren antigenen aan CD8 en CD4 T cellen.

Er zijn 2 soorten T-cellen. CD8 cytotoxische T cellen vernietigen intracellulaire pathogenen. CD4 helper T cellen ondersteunen macrofagen en B-cellen en produceren cytokinen die de immuunreactie verbeteren.

Het Humaan Immunodeficiency Virus (HIV) infecteert selectief CD4 helper cellen, waardoor over tijd de hoeveelheden CD4 T cellen zo laag worden dat andere infecties fataal kunnen zijn.

MHC moleculen presenteren antigenen aan T-cellen.

1. MHC type I cellen doen dit voor CD8 T-cellen. MHC 1 moleculen bestaan uit een zware keten, ook wel α keten genoemd, die drie onderdelen heeft, α1, α2 en α3. Dit wordt aangevuld door een β2-microglobuline molecuul. De peptide-bindingsplaats wordt gevormd door de α1 en α2 delen.

2. MHC2 moleculen bestaan uit 2 transmembrame ketens die worden aangeduid met α en β. Beide ketens bestaan uit 2 delen, waarvan α1 en β1 de peptide-bindingsplaats vormen.

MHC moleculen dienen niet alleen voor de presentatie van antigenen. Ook zorgen zij voor associatie met co-receptoren, zoals CD4 en CD8. Omdat binding met deze moleculen op verschillende plekken plaatsvindt, kan dit tegelijkertijd gebeuren.

MHC moleculen binden verschillende peptiden.

MHC moleculen kunnen veel verschillende peptiden presenteren. Dit in tegenstelling tot immunoglobulines of TCRs die sterk specifiek zijn voor 1 antigen.

1. Het MHC 1 molecuul heeft 2 pockets waarin het de uiteinden van de peptiden invoegt. Zo wordt het peptiden uit elkaar getrokken en gepresenteerd. De meeste peptiden hebben een lengte van 8,9 of 10 aminozuren en om de grootste verschillen tussen deze peptiden te overkomen zijn er verschillende soorten MHC moleculen per klasse.

2. Het MHC 2 molecuul heeft niet 2 pockets, waardoor het peptide langer kan zijn dan bij MHC 1 moleculen. Peptides die aan MHC 2 binden zijn doorgaans 13-25 aminozuren lang.

MHC klasse 1 en 2 moleculen binden peptiden in verschillende intracellulaire compartimenten.

Peptides die afkomen van intracellulaire en extracellulaire pathogenen worden op verschillende plekken verwerkt.

1. Intracellulaire peptiden worden verwerkt in het cytosol en worden vervolgens getransporteerd naar het Endoplasmatisch Reticulum waar MHC 1 moleculen deze peptiden binden.

Het proteasome is een eiwit complex met verschillende protease activiteiten. In gezonde cellen zorgt het dat niet-functionerende eiwitten worden afgebroken. In zieke cellen zorgen NK-cellen via synthese van IFN-γ ervoor dat deze complexen peptiden gaan maken die binden aan MHC 1 moleculen. Omdat het virus zich ook in het cytosol bevindt en eiwitten achterlaat, kan het proteasoom deze eiwitten afbreken. De peptiden worden vervolgens naar het ER gebracht waar MHC 1 ze kan opnemen.

2. Extracellulaire peptiden worden verwerkt in de endosomen waar het pathogeen is opgenomen in de cel. Lysosomen breken het pathogeen af waarna MHC 2 moleculen de peptiden kunnen binden.

Zoals je kan opmerken, zorgt dit systeem dat alle soorten pathogenen worden ondervangen. Zowel het interne milieu (MHC 1) als het externe milieu (MHC 2) wordt gescreend op pathogenen, die vervolgens worden afgebroken en als peptiden worden gepresenteerd.

Sommige pathogenen zoals de mycobacterien die lepra en tuberculose veroorzaken kunnen beiden mechanismen omzeilen.

De 2 MHC klassen komen voor op verschillende soorten cellen.

MHC klasse 1: Deze moleculen komen voor op bijna alle cellen in het lichaam met uitzondering van rode bloedcellen (geen celkern). Omdat al deze cellen kunnen worden geinfecteerd met virussen, kunnen CD8 cytotoxische T cellen op deze manier deze cellen bereiken.

MHC klasse 2: Deze moleculen komen alleen voor op gespecialiseerde cellen van het immuunsysteem, namelijk: B-cellen, dendritische cellen, macrofagen en cellen in het epitheel van de thymus. Deze cellen zijn nodig voor het orchestreren van de immuunrespons en daarom kunnen ze in contact komen met CD4 helper T cellen.

De hoeveelheid MHC moleculen op een cel neemt toe tijdens de immuunrespons onder invloed van cytokinen, voornamelijk interferon.

De verschillen in MHC moleculen worden veroorzaakt door verschillende genfamilies en polymorfismen.

In mensen wordt het MHC systeem op een andere manier aangeduid, namelijk door human leukocyt antigen (HLA). Humane MHC klasse 1 en 2 moleculen worden daarom HLA klasse 1 en 2 moleculen genoemd.

De diversiteit van MHC moleculen wordt veroorzaakt door 2 verschijnselen:

1. Er zijn verschillende families van genen die coderen voor MHC klasse 1 zware ketens en MHC klasse 2 α en β ketens.

2. Het gen zelf kan verschillende vormen aannemen, wat ook wel genetisch polymorfisme wordt genoemd.

Vanwege de grote hoeveelheid verschillende allellen en combinaties die de MHC genen kunnen maken, worden deze genen zeer polymorf genoemd. Sommige genen die onderdeel hiervan maken hebben vertonen echter weinig variatie en worden monomorf (geen variatie) of oligomorf (weinig variatie) genoemd.

Vaak hebben mensen ook nog eens verschillende allellen van de genen, omdat zij van hun ouders ieder een verschillend allel hebben geeerfd. De verschillende MHC moleculen die hieruit voortkomen worden MHC isoformen genoemd.

1. In mensen zijn er 6 MHC 1 isoformen: HLA-A, HLA-B, HLA-C, HLA-E, HLA-F, HLA-G.

2. In mensen zijn er 5 MHC 2 isoformen: HLA-DM, HLA-DO, HLA-DP, HLA-DQ, HLA-DR

• HLA-A, HLA-B en HLA-C zijn zeer polymorf en interacteren met CD8 T en NK cellen.

• HLA-E en HLA-G zijn oligomorf en interacteren alleen met NK cellen.

• HLA-F is monomorf en intracellulair en heeft een onbekende functie.

De HLA klasse 1 en 2 genen nemen verschillende regios in van het HLA complex.

Het DNA wat codeert voor de HLA moleculen is gerangschikt in drie delen op chromosoom 6.

1. Klasse 1 regio ligt het verste van de centromeer en bevat 6 HLA klasse 1 genen.

2. Verderop ligt klasse 2 regio waar de genen liggen die HLA klasse 2 coderen.

3. Tussen deze 2 regio's ligt de klasse 3 regio of het centrale MHC, dat geen klasse 1 of 2 genen heeft maar andere genen.

De codering van deze genen is gebaseerd op de α en β chain van elk MHC molecuul.

• HLA-DMA codeert voor de α chain van HLA-DM

• HLA-DMB codeert voor de β chain van HLA-DM

• HLA-DMA1 codeert voor allel 1 van dit gen en HLA-DMA2 voor allel 2

De totale combinatie van HLA allellen wordt een haplotype genoemd. Per HLA gen zijn er maximaal een paar honderd allellen. Echter over tijd recombineren deze allellen zich en vanwege heterozygoot-zijn, zijn er miljoenen verschillende haplotypes mogelijk.

MHC polymorfisme heeft invloed op de bindingsplaatsen van peptiden en T cellen.

Het grootste deel van de polymorfismen binnen de MHC klassen leidt tot veranderingen in de bindingsplaatsen van peptiden en T-cellen. Dit zijn de α 1 en 2 ketens van MHC klasse 1 en de α 1 en β 1 ketens van MHC klasse 2.

De veranderingen die zorgen voor het binden van verschillende peptiden liggen in zogenaamde anchor residues. Dit zijn zijketens van aminozuren die veranderen en hiermee peptiden vast kunnen ankeren. Dus hoewel de aminozuurvolgorde grotendeels gelijk blijft zorgen deze zijgroepen voor specificiteit. Dit wordt ook wel een peptide-binding motif genoemd.

Op deze manier matchen T-cel receptoren dus niet allen met antigenen, maar ook met de specifieke configuratie van het MHC molecuul. Dit wordt ook wel MHC restriction genoemd. T-cel receptoren kunnen vervolgens niet binden met andere MHC moleculen met hetzelfde antigen, of met dezelfde MHC moleculen met een ander antigen.

MHC diversiteit ontstaat uit selectie door infectieziekten.

Het is gunstig voor individuen om een breed scala aan MHC moleculen te hebben. Dit zorgt er immers voor dat veel verschillende soorten pathogenen kunnen worden vernietigd. Polymorfismen in combinatie met heterozygoot zijn zorgt dus voor een grotere overlevingskans. Al deze processen zorgen voor een breed repertoir aan MHC moleculen in een populatie. Dit wordt balancing selection genoemd.

Ook infectieziekten zorgen voor selectie. Wanneer een epidemie uitbreekt zullen sommige MHC configuraties beter in staat zijn de pathogeen te vernietigen dan anderen. Hierdoor zullen sommige mensen overlijden en andere mensen overleven, waardoor de frequentie van bepaalde allellen stijgt. Dit wordt directional selection genoemd.

Het is ook mogelijk dat door middel van puntmutaties of genetische recombinatie nieuwe MHC vormen ontstaan. Dit wordt ook wel interallelic conversion of segmental exchange genoemd. Omdat pathogenen zich hier nog niet aan hebben aangepast, brengt dit vaak voordelen met zich mee.

Dat dit in de praktijk belangrijk is blijkt uit het feit dat bij patiënten met HIV sommige HLA polymorfismen betere bescherming bieden tegen het virus dan anderen.

Immunology, The Immune System, hoofdstuk 6: De ontwikkeling van B lymfocyten

(Blz. 159-161)

B cellen ontwikkelen zich in het beenmerg en migreren naar secundaire lymfoide weefsels:

Primaire lymfoide weefsels: Beenmerg en Thymus

Secundaire lymfoide weefsels: Lymfeknopen, Milt, MALT (darmen), BALT (longen)

Deze ontwikkeling tot antilichaam-producerende plasma cellen gebeurt in 6 stappen:

1. Opbouwen antigen-repertoire: een grote hoeveelheid B cellen wordt aangemaakt met een breed repertoir aan verschillende antigen-bindingsplaatsen

2. Negatieve selectie: Verwijdering en eliminatie van cellen die potentieel eigen lichaamscellen kunnen aanvallen.

3. Positieve selectie: Selectie van een klein deel B cellen die mature B cellen zullen worden in secundaire lymfoide weefsels.

4. Infectie opzoeken: Circulatie van B cellen tussen bloed, lymfevloeistof en secundaire lymfoide weefsels, op zoek naar een infectie.

5. Activatie: Na binding met antigen presenterende cellen in secundaire lymfoide weefsels wordt de B cel geactiveerd en ondergaat clonale selectie.

6. Differentiatie en proliferatie van B cellen leidt tot plasma cellen die grote hoeveelheiden antilichamen afscheiden en zo de infectie verwijderen.

De ontwikkeling van B cellen in het beenmerg

In het beenmerg ondergaat de B cel verschillende stappen om genen zo te combineren dat er uiteindelijk 1 soort zware en 1 soort lichte keten ontstaat en zo 1 specifieke antigen-bindingsplaats heeft.

Elke hemapoetische stam cel is te herkennen aan CD34. Dit wordt in de kliniek gebruikt om hemapoetische stam cellen te scheiden van andere beenmergcellen met behulp van anti-CD34 monoclonale antilichamen.

De B-cel komt voort uit 1 voorloper stamcel die zich in opeenvolgende stappen ontwikkelt tot steeds meer specialistische cellen:

1. De pluripotente hemapoetische stam cel is de voorloper van alle B cellen

2. De common lymphoid progenitor kan zich ontwikkelen tot zowel B als T cellen

3. De B-cel precursor is de voorloper van de uiteindelijke B cel

4. Deze cel ontwikkelt zich tot een pro-B cel. Pro-B cellen produceren zowel cellen die verdere ontwikkeling doorgaan als nieuwe pro-B cellen om de eigen populatie stabiel te houden.

• Eerst zal nu de zware keten moeten worden opgebouwd: in de vroege pro-B cel worden de D en J segmenten samengevoegd. In de late pro-B cel worden de V en DJ segmenten samengevoegd.
• Deze ketens worden samengevoegd tot functioneel IgM en ontwikkeling van lichte ketens stopt. De cel is nu een immature B cel.
• De grote pre-B cel heeft succesvol een zware keten geassembleerd en stopt met genetische recombinatie. De kleine pre-B cel assembleert vervolgens de lichte ketens, waarbij eerst de κ keten wordt gemaakt en daarna de λ keten.
• Deze segmenten worden samen met het C segment tot een μ keten (zware keten IgM) gemaakt en de cel heet nu pre-B cel. Deze pre-B cellen zijn in te delen in 2 groepen.

Immunology, The Immune System, hoofdstuk 7: De ontwikkeling van T lymfocyten

(Blz. 187-189, 199)

De ontwikkeling van T en B lymfocyten lijken op elkaar. Beiden stammen af van beenmerg en beiden gebruiken ze genetische recombinatie om tot verscheidenheid in receptoren te komen. Het verschil is echter dat B lymfocyten genetische recombinatie ondergaan in het beenmerg, terwijl de T cel eerst naar de thymus moet migreren voordat de genen worden gerearrangeerd.

In de thymus ondergaat de T-cel 2 processen:

1. Positieve selectie: Omdat de T-cel niet alleen peptide moet herkennen maar de MHC klassen van het lichaam zelf, worden alleen cellen geselecteerd die goed binden met de lichaamseigen MHC klasse 1 en 2. De overige andere cellen worden afgebroken.

2. Negatieve selectie: De T-cel mag niet te sterk aan de eigen MHC klas binden, omdat dit kan leiden tot auto-reactiviteit, de T-cel valt dan het eigen lichaam aan. De cellen die te sterk binden worden verwijderd.

Zo ontstaat een selectie van cellen die het juiste antigen binden, het juiste MHC binden en dat doen op zo'n manier dat de infectie kan worden bestreden en het lichaam kan worden beschermd.

De ontwikkeling van T cellen in de thymus

T lymfocyten heten T-lymfocyten omdat ze thymus-afhankelijke lymfocyten zijn. Zij ontstaan in het beenmerg, migreren vervolgens via het bloed naar de thymus en daarna gaan ze naar secundaire lymfoide weefsels.

De thymus is een primair lymfoide orgaan omdat het lymfocyten ontwikkelt. Secundaire lymfoide organen brengen lymfocyten vervolgens in contact met de infectie.

Het stroma van thymus herbergt immature T cellen. De thymus is in te delen in een schors (cortex) en merg (medulla). In de cortex bevinden zich de immature T cellen, epitheel en macrofagen. In de medulla bevinden zich mature T cellen, epitheel en macrofagen. De macrofagen dienen om niet-functionele T-cellen te verwijderen.

De thymus bestaat uit een skelet van epitheel cellen dat gevuld wordt met ontwikkelende T cellen uit het beenmerg. Tijdens ontwikkeling migreren de T-cellen van de cortex naar de medulla.

Op het epitheel bevinden zich MHC klasse 1 en 2 moleculen die lichaamseigen peptiden produceren. Als de ontwikkelende T-cel zich binnen 3-4 dagen na aanmaken van de receptor bindt met een MHC molecuul wordt een signaal tot verdere ontwikkeling doorgegeven. Alle andere cellen ondergaan apoptose. Dit is onderdeel van de positieve selectie.

DiGeorge's syndroom: De thymus ontwikkelt zich niet, waardoor de patient wel B-cellen maar geen functionele T-cellen heeft. Hierdoor staat de patient bloot aan infecties die ook vaak voorkomen bij mensen met severe combined immunodeficiency syndrome (SCID).

De thymus begint al kleiner te worden vanaf geboorte en degenereert gedurende het gehele level. Anders dan bij B-cellen blijven mature T-cellen veel langer aanwezig en ook actief en delende. Daarom zal na een thymectomy (verwijdering van de thymus) de patient geen grote problemen ondervinden met het immuunsysteem.

Immunology, The Immune System, hoofdstuk 8: T-cel gemedieerde immuniteit

(Blz. 211-213, 215, 222, 224-231, 237-240, 241-242)

Na de ontwikkeling in de thymus zullen naive T-cellen circuleren in het bloed en secundaire lymfoide weefsels totdat zij worden geactiveerd door binding met een MHC-antigen complex.

Dit is de eerste stap van de primaire adaptieve immuun respons. Cytotoxische CD8 T cellen zullen migreren naar de plaats van infectie waar ze elke cel doden die het antigen presenteert. CD4 helper T cellen zullen deels migreren naar de plaats van infectie om macrofagen te stimuleren en deels zullen zij achterblijven in secundaire lymfoide organen om B cellen te activeren.

Dendritische cellen en macrofagen zijn professionele Antigen-Presenterende Cellen (APCs). Deze cellen zijn aanwezig in alle soorten weefsels en zullen bij een dreigende infectie pathogenen opnemen, afbreken en een peptide presenteren. Macrofagen blijven op hun plaats en dienen vooral om het pathogeen te elimineren, terwijl dendritische cellen migreren naar secundaire lymfoide organen om T-cellen te activeren.

Het secundaire lymfoide weefsel dat zich het dichtst bij de infectieplaats bevindt, wordt gebruikt door de dendrieten. Voor huidinfecties zijn dit lymfeknopen, voor bloedinfecties de milt, voor luchtweginfecties BALT, voor darminfecties MALT.

In weefsels zijn dendritische cellen immature dendritische cellen. Tijdens migratie verliezen zij de mogelijkheid nieuwe pathogenen op te nemen en specialiseren zij zich in interactie met T-cellen. Aangekomen in de thymus zijn het mature dendritische cellen geworden. Hier komen ze in contact met naieve T-cellen die vervolgens worden geactiveerd.

Lymfeknopen hebben afferente lymfebuizen waarmee zij lymfe opnemen uit perifere weefsels, hier kunnen ook pathogenen in voorkomen in geval van infectie. Lymfeknopen hebben ook efferente lymfebuizen die vanuit de lymfeknoop lymfevloeistof transporteren naar andere lymfeknopen.

Dendritische cellen kunnen lymfeknopen alleen binnenkomen door afferente lymfebuizen, terwijl T-cellen zowel via het bloed dat de lymfeknoop van zuurstof en nutrienten voorziet, als via de afferente lymfebuizen binnen kunnen komen. T-cellen kunnen vervolgens ook via efferente lymfebuizen migreren tussen lymfeknopen om alsnog geactiveerd te worden, wanneer dit niet is gebeurt.

T-cellen hebben een lange levensduur en zullen gedurende het leven van de mens verschillende keren door alle lymfeknopen migreren. Hierbij ontstaat er steeds een kans dat de cel geactiveerd wordt. Na activatie duurt het enkele dagen voordat de T-cel volledige proliferatie en differentiatie is ondergaan. Dit verklaart de vertraging tussen het begin van de infectie en het begin van de adaptieve immuunrespons.

Secundaire lymfoide organen bevatten 3 soorten Antigen-Presenterende Cellen (APC).

Drie soorten APCs zijn aanwezig in secundaire lymfoide organen. Dendritische cellen bevinden zich alleen in de cortex van de lymfeknoop. Macrofagen bevinden zich in zowel de cortex als de medulla. B-cellen zijn alleen aanwezig in de follikels van de lymfeknoop.

Van deze 3 APCs zijn dendrieten het meest effectief en B-cellen het minst effectief in het presenteren van antigenen. Wat deze cellen onderscheidt van andere cellen is de aanwezigheid van B7, een costimulerend molecuul dat bindt met CD28 op de T-cel en vereist is om T-cellen te activeren.

Dendritische cellen ontwikkelen zich na opname van een pathogeen tot mature dendritische cellen. In de lymfeknopen worden deze cellen ook wel interdigitating reticular cells genoemd, vanwege hun vingerachtige uitsteeksels, waarmee zij makkelijker in contact komen met T-cellen. Ook gaan zij meer MHC moleculen produceren en moleculen zoals B7 en CCL18.

De functie van macrofagen in secundaire lymfoide weefsels is meervoudig. Zo zullen zij infecties opnemen die proberen via het lymfeweefsel het bloed te bereiken. Vervolgens kunnen zij deze antigenen gelijk presenteren aan naive T-cellen. Ook nemen zij lichaamseigen materiaal op wat eventueel bloedvaten kan verstoppen. Tenslotte breken zij ontwikkelende lymfocyten af die niet geselecteerd zijn voor overleving.

De follikels van lymfeknopen zijn de plekken waar B-cellen zich bevinden. B-cellen kunnen hier door middel van endocytose antigenen opnemen en presenteren. Tijdens de primaire immuun respons zullen B-cellen zich normaliter niet bezighouden met het activeren van T-cellen. Integendeel, T helper cellen zullen B-cellen activeren. Deze T helper cellen zijn namelijk eerder in hetzelfde lymfoide weefsel geactiveerd door macrofagen of dendritische cellen. Omdat de B-cellen nu een peptide op een MHC 2 complex presenteren, kunnen de T-helper cellen hieraan binden en deze B-cellen activeren.

Proliferatie van differentiatie van geactiveerde T-cellen wordt aangestuurd door IL-2.

Differentiatie en proliferatie van geactiveerde T-cellen begint met de productie van Interleukine-2 door de geactiveerde T-cel zelf. IL-2 bindt vervolgens aan receptoren op de T-cel en controleert de ontwikkeling van de cel.

IL-2 is zelf instabiel. Binding van B7 met CD28 zorgt daarom voor genetische veranderingen die leiden tot een hogere productie van IL-2. Zo wordt de hoeveelheid IL-2 nauwkeurig gecontroleerd. De naieve T-cel heeft een IL-2 receptor met lage affiniteit. De geactiveerde T-cel produceert een IL-2 receptor met hoge affiniteit, wat leidt tot een sterker effect.

Naief betekent ongestimuleerd, immatuur betekent nog niet volledig ontwikkeld. Een naieve mature T-cel kan dus ook bestaan.

Na binding met eigengemaakt IL-2 ondergaat de T-cel proliferatie. Door 2 tot 3 keer per dag te delen voor 7 dagen lang, zal binnen korte tijd een grote hoeveelheid antigen-specifieke T-cellen ontstaan.

Medicijnen zoals tacrolimus, cyclosporine A en rapamycine voorkomen de aanmaak van IL-2 waardoor T-cel productie wordt onderdrukt. Dit is van groot belang in de behandeling van transplantatie-patienten om rejectie van het orgaan te voorkomen.

Herkenning van een antigen door een naieve T-cel zonder co-stimulatie zorgt voor een non-responsieve T-cel.

Als een mature naieve T-cel zich bindt aan een antigen-presenterende cel die geen costimulatoren heeft, zal de T-cel anergisch worden. Dit betekent dat het niet zal delen en differentieren, maar ook dat het in de toekomst niet langer geactiveerd kan worden door andere APCs.

Costimulatoren zijn eiwitten zoals CD4, CD8, maar ook bijvoorbeeld B7. Deze moeten aanwezig zijn om de T-cel te activeren. Het kan namelijk voorkomen dat de thymus niet alle T-cellen heeft verwijderd die reageren met lichaamseigen stoffen. Alleen APCs bevatten B7 en daarom zijn deze costimulatoren dus een extra check om te kijken of het antigen echt lichaamsvreemd is.

Het anergisch worden van T-cellen door gebrek aan costimulatie doet zich voor bij het toedienen van vaccins. Het komt vaak voor dat het toedienen van alleen gepurificeerd antigen niet tot een immuunreactie leidt. Wanneer dit antigen wordt geïncorporeerd in een bacterie of virus, gebeurt dit wel. Het blijkt dus dat costimulatoren alleen worden gevormd door APCs wanneer andere componenten aanwezig zijn die duiden op de aanwezigheid van een pathogeen.

Na activatie van CD4 T helper cellen, ontwikkelen deze cellen verschillende functies.

Wanneer CD4 T helper cellen zijn gedifferentieerd tot effector cellen, hebben ze een arsenaal aan verschillende cytokinen. De vorming van deze cytokinen is afhankelijk van welk type helper-cel de cel zal worden. Er zijn namelijk 2 soorten T helper cellen:

1. T-helper 1 cellen (Th1): Deze cellen maken voornamelijk IL-2 and IFN-γ aan. Deze stoffen induceren macrofaag activatie, inflammatie, B-cel activatie en de productie van antilichamen die pathogenen kunnen opsonizeren.

2. T-helper 2 cellen (Th2): Deze cellen maken voornamelijk IL-4 en IL-5 aan. Deze stoffen induceren B-cel differentiatie en de productie van neutralizerende antilichamen.

Tot welke soort T-cel de cel differentieert is afhankelijk van de cytokinen in de omgeving waarin de cel wordt geactiveerd. Dendritische cellen zijn heterogeen op het gebied van hun oppervlakte moleculen en cytokinen, waardoor ook de binding met het soort dendritische cel uitmaakt tot welke cel de T-cel differentieert.

De omgeving die nodig is voor een Th1 cel is een omgeving met IL-12 en IFN-γ. IL-12 wordt door dendritische cellen aangemaakt en IFN-γ door NK-cellen. Deze cytokinen leiden tot aanmaak van IFN-γ door de T-cel die vervolgens de cel doet differentiëren tot een T-helper 1 cel. Ook geactiveerde CD4 T-cellen in de omgeving zullen Th1 cellen worden.

Wanneer daarentegen IL-4 aanwezig is in de omgeving, zal deze de cel stimuleren om IL-4 en IL-5 aan te maken. Wanneer de T-cel IL-4 aanmaakt zal de cel zelf, maar ook zijn omgeving zich ontwikkelen tot T-helper 2 cellen. Welke cel IL-4 aanmaakt is onbekend, wellicht is het de basofiel.

Polarizatie is het proces waarbij T-helper cellen specifieke functies hebben die niet worden gedeeld door de andere soort helper cel. Zo zijn Th1 cellen verantwoordelijk voor cellulaire immuniteit, terwilj Th2 voornamelijk de humorale immuniteit aansturen. Veel processen binnen de adaptieve immuun respons worden echter gedeeld door beide cellen.

Dit proces van polarizatie is zeer evident in de ziekte van lepra. Patienten zullen of een Th1 of een Th2 respons ontwikkelen. Patienten met een Th1 respons overleven de ziekte vaak, zijn minder besmettelijk en bezitten lagere hoeveelheden mycobacterium. Patienten met een Th2 respons ontwikkelen vorming van antilichamen die de intracellulaire pathogeen niet kunnen bestrijden, waardoor grootschalige vernietiging van weefsel optreedt. Patienten zijn erg besmettelijk en de mycobacterium kan zich blijven ontwikkelen.

Vanwege dit proces is de naamgeving voor de aandoening in 2 groepen verdeeld: tuberculose lepra verwijst naar patienten met een Th1 reactie, terwijl lepramoteuze lepra verwijst naar patienten met een Th2 reactie.

De activatie van naieve CD8 T cellen tot cytotoxische cellen kan op verschillende manieren gebeuren.

Een CD8 T-cel vereist sterke costimulatie om te worden geactiveerd. Dit kan alleen gebeuren door dendrieten. Er zijn 3 manieren waarop een CD8 T-cel kan worden geactiveerd om zich te ontwikkelen tot cytotoxische T-cel:

1. Wanneer een dendriet B7 bezit en hiermee bindt aan CD28 van de T-cel, produceert de T-cel IL-2 en de IL-2 receptor, waardoor proliferatie en differentiatie in gang worden gezet.

2. In het geval van verminderde costimulatie, kan de CD8 alsnog worden geactiveerd. De dendriet bevat geen B7, maar bindt met een geactiveerde CD4 T-cel. Hierdoor wordt de dendriet gestimuleerd meer B7 te maken. Nu kan de dendriet wel binden met de CD8 T-cel en zal deze worden geactiveerd.

3. Ten slotte is het mogelijk dat de dendriet bindt met een naieve CD4 T-cel. Binding leidt tot activatie en productie van IL-2 door de CD4 T-cel, die vervolgens leidt tot activatie van de CD8 T-cel.

Op deze manieren is het mogelijk om bij onvolledige costimulatie toch CD8 T-cellen te activeren. De reden waarom de eis tot activatie bij CD8 T-cellen zo hoog is, is omdat ze schade aan het menselijk lichaam kunnen aanbrengen. Daarom moet het lichaam zeker zijn dat het antigen afkomstig is van een ziekteverwekker.

Wanneer een T-cel zich ontwikkelt tot een effector cel – ongeacht of dit cytotoxisch, Th1 of Th2 is – ondergaat de cel veranderingen. De cel heeft bijvoorbeeld niet langer costimulatie nodig om te binden. Dit is zo omdat de meeste humane cellen nooit B7 tot uitdrukking brengen. Hierdoor krijgt de T-cel meer ruimte om cellen te vernietigen, maar ook om sneller macrofagen en B-cellen te ondersteunen.

Cytotoxische T cellen doden pathogenen door middel van apoptose.

De cytotoxische T-cel vernietigt het pathogeen niet door middel van necrose, maar door apoptose. Deze geprogrammeerde celdood zorgt dat de cel netjes krimpt en geen schadelijke pathogeen onderdelen achterlaat. De cytotoxische T-cel doet dit op 2 manieren. Ten eerste zal het verschillende proteases de cel binnen brengen, die het membraam en celonderdelen gaan opknippen. Ten tweede kan het binden met het Fas molecuul op het membraam van de cel. Dit signaal zet de cel aan tot apoptose.

Th1 cellen kunnen macrofagen activeren.

Th1 helper cellen migreren van de secundaire lymfoide organen naar de plaats van infectie en binden met macrofagen. Hierdoor ontstaat een sterke binding tussen macrofaag en Th1 cel. De Th1 cel produceert cytokinen en activeert de macrofaag. Macrofaag activatie leidt tot verschillende processen:

• Phagosomen kunnen efficienter fuseren met lysosomen

• De macrofaag synthetiseert meer zuurstof radicalen, stikstof oxide (NO) en andere schadelijke producten tegen het pathogeen.

• In de secundaire lymfoide organen gaat de macrofaag meer MHC 2 en B7 tot expressie brengen.

Th1 helper cellen produceren IFN-γ om de macrofaag te activeren. Daarnaast heeft de Th1 een CD 40 ligand dat CD40 op het oppervlak van de macrofaag kan binden. Hierdoor wordt de macrofaag gevoeliger voor IFN-γ. Th1 helper cellen stoppen met het produceren van IFN-γ wanneer contact met de macrofaag wordt verloren.

Th1 cellen coordineren de respons tegen pathogenen die zich in macrofagen bevinden.

Sommige pathogenen maken gebruik van macrofagen om te overleven. Zo verblijven zowel de parasiet Leishmania als de Lepra mycobacterium in een vesicel binnen de macrofaag. Antilichamen kunnen hier niet bijkomen en zo blijven ze beschermd.

De Th1 respons kan hier uitkomst bieden op verschillende manieren:

1. Activatie van macrofagen in combinatie met IFN-γ en CD40 productie leidt tot vernietiging van intracellulaire pathogenen.

2. Binding met Fas receptoren leidt tot vernietiging van chronisch geinfecteerde macrofagen.

3. Productie van IL-2 leidt tot T-cel proliferatie

4. Productie van IL-3 en GM-CSF leidt tot verhoogde macrofaag differentiatie in het beenmerg

5. Productie van TNF-α en LT zorgt voor activatie van endotheel, waardoor fagocyten in het bloed migreren naar het weefsel

6. Productie van CXCL2 zorgt dat fagocyten worden gedirigeerd van het bloedvat naar de plaast van infectie.

Op deze manier hebben Th1 cellen verschillende methoden om macrofagen te helpen opgenomen pathogenen te vernietigen.

Wanneer macrofagen het pathogeen niet kunnen afbreken kan een chronisch geinfecteerde macrofaag ontstaan. Deze macrofagen clusteren samen en worden omringd door T-cellen. Dit wordt ook wel een granuloom genoemd. Giant cells bevinden zich in het midden van een granuloom en bestaan uit gefuseerde macrofagen die pathogenen bevatten.

In tuberculose kunnen ophopingen van granulomen tot necrose leiden. Omdat dit dode weefsel op kaas lijkt wordt dit ook wel caseous necrosis genoemd.

CD4 Th2 cellen activeren alleen B-cellen die hetzelfde antigen als zijzelf herkennen.

Tijdens een infectie bevat de T-cel zone van een secundaire lymfoide weefsels Th2 effector cellen. Deze cellen kunnen binden met circulerende mature B-cellen, die antigenen hebben opgenomen en gepresenteerd.

Wanneer een Th2 cel gebonden is met een B-cel, zal de T-cel CD40 ligand aanmaken. Dit ligand bindt met CD40 op de B-cel, die hierdoor wordt aangezet tot proliferatie. Ook IL-4, 5 en 6 worden aangemaakt door de Th2 cel en zetten de B-cel aan tot proliferatie en differentiatie.

Binding tussen een Th2 cel en een B-cel gebeurt alleen wanneer zij beide hetzelfde antigen herkennen. Het antigen wat herkend wordt door de Th2 moet onderdeel zijn van het complex dat bindt aan de immunoglobuline op het oppervlak van de B-cel. De B-cel is extreem efficient om dit te bewerktstelligen. Het endocyteert namelijk opgenomen delen van bacterien en virussen, verwerkt het en zorgt dat allerlei mogelijke peptiden worden gepresenteerd op het oppervlak. Wanneer genoeg specifieke antigenen worden gepresenteerd, kan de Th2 binden en worden geactiveerd.

Immunology, The Immune System, hoofdstuk 9: Immuniteit door B cellen en antilichamen

(Blz. 254-255, 262-263, 264-272, 275)

Activatie van naieve B cellen door de meeste antigenen vereist hulp van CD4 T cellen.

Dendritische cellen migregen naar secundaire lymfoide organen nadat ze antigenen hebben opgenomen uit de omgeving. In de secundaire lymfoide organen presenteren ze deze antigenen aan CD4 T-helper cellen die vervolgens proliferen en differentieren. Een CD4 Th2 cel zal vervolgens in de lymfeknoop blijven waar ze B cellen zullen activeren.

Naieve B cellen circuleren door bloed en lymfen en komen de lymfeknoop binnen via afferente lymfebuizen. Zij worden aangetrokken door chemokines naar de B-cell zone, waar ze proberen een follikel binnen te gaan. Wanneer een B-cel een antigen tegenkomt, wordt het antigen gebonden en ondergaat het receptor-gemedieerde endocytose. Hierdoor wordt het opgenomen in de cel en kan het gepresenteerd worden op een MHC klasse 2 molecuul.

Na binding ondergaat de B cel veranderingen die ervoor zorgen dat de B-cel de T-cel zone niet meer kan verlaten. Hier kunnen de B-cellen gaan binden met geactiveerde CD4 Th2 cellen.

Nadat B en Th2 cellen binden zal de B-cel CD40 ligand gaan produceren, dat bindt met CD40 op het oppervlakte van de Th2 cel. Hierdoor wordt de binding versterkt en zal de Th2 cel het cytoskelet en het Gogli apparaat in de cel zo aanpassen dat het optimaal cytokinen kan gaan verstrekken aan de B-cel.

Het is mogelijk dat een B-cel direct wordt geactiveerd zonder hulp van een T-helper cel, maar dit komt zelden voor.

Cytokinen die gemaakt worden door T-helper cellen bepalen of een B-cel een plasma cel of een memory cel wordt.

Tijdens de piek van de adaptieve immuun respons zullen B-cellen zich voornamelijk ontwikkelen tot antilichaam-producerende plasma cellen. Dit gebeurt onder invloed van IL-10. In latere stadia van de immuunrespons zullen onder invloed van IL-4 ook memory cellen worden geproduceerd. Dit zijn B-cellen die zich ontwikkelen tot cellen die een specifiek antilichaam dat past bij de ziekte onthouden, zodat deze snel kan worden ingezet bij herintrede van de infectie.

Tijdens de immuunrespons zullen immunoglobulinen isotype switching ondergaan. Het wisselen van de zware keten en het gelijk houden van het antigeen-presenterende domein, zorgt ervoor dat de antilichamen verschillende functies krijgen.

IgM, IgG and monomeer IgA beschermen de interne weefsels van het lichaam.

Als eerste wordt IgM gemaakt tijdens de immuunrespons en dit vindt plaats in het beenmerg, de milt en het merg van lymfeknopen. Vervolgens migreren ze naar de plaats van infectie via het bloed. Hun pentameer structuur zorgt voor sterke binding met het pathogeen. Daarnaast activeert IgM complement via de klassieke pathway.

Gedurende de immuunrespons ontstaat specifiekere antigen-bindingsplaatsen, waardoor de 10 bindingsplaatsen van IgM niet langer nodig zijn. IgA en IgG hebben 2 bindingsplaatsen en zijn kleiner, zodat ze beter de bloedbaan kunnen verlaten en weefsels doordringen. Dit is voornamelijk IgG, maar monomeer IgA heeft ook een rol.

Endotheelcellen nemen extracellulair materiaal op voor afbraak in lysosomen. Hierbij kunnen ook IgG antilichamen binnenkomen. Deze worden beschermt tegen afbraak door de FcRn receptor. Vervolgens wordt het antilichaam via het basolaterale membraam afgegeven.

Naast hun functie in weefsels zorgen IgM, IgG and monomeer IgA ook voor bescherming van het bloed tegen infecties. Wanneer een pathogeen het bloed binnendringt, wordt deze gelijk door deze antilichamen onschadelijk gemaakt.

Dimeer IgA beschermt de mucosalagen van het lichaam.

Terwijl IgM, IgG and monomeer IgA de weefsels en vloeistoffen van het lichaam bewaken, zo verzorgt dimeer IgA bescherming van het mucosale epitheel van het lichaam. Dit zijn de interne oppervlakten van het gastro-intestinale stelsel, de neus, de keel, de longen, maar ook de urinaire en genitale interne slijmvliezen.

B en T-cellen in de lamina propria – de bindweefsel laag onder de basaal membraam van het epitheel – produceren IgA antilichamen. Deze antilichamen worden via receptoren, de poly-Ig receptoren, in het basaal membraam getransporteerd naar het mucosale epitheel. Naast dimeer IgA moleculen kunnen ook de pentameer IgM moleculen door deze receptor worden getransporteerd naar de mucosa. Hier binden ze microorganismen, zodat ze het buitenoppervlak van het lichaam niet kunnen koloniseren. Vervolgens worden ze verwijderd via zweet, spuug, faeces and andere uitscheidingen.

IgE verzorgt een mechanismen om pathogenen snel uit het lichaam te verwijderen.

IgE antilichamen blijven niet lang opgelost in de bloedcirculatie. Al snel zullen ze binden aan de Fc receptor van mestcellen in het bindweefsel, basofiele granulocyten en geactiveerde eosinofiele granulocyten. Dit is zo'n sterke binding dat de IgE antilichamen niet meer los kunnen komen. Wanneer een antigen bindt met de IgE antilichamen zal de mestcel een sterke reactie induceren die inwerkt op de gladde spiercellen en leidt tot niezen, hoesten, overgeven en diarree. Dit zorgt ervoor dat het pathogeen op fysieke wijze wordt verwijderd uit het lichaam.

IgE antilichamen bevinden zich vooral in de bindweefsellagen die onder de slijmvliezen liggen, maar ook die onder de huid liggen.

Bij allergien en astma vertonen patienten sterke IgE-gemedieerde immuunreacties tegen stoffen die helemaal niet schadelijk zijn, zoals bijvoorbeeld pollen.

Moeders beschermen hun kinderen met eigen antilichamen tijdens en na de geboorte.

IgG antilichamen kunnen als enige de placenta passeren via de FcRn receptor. Op deze manier zijn babies voor en na de geboorte beschermt met de antlichamen van de moeder. De mucosale oppervlakten zijn echter niet beschermt en daarom krijgt het kind IgA dimeren binnen via de borstvoeding. Deze overdracht van IgA valt onder passieve overdracht van immuniteit wat ook voorkomt bij intraveneuze administratie van immunoglobulinen bij patienten met immuunaandoeningen.

Na 6 maanden begint het kind zelf antlichamen te produceren. Tot deze tijd is het kind afhankelijk van het immuunsysteem van de moeder. Vervolgens zullen de IgG niveaus in de periode van 3 tot 12 jaar nog steeds laag zijn waardoor kinderen gevoelig zijn voor infecties, omdat hun eigen arsenaal aan antilichamen nog niet voldoende is opgebouwd.

Neutralizerende antilichamen met hoge affiniteit voorkomen dat pathogenen cellen infecteren.

Voordat pathogenen cellen kunnen infecteren zullen ze zich binden aan het epitheel. Antilichamen met hoge affiniteit voor de pathogenen kunnen het pathogeen neutralizeren voordat deze bindt met het epitheel en zo infectie voorkomen. Omdat veel infecties op de slijmvliezen ontstaan, zijn dit vaak IgA antilichamen.

Het influenza virus infecteert vaak cellen in de luchtwegen door eiwit component genaamd influenza hemagglutinine. Hiermee kan het binden met rode bloedcellen en hier klonten van maken. IgA tegen influenza kan dit echter opvangen, zodat de ziekteverwekker wordt geneutraliseerd, voordat het kan binden met de rode bloedcellen.

Ook in het geval van een streptococcus pyogenes infectie (soar throat) richten IgA antilichamen zich tegen eiwit F, dat zich kan binden met fibronectine. Op deze manier wordt de aanval afgeslagen.

IgG and IgA antilichamen met hoge affiniteit kunnen toxinen en dierlijke giftige stoffen neutralizeren.

Bacterien werken onder andere door het afgeven van toxines, na binding met een humane cel. IgG antilichamen met hoge affiniteit kunnen dit opvangen door voortijdig te binden met deze toxines. Ook IgA dimeren kunnen dit doen voor mucosale oppervlakten.

Ook dierlijke giftige stoffen zoals slangen- en schorpioenenbeten kunnen het lichaam beschadigen. Deze stoffen kunnen tot de dood leiden, omdat de immuunreactie van de mens te langzaam is. Vaccins of passieve immunizatie bieden in deze gevallen een oplossing.

Rode bloedcellen faciliteren de verwijdering van immuuncomplexen uit de circulatie.

Antilichamen kunnen na binding met antigenen samenklonteren in de bloedstroom tot immuuncomplexen. Deze immuuncomplexen moeten vervolgens verwijderd worden omdat ze anders vast kunnen lopen in organen en daar schade kunnen veroorzaken. Dit gebeurt voornamelijk in de glomeruli in de nieren. Normaal gesproken zijn dit kleine hoeveelheden en kunnen mesangiale cellen deze schade opvangen. Echter, bij de aandoening SLE lopen grote hoeveelheden antilichamen, antigenen en complement vast in de glomeruli van de nier wat kan leiden tot nierfalen.

De verwijdering van immuuncomplexen gebeurt via rode bloedcellen. Immuuncomplexen worden bedekt met C3b complement waarna ze kunnen binden aan de CR1 receptoren op rode bloedcellen. Zo worden rode bloedcellen bedekt met immuuncomplexen. Vervolgens worden deze rode bloedcellen opgenomen door macrofagen in de lever of de milt waar ze worden ontdaan van de antigenen, antilichamen en complement.

Immunology, The Immune System, hoofdstuk 11: Wanneer de verdediging van het lichaam faalt

(Blz. 329-334, 337, 338-348, 351-356, 359-361)

Het is mogelijk dat ondanks de fysieke barrières van het lichaam en het innate en adaptive immune system, pathogenen het lichaam kunnen binnendringen en beschadigen. Dit kan verschillende redenen hebben. Zo kunnen pathogenen zich ontwikkelen zodat ze het immuunsysteem kunnen ontwijken of bedriegen. Ook is het mogelijk dat het immuunsysteem vanwege mutaties in bepaalde genen inefficiënt of verzwakt is, zodat het infecties slecht kan bestrijden.

Een voorbeeld van het ontwijken van het immuunsysteem is genetische variatie onder pathogenen. Dit is bijvoorbeeld het geval bij infectie met streptococcus pneumoniae, een bacterie die pneumonie kan veroorzaken. Deze bacterie heeft in ieder geval 90 verschillende rassen (engels: strains), die steeds andere oppervlakte-moleculen presenteren. Zo'n vorm van een pathogeen wordt ook wel een serotype genoemd. Bij herinfectie kunnen eerder gevormde antilichamen deze bacterie niet verwijderen, vanwege de verandering in oppervlakte moleculen. Op deze manier kan s. pneumoniae vaak succesvol een infectie veroorzaken, omdat het een effectieve geheugenvorming van het immuunsysteem tegengaat.

Een ander voorbeeld is antigenic drift. Hierbij ontstaan een verschuiving in de presentatie van antigenen, vanwege genetische mutaties. Het influenza virus is een RNA virus. Dit RNA ondergaat replicatie, maar hierbij komen vaak fouten voor. Spontane mutaties kunnen zo leiden tot nieuwe oppervlaktemoleculen die niet kunnen worden herkend. Dit kan leiden tot een epidemie.

Antigenic shift is het verschijnsel waarbij pathogenen zo verschillend zijn dan hun oorspronkelijke humane variant dat ze grote schade in een bevolkingsgroep kunnen aanrichten. Dit is bijvoorbeeld het geval bij influenza virussen die recombinatie van RNA gebruiken van zowel humane influenza rassen als vogel influenza rassen. Omdat de antigenen van deze rassen structureel anders zijn dan de humane influenza rassen, kan het immuunsysteem hier slecht op reageren. Dit kan leiden tot een pandemie.

Endemie: infectie op lokale of individuele schaal.

Epidemie: infectie op regionale of landelijke schaal.

Pandemie: infectie op continentale of wereldwijde schaal.

Gene rearrangement is een manier die pathogenen gebruiken om een groot verschillend aantal oppervlakte-moleculen te creëren. De Afrikaanse trypanosoom parasiet bevat meer dan 1000 genen die allemaal coderen voor een verschillend oppervlakte molecuul. Tijdens gene conversion wordt 1 van deze genen uitgekozen en op de plek geplakt waar expressie zal plaatsvinden. Op deze manier kan de parasiet uit 1000 verschillende oppervlakte-moleculen kiezen om zo steeds weer opnieuw het immuunsysteem te ontwijken.

Herpesvirussen verstoppen zich voor het immuunsysteem.

Sommige virussen, zoals het herpesvirus, kunnen latent worden voor langere perioden van tijd. Tijdens deze staat zal het virus geen activiteit vertonen en zich niet vermenigvuldigen. Het gevolg is dat er slechts weinig virus-cellen en virus-peptiden zijn om te presenteren voor het immuunsysteem. Op deze manier ontsnappen deze virussen aan het immuunsysteem.

Zo kan het herpes simplex virus voor langere tijden in neuronen verblijven. Wanneer de persoon tijdelijk kwetsbaar is door hormonale veranderingen, stress of andere infecties, wordt het virus geactiveerd en zal het zich opnieuw proberen te verspreiden. Neuronen zijn een favoriete plek voor latente virussen, omdat ze slechts weinig MHC 1 moleculen presenteren.

Het herpes-zoster virus (3e herpes virus) verstopt zich in ganglia en kan ook opnieuw geactiveerd worden bij kwetsbaarheid.

Het Epstein-Barr Virus (EBV, 4e herpesvirus) infecteert B-cellen en via B-cellen ook T-cellen. Dit leidt tot een abnormaal grote hoeveelheid mononucleaire witte bloed cellen (lymfocyten). Hier heeft de ziekte haar naam aan te danken: ziekte van Pfeiffer of mononucleosis infectiosa. Na verwijdering door cytoxische T-cellen kan het jaren latent blijven in B-cellen, waar het niet herkend wordt door het immuunsysteem. Het komt niet vaak voor dat EBV gereactiveerd wordt, omdat T-cellen hier snel op kunnen reageren. Alleen bij immuno-gecompromitteerde patienten kan dit problemen geven.

Het is mogelijk dat de immuunrespons tegen pathogenen voor ziekteverschijnselen zorgt. Sterker nog, bij sommige pathogenen is het immuunsysteem verantwoordelijk voor alle pathologie die met de infectie gepaard gaat. Een goed voorbeeld is het Respiratoir Syncytieel Virus (RSV) dat vooral kinderen treft. Een sterke Th2 reactie zorgt voor bronchospasmes, vermeerderde mucus-secretie en de recruitment van eosinofielen die weefsel beschadigen.

Een overmatige Th2 respons tegen Schistosoma Mansoni kan tot chronische inflammatie en zelfs leverfalen leiden.

Erfelijke immunodeficiente aandoeningen

Er zijn 2 soorten aandoeningen van het immuunsysteem:

1. Primaire immunodeficiente aandoeningen: Aandoeningen veroorzaakt door het overerven van genen die het immuunsysteem negatief beinvloeden.

2. Secundaire immunodeficiente aandoeningen: Aandoeningen veroorzaakt door externe (verworven) factoren die het immuunsysteem negatief beinvloeden.

Zeldzame primaire immunodeficiente aandoeningen laten zien hoe het immuunsysteem werkt. Zo is het mogelijk dat mutaties leiden tot uitval van specifieke componenten van het immuunsysteem. Met de recente ontwikkelingen in de genetica is het vaak mogelijk te achterhalen welk component niet functioneert. Op deze manier wordt het immuunsysteem beter begrepen.

Immunodeficiente aandoeningen die overerven kunnen dominant, recessief of X-gebonden zijn. Dit genetische karakter bepaalt of een individu is aangedaan en of deze een carrier is van het bepaalde gen. Carriers zijn zelf niet aangedaan, maar kunnen wel genen doorgeven waar ziekte uit kan ontstaan. X-gebonden aandoeningen komen vaker voor bij mannen, omdat zij slechts 1 X-chromosoom hebben.

Aandoeningen receptoren

IFN-γ receptor deficiëntie is een erfelijke aandoening waarbij de receptor voor IFN-γ niet correct is geassembleerd. NK, Th1 en CD8 cytotoxische T-cellen maken IFN-γ en activeren hiermee macrofagen. Patienten met 2 mutante recessieve allelen hebben hier ernstig last van, terwijl patienten met 1 mutante recessieve allel vaak gezond zijn, omdat het eiwit gemaakt door het zieke allel niet interfereert met het product van het gezonde allel. Patienten met 1 mutante recessieve en 1 mutante dominante allel zitten hier tussen in qua fenotype. Het gemaakte product functioneert slechts deels, vanwege interferentie tussen de mutante receptoren.

Aandoeningen B-cellen

X-gebonden agammaglobulinemie (XLA) is een aandoening waarbij een mutante vorm van het Btk gen zorgt dat patienten geen mature B-cellen kunnen ontwikkelen. Dit gen zorgt voor intracellulaire signalen en differentiatie van de B-cel. Patienten kunnen hierdoor geen antilichamen aanmaken.

Vooral de volgende extracellulaire virussen komen vaak voor bij deze patienten:

• Haemophilus influenzae

• Streptococcus pneumoniae

• Streptococcus pyogenes

• Staphylococcus aureus

• Enterovirussen.

Patienten met een aandoening van de B-cellen kunnen alsnog pathogenen uitschakelen en overige infecties kunnen met antibiotica worden behandeld. Echter, afgifte van proteases van sterfende pathogenen en fagocyten na behandeling met antibiotica kunnen blijvende schade veroorzaken.

• Bronchiectase is permanente schade veroorzaakt door herhaaldelijke infectie van de longen en behandeling hiervan met antibiotica. De luchtwegen verliezen hun elasticiteit en kunnen een plaats worden van chronische inflammatie.

• Om dit te voorkomen kunnen patienten met XLA worden behandeld met intraveneuze toediening van gammaglobuline. Dit is een vorm van passieve immuniteit.

X-gebonden hyper IgM syndroom Defecten in het gen voor CD40 ligand, dat voorkomt op geactiveerde T-cellen, leidt tot B-cellen die geen isotype switching kunnen ondergaan. De patient heeft daarom torenhoge hoeveelheden IgM in het bloed en lage hoeveelheden van IgG, IgA en IgE.

Deze patienten hebben vaak last van pyogene bacterien (net als bij XLA), maar dit kan worden opgevangen door behandeling met gammaglobulinen of antibiotica.

Deze patienten hebben vaak ook last van neutropenie, lage hoeveelheden neutrofiele granulocyten. Dit leidt tot een droge mond met zweren en schaafwonden, omdat hier veel bacterien zijn en de integriteit van de mucosa afhankelijk is van continue aanwezigheid van neutrofielen.

Aandoeningen Complementsysteem

Omdat het complement systeem vereist is voor alle effector functies van antilichamen, is er een overlap in symptomen tussen patienten zonder antilichamen en zonder complementfuncties. Gebrek aan complement componenten zoals C3 zorgt voor een verhoogde susceptibiliteit voor pyogene infecties.

Genetische deficienties in complement componenten C1-C4 zorgen er ook voor dat immuuncomplexen niet meer geklaard kunnen worden, omdat deze sterk afhankelijk zijn van binding tussen C3b of C4b met rode bloedcellen. Dit leidt tot opeenhoping van immuuncomplexen in weefsels dat tot inflammatie en weefselbeschadiging kan leiden.

Hereditary angioneurotic edema (HANE) is een autosomale dominante aandoening veroorzaakt door deficientie van C1 inhibitor. Deze patienten hebben een overactieve klassieke complement pathway, evenals een overactieve bloedsstolling. Samen zorgt dit voor lekking van vocht in de weefsels, wat leidt tot zwelling van het gezicht, de larynx en het abdomen, wat tot verstikking kan leiden.

HANE wordt behandeld met recombinante C1 inhibitor infusie.

Aandoeningen fagocyten

Leukocyte adhesion deficiency: Aandoening waarbij de integrins van fagocyten genetisch defect zijn vanwege een mutatie van CD18, waardoor deze cellen niet langer kunnen binden en migratie onmogelijk wordt. Deze aandoening gaat gepaard met persisterende infecties van extracellulaire bacterien. Kinderen hebben last van pyogene infecties en problemen met wond heling.

Macrofagen en neutrofielen kunnen niet migreren naar de weefsels en opsonizatie kan niet plaatsvinden omdat sommige complement receptoren ook adhesins zijn, en deze dus niet functioneren.

Chronic granulomatous disease: Fagocyten kunnen hun functie niet uitvoeren omdat zij superoxide radicaal O₂^- niet kunnen aanmaken. Dit is vanwege een mutatie in het NADPH oxidase systeem. Patienten leiden aan chronische bacteriele infecties, die vaak leiden tot de vorming van granulomen.

Chediak-Higashi syndroom: Gefagociteerd materiaal wordt niet afgeleverd bij lysosomen vanwege een defect in het fusiemechanisme. Gevolg is persisterende en terugkomende bacteriele infecties.

Aandoeningen T-cellen

Omdat T-cellen bij alle aspecten van het adaptieve immuunsysteem betrokken zijn, zullen patiënten met deficiënties op dit vlak meer last hebben van persisterende en recurrente infecties dan patiënten met B-cel deficiënties.

Severe Combined Immune Deficiency (SCID): Aandoening waarbij patiënten zowel geen functionele B als T-cellen hebben. Dit kan verschillende oorzaken hebben, waarvan 1 vanwege een defect in een enzym dat assisteert met genetische recombinatie. Het fenotype van SCID is zo ernstig dat kinderen met de aandoening alleen kunnen overleven als zij geïsoleerd in een pathogeen-vrije ruimte worden gehouden, totdat zij beenmergtransplantatie and administratie van antlichamen ontvangen.

Wiskott-Aldrich syndroom (WAS): Bij deze aandoening is een eiwit betrokken dat functioneert in reorganisatie van het cytoskelet dat nodig is voor de aflevering van cytokinen door T cellen naar B-cellen, macrofagen en andere doelcellen. Het fenotype is minder ernstig dan SCID en kinderen hebben normale niveaus van B en T cellen.

Verworven immunodeficiente aandoeningen

Acquired Immunodeficiency Syndrome (AIDS): Deze aandoening gaat gepaard met lage hoeveelheden CD4 T-helper cellen en infecties van pathogenen die gezonde mensen niet raken. Ook Kaposi's sarcoom of B-cell lymfomen kunnen deze aandoening vergezellen. AIDS kan veroorzaakt worden door het human immunodeficiency virus (HIV). Hier zijn 2 typen van bekend, HIV-1 en HIV-2. AIDS komt voor op wereldwijde schaal en neemt pandemische proporties aan.

HIV is een retrovirus, een virus dat gebruikt maakt van DNA als tussenvorm om andere cellen te besmetten. Zelf bevat het RNA en reverse transcriptase, een enzym dat RNA kan omzetten in DNA. Vervolgens wordt dit DNA ingebouwd in het genoom van de host – zo wordt een provirus gevormd – waarna dit gebruikt wordt om nieuwe virus componenten en RNA te synthetiseren om zo het virus voort te planten. Een virus deeltje wordt ook wel virion genoemd.

Het HIV virus heeft een nucleocapside waarin het RNA , integrase p32 en protease p10 bewaart. Daarom heen bevindt zich een lipide envelop met oppervlakte moleculen gp120 en MHC eiwitten.

Het integrase wordt gebruikt om het gemaakte DNA in te bouwen in het genoom van de host.

Wanneer HIV virions wilt maken vanuit de geinfecteerde T-cel, zal deze cel eerst moeten worden geactiveerd. Hier heeft het virus enkele eiwitten voor die ervoor zorgen dat de transcriptie-activiteit toeneemt (Tat en Rev). Nu kunnen nieuwe onderdelen van het virus worden geproduceerd, waarna nieuwe virions de cel verlaten.

HIV behoort tot een grotere groep retrovirussen die langzaam ziekte veroorzaken en lentivirussen worden genoemd.

Infectie met HIV gebeurt voornamelijk na uitwisseling van lichaamsvloeistoffen tussen een geinfecteerde en niet-geinfecteerd persoon. Dit kan op verschillende manieren gebeuren:

• sexuele gemeenschap

• intraveneuze toediening van drugs met besmette naalden

• borstvoeding

• transfusie van menselijk bloed van HIV donoren

Het HIV virus kan macrofagen, dendritische cellen en CD4 T cellen besmetten, omdat deze allemaal CD4 tot expressie brengen, het molecuul wat het virus gebruikt als receptor. De gp120 glycoproteine aan het oppervlak van het virus bindt vervolgens aan CD4. Ook bindt het virus coreceptoren, welke bepalend zijn voor welk soort cel het virus zal binden.

Na infectie met HIV zal de patient asymptomatisch zijn of griep-achtige verschijnselen hebben. Het aantal CD4 T-cellen zal snel dalen. Na aanmaak van antilichamen en CD8 cytotoxische cellen zal dit aantal vervolgens licht stijgen. Deze periode duurt 2 tot 6 weken.

Seroconversie: Het moment waarop een patient voor het eerst aantoonbare anti-HIV antilichamen in zijn bloed heeft.

Hierna komt een periode die wordt aangeduid met 'klinisch latent zijn'. De patient is asymptomatisch maar ontwikkelt over een periode van 2 tot 15 jaar een dalend aantal CD4 T cellen. Wanneer dit aantal onder de 500 cellen / microliter daalt, wordt de patient symptomatisch. Onder de 200 cellen / microliter is sprake van AIDS.

Sommige mensen die blootstaan aan HIV worden niet besmet. Hier gaat het bijvoorbeeld om mensen die CCR5 ontbreken, een coreceptor die nodig is voor binding van het virus. Homozygote mensen hiervoor maken 1% uit van de gehele caucasische bevolking.

HIV infectie leidt tot immunodeficientie en dood door opportunistische infecties.

Na een paar dagen vanaf HIV infectie sterven CD4 T cellen. Dit kan komen vanwege 3 redenen. Ten eerste kunnen deze cellen sterven vanwege binding van virions aan bepaalde cel receptoren. Ten tweede zijn geinfecteerde cellen meer gevoelig voor apoptose. Ten derde kunnen cytotoxische cellen antigenen herkennen en deze cellen doden.

CD4 cellen zullen aangevuld worden, maar over tijd zal langzaamaan het aantal afnemen. Omdat CD4 T cellen belangrijk zijn voor elk deel van het immuunsysteem, zal het fenotype uiteindelijk lijken op dat van kinderen met SCID.

Uiteindelijk treden infecties op die al aanwezig zijn in het lichaam en bij gezonde mensen onderdrukt worden. Dit worden ook wel opportunistische infecties genoemd. Er zijn vele opportunistische infecties waar de patient last van kan krijgen en dit gebeurt in de volgorde waarmee het immuunsysteem niet langer functioneert.

1. Zo zullen patienten vaak eerst last krijgen van (bovenste) luchtweginfecties zoals Candida of Tuberculosis.

2. Later kunnen patienten reactivatie van herpesvirussen ondergaan vanwege gebrek aan CD8 T cellen die deze in toom kunnen houden. Hieronder vallen gordelroos (herpes 3, varicella-zoster), B-cel lymfomen (herpes 4, EBV) of Kaposi's sarcoom (herpes 8).

3. Pneumocystic carinii kan pneumonie of zelfs de dood veroorzaken in AIDS patienten.

4. In latere stadia kan reactivatie van het Cytomegalovirus (CMV, herpes 5) optreden.
 

Micro-organismes
Tegen veel ziektes zijn de medicijnen er wel, maar sommige landen kunnen deze niet betalen. Daarom zijn sommige ziektes in het ene land totaal niet gevaarlijk en in het andere land levensbedreigend. Door nieuwe ontwikkelingen blijkt dat m.o. (micro-organismes) die eerst onschuldig leken in sommige omstandigheden ziektes veroorzaken. Microbiology gaat over de microscopische levensvormen, ook degene die alleen in andere cellen voorkomen en degene die ook (deels) met het blote oog te zien zijn (wormen, fungus). M.o. zijn nodig voor de stikstof- en zuurstofbalans op aarde. Ook kunnen ze andere levensvormen helpen, zoals het produceren van voedingsstoffen voor planten. We delen de m.o. in in virussen, bacteriën, fungi en parasieten, in toenemende complexiteit. Virussen hebben alleen genome en een soort celstructuur, maar hebben een andere cel nodig om te overleven. Bacteriën hebben een celwand maar zijn prokaryotic (geen nucleus en organellen). Fungi zijn eukariotisch (met nucleus) en hebben een stijve buitenwand, zoals planten. Parasieten zijn eukariotisch en kunnen multicellulair zijn, hun opbouw lijkt op de dierlijke. Zie figuur 1.3 en 1.4 van Sherris.
Virussen zijn de parasieten van andere levende cellen (dierlijk, plant of zelfs bacterie). Ze bestaan uit RNA en DNA met meestal een eiwitlaag of vetlaag eromheen. Ze planten zich voort in een andere cel. Dit leidt vaak tot celdood en besmetting naar andere cellen. Sommige virussen tasten het genoom van de gastheer aan. Bacteriën zijn de kleinste levende cellen en hebben geen mitochondria, lysosomes of andere organellen: ze hebben alleen ribosomen en één DNA-chromosoom. Archaebacteria leven in een omgeving die voor mensen dodelijk is (bijvoorbeeld een hittebron). Fungi worden in twee groepen onderverdeeld: schimmels en gisten, beide hebben een celwand. Schimmels vormen uitstulpingen, deze heten hyphae en vormen een netwerk. Parasieten komen in allerlei vormen en groottes voor (van kleine amoebe tot meterlange worm). De meeste parasieten leven op zichzelf.
 

Normale flora
Het is normaal dat m.o. in en op het menselijk lichaam leven (Zie Sherris tabel 1-3 voor de meest voorkomende). Dit noemen we ‘normale flora’ en verschilt per lichaamsdeel en leeftijd. Deze m.o. leven in symbiose met ons. De normale flora blijft lang en heet bewoner. Andere m.o. blijft meestal kort: ze zijn vergankelijk. Als een mogelijk pathogeen aanwezig is maar geen (aantoonbare) schade doet, spreken we van dragerschap. De normale flora is zowel een beschermingsmechanisme als een bron van mogelijke pathogenen. De normale flora is aanwezig vanaf het moment dat de geboorte membranen breken en de fetus niet steriel meer is. De flora komt van andere individuën, daarom lijkt het vaak op dat van individuën van dezelfde leeftijd en cultuur. Er zijn veel factoren die de flora beïnvloeden (PH, zuurstofgehalte etc). Veel bacteriën kunnen zich vasthechten en voorkomen zo dat ze met lichaamsvloeistoffen worden weggespoeld. Tussen de flora is er competitie om voedingsstoffen. Het bloed, de lichaamsvloeistoffen en de weefsels zijn meestal steriel, m.o. komen hier meestal alleen na trauma. Op de huid zitten veel m.o, vooral veel staphylococcie en propionibacterium (gram-positieve rods, breken huidvetten af tot vetzuren). De m.o. op de huid beschermen tegen bacteria van buitenaf. De tractus digestivus heeft een grote variatie aan m.o. In de mond en pharynx zitten veel anaerobes. Dit zijn vooral streptococci, Neisseria en Moraxelaa (de laatste twee zijn gram-negatief). Speeksel bevat ook veel m.o. Door het zure milieu bevat de maag veel minder tot geen m.o. De dunne darm heeft weinig m.o. totaan het lagere ileum, vanaf daar lijkt het op de dikke darm. Daar leven de meeste m.o. van het hele lichaam! Het zijn vooral bacteroides, fusobacterium, eubacterium en clostridium, maar ook escherichia coli en enterococci. Deze flora is afhankelijk van het eetpatroon van de gastheer. De neusvleugels bevatten vaak het pathogeen staphylococcus aureus. In de nasopharynx lijkt de flora op die van de mond, maar zijn er ook vaak pathogenen als pneumococci en meningococci. De luchtweg onder de larynx wordt door cilia schoongehouden. De urinare tract is alleen in het meest distale deel niet steriel. De vagina verschilt van flora in verschillende levensfases, dit komt door hormonale wisselingen. In de vruchtbare fase is vooral de lactobacillus aanwezig, deze produceert zuur.
 

Gezondheid en ziekte
Veel m.o. zijn oppurtonisten: op het moment dat de bescherming afneemt, reizen ze naar sterile gebieden en veroorzaken ze een ziekte. Zo kan E coli, normaal niet schadelijk, opeens een blaasontsteking veroorzaken. De normale flora beschermt ook: het gaat de competitie aan met pathogenen. Het geven van anti-biotica kan de normale flora aantasten en zo pathogenen helpen. Bepaalde voeding verbetert je normale flora.
 

Negatieve effecten van immunologische reacties
Bij overgevoeligheid van het afweersysteem kan schade en zelfs een chronische ziekte ontstaan. Er zijn 4 types overgevoeligheid. Type I zijn allergische reacties en hebben te maken met IgE en het vrijkomen van onder andere histamine van mest cellen. Type II zijn cytotoxische reactisch van IgG of igM antilichamen. Type III zijn immuun compex reacties door antigeen-antilichaam inflammatie. Type IV is cel-gericht en hebben met Th1 te maken. Er zijn veel overgevoeligheidsreacties: van allergiën tot type I diabetes. Infectie is maar een klein deel van de overgevoeligheidsziektes. Bij type II ontstaat doordat het antilichaam niet alleen tegen het m.o. maar ook tegen de gastcellen werkt, een voorbeeld is rheumatische koort. Bij type III worden er antigeen-antilichaam complexen in de weefsels geplaatst die voor inflammatie zorgen. Een voorbeeld is serum sickness: een antistofreactie op dierlijk immunoglobuline. Type IV wordt ook wel het vertraagde type genoemd omdat de Th1 reactie tijd kost. De inflammatie die ontstaat raakt ook de cellen.
 

Gebruik van de immuunrespons
Door één keer in aanraking te komen met een pathogeen word je vaak immuun. Bij passieve immuniteit worden antistoffen gegeven, dit gebeurt van moeder op fetus en bij sommige vaccins (tetanus). Vaccins roepen een immuunreactie tegen de ziekte op door een klein beetje (verzwakt) pathogeen toe te dienen.