13.02.2015
1
Autoimmunitet
Utvikling av toleranse Brudd på toleranseMulige mekanismer for utvikling av autoimmunitetSLE og anti-dsDNA
Kristin FentonRNA and Molecular Research groupFebruary 2015
Autoimmunitet -immune respons mot selv-antigener
SLE, anti‐dsDNA ab og Lupus nefritt
13.02.2015
2
Immunologisk toleranse
• Immunogene antigener
– Aktiverer lymfocytter til å proliferere og differensiere til effektor celler
– Produktiv immune respons
• Tolerogeniske antigener
– Inaktiverer eller dreper lymfocytter
• Immunologisk ignoranse
– Lymfocytter ignorerer antigenet
Immunologisk toleranse er ikke en feil der antigenet ikke gjenkjennes, men en aktiv respons mot bestemte epitoper og er like spesifikk som en immunrespons!
Immunogene Antigener
• et antigen gjenkjennes av lymfocytt reseptor.
• B celle reseptor gjenkjenner native antigener, mens T celle reseptor gjenkjenner prosesserte antigener
• Determinanten som gjenkjennes av reseptorene (blå og rød prikk) kalles epitoper.
• Haptener (små molekyler representert av rød prikk på en tråd i nedre panel) er antigener som gjenkjennes av lymfocytt reseptor, man kan ikke trigge selve immunresponsen.
– De er derfor ikke immunogeneantigener
13.02.2015
3
Toleranse
• Mekanismene som immun systemet bruker for å unngå selv-reaktivitet (autoimmunitet) inkluderer:
• Sentral Toleranse – skjer under lymfocytt utvikling
• Perifer Toleranse – skjer etter at lymfocyttene forlater de primære lymfoide organer (beinmarg og tymus)
Sentral og perifer toleranse mot selv-antigener
• Hoved mekanisme:
CELLE DØD
=
Negativ seleksjon
• Høy konsentrasjon av antigen
• Gjenkjenner antigen med høy affinitet
Abbas et al. Basic Immunology 4th edition
13.02.2015
4
Sentral T celle toleranse
Basert på figur fra Abbas et al. Basic Immunology 4th edition
AIRE- autoimmun regulator
Mathis and Benoist 2007 Nature reviews
Antigen‐presenterende celler i medulla av tymus (MEC) utrykker et gen, AIRE
AIRE=transkripsjonsfaktor som skrur på utrykket av hundrevis av vevsspesifikke gener
13.02.2015
5
Perifer T lymfocytt toleranse
1. Anergi
– ikke responderende stadier
2. Regulatoriske celler
3. Aktiverings indusert celle død: delesjon
Abbas et al. Basic Immunology 4th edition
T celle-mediert suppresjon av immun responsRegulatoriske T celler: Treg
Kontakt avhengig Immun hemmende cytokiner (IL‐10, TGFb)
Abbas et al. Basic Immunology 4th edition
13.02.2015
6
Perifer T celle død
• Av ytre celle-død-reseptor- og caspase-avhengig apoptose
• Av indre mitokondrie- og caspase-avhengig apoptose
• Eller av caspase-uavhengig celle død, for eksempel ved aktivering av cathepsiner lokalisert i lysosomer.
• Selv-dirigert (autonom) celle død skjer i fravær av tilstrekkelige overlevelses signal. Død ved mangel på cytokin signal eller respons, og kalles aktivert celle autonom død (ACAD).
• T-celle reseptor (TCR) re-stimulering av eksisterende ekspanderte T celler i fravær av nødvendig co-stimulerings signal kan også føre til initiering av celle død, kjent som aktiverings indusert celle død (AICD)
Perifer T celle død
ACAD
AICD
Basert på figur fra Abbas et al. Basic Immunology 4th edition
13.02.2015
7
Dendritisk celle (APC) mediert toleranse modeller
Mayer et al. 2012 Frontiers in immunology
(A) Modnings status til DC fungerer som en switch og bestemmer om cellen skal tolerere (umodne/ semimodne DC) eller promotere immunitet ved inflammasjon (modne DC)
(B) Funksjonell separasjon: DC er kapabel til å både indusere toleranse eller immune respons.
(C) Noen DC er foreslått å være mer potent i toleranse induksjon sammenlignet med andre DC populasjoner. I denne modellen deles arbeidet mellom to DC populasjoner som regulerer toleranse versus immunitet.
DC-mediert toleranse
Mayer et al. 2012 Frontiers in immunology
13.02.2015
8
Tymus struktur og funksjon
Positiv seleksjon
Negativ seleksjon
Blackburn and Manley, Nature Reviews Immunology 2004
B celle toleranse
Polysaccarides Lipids Nucleic acids
T celle uavhengige antigener
Type 1 T celle‐uavhengig aktivering skjer når en B celle kan binde til et antigen og mottar sekundær aktivering av toll like reseptorer som TLR 4 for LPS og TLR 7 og TLR9 for RNA og DNA. IgM restriksjon
Type 2 T celle‐uavhengig aktivering skjer når antigenet som uttrykkes på overflaten av et patogen har en organisert repetitiv form som kan aktivere B celler ved å kryss‐linke antigen reseptor på en multivalentmåte.
13.02.2015
9
Sentral B celle toleranse
Basert på figur fra Abbas et al. Basic Immunology 4th edition
Perifer B celle toleranse
Umodne B celler som binder løselige selv‐antigen dør ikke • uttrykker ikke IgM• uttrykker IgD og kan
ikke respondere mot antigener
B celler uttrykker også CD22, en ikke spesifikk reseptor som reduserer B celle reseptor aktivering
Abbas et al. Basic Immunology 4th edition
13.02.2015
10
Perifer B celle toleranse
Reduserte (CXCR5) og spesifikke reseptorer (FCIIR)
Basert på figur fra Abbas et al. Basic Immunology 4th edition
Mekanismer som kan føre til autoimmunitet
Abbas et al. Basic Immunology 4th edition
Genetisk predisposisjon
Toleranse brudd
Infeksjoner, vev skade, inflammasjon
Aktivering av vevsspesifikk APCs
Aktivering av selv‐reaktive lymfocytter
Vevs skade: Autoimmun sykdom
13.02.2015
11
Genetiske faktororer i autoimmunitet
• Tre hoved grupper av gener går igjen i mange autoimmune sykdommer.
• Disse er relatert til:
Antigen presentasjon, gjenkjennelse av antigenet!
• Immunoglobuliner• T‐celle reseptorer• The major histocompatibility complexes
(MHC). HLA‐ human leukocytt antigen
Mekanismer for utvikling av autoimmunesykdommer
1. Molecular mimicry2. Epitope spreading3. Bystander activation4. Sequestered antigen and Altered self antigens5. Andre Immunologiske Mekanimser er:
• Polyklonal lymfocytt aktivering. • Oppheving av klonal T celle anergi, • Feil i aktiverings indusert apoptose • Feil i perifer suppresjon av regulatoriske T celler• Hapten carrier modellen
• In vivo kompleks dannelse mellom selv og fremmed (virale/bakterie) antigener
13.02.2015
12
Vanderlugt and Miller 2002 Nature Reviews Immunology
Infeksjoners rolle i autoimmunitet
Vanderlugt and Miller 2002 Nature Reviews Immunology
13.02.2015
13
Kryss reagerende TH1 celler gjenkjenner både mikrobe epitop og selv epitop
Frigjøring av cytokiner og chemokinerrekrutterer og aktiverer makrofager som ødelegger vevet
Frigjøring av selv epitoper og opptak av APCs videre fører den autoimmunesykdommen
13.02.2015
14
Epitop spredning i autoimmun og virus-indusert immunopatologi
Vanderlugt and Miller 2002 Nature Reviews Immunology
Bystander aktivering er ikke‐spesifikk aktivering av selv‐reaktive TH1 celler
Aktivering av mikroorganisme spesifikke TH1 celler (a,b) fører til inflammasjon (c,d)
Økt infiltrasjon av T celler til inflammasjons stedet og aktivering av selv‐spesifikke TH1 celler ved TCR avhengig og uavhengige mekanismer (e)
Selv‐reaktive T celler aktivert på denne måten fører til vevsskade og videreføring av en autoimmun respons (f).
13.02.2015
15
Kryptisk antigen modell som forklarer initiering av autoimmunitet ved forskjellig prosessering av selv‐peptider.
Presentasjon av disse kryptiske epitopene kan aktivere selv‐reaktive TH1 celler (g), og føre til vevs ødeleggelse (h,i).
IFN‐γ blir skilt ut av både aktiverte mikrobespesifikke TH1 celler (b,c) og mikrobe‐infiserte vevs celler (d).
Dette aktiverer APCs (e) og kan føre til at APC tar opp selv‐antigener (f).
Cytokin aktivering av APCs kan indusere økt proteaseproduksjon og forskjellig prosessering av selv‐antigener, som kan resultere i presentasjon av kryptiske epitoper.
B celle aktivering uten T celle hjelp
• Superantigener• hyper aktivering av immun systemet og følgende
frigjøring av biologisk aktive cytokiner fra aktiverte T celler
• Disse cytokinene kan aktivere B celler uten co-stimulerings signal fra T celler
• Eksempler på superantigener inkluderer: • Staphylococcal enterotoxins (mat forgiftning) • Staphylococcal toxic shock toxin (toxic shock syndrom) • Staphylococcal exfoliating toxins (scalded skin syndrom) • Streptococcal pyrogenic exotoxins (shock).
• Autoimmune sykdommer assosiert med superantigen aktivering:• Kawasaki disease• Rheumatoid arthritis• Diabetes mellitus
13.02.2015
16
In vivo kompleks dannelse mellom selv og fremmed antigener
• Epitop spredning eller epitope drift– Når immun systemet skifter fra å gjenkjenne
primær epitopen (fremmed) til og også gjenkjenne selv epitoper
– I kontrast til molekylær mimikry, må selv epitopenikke være strukturelt lik den primære.
• Eks: DNA og nukleosomer blir immunogene in vivo dersom DNA eller nukleosomer binder virus proteiner
In vivo kompleks dannelse mellom selv og fremmed antigen
Van Ghelue et al. 2003 Journal of Autoimmunity
13.02.2015
17
Systemic lupus erythematosus
• Autoantistoff: ANAs, anti‐dsDNA, anti‐Sm, anti‐fosfolipider etc.
• Immun‐kompleks mediert
• Affekterer: hjerte, ledd, hud, lunger, blod årer, lever, nyrer og nervesystemet
• Ingen spesifikk årsak– Genetisk
• HLA
– Miljø triggere• virus, bacteria, UV lys
– Reaksjoner mot medikamenter
Spiral av sykdomsprogresjon i SLE
(Liu Z & Davidson A, Nature medicine 18, 871‐82, 2012)
UV, virus
Antigen presentasjonProinflammatoriske cytokiner
autoantistoff
Autoantistoff binder til nuklein syrer eller cellulær debri
ICs fører til videre stimulering av innate immun celler
Kliniske manifestasjoner er assosiert med systemisk inflammasjon og skade av mål organer
Disse positive feeback loops amplifiserer kloner av autoreaktivelymfocytter under den prekliniske fasen av SLE
Amplifisering av immun aktivering fører til irreversibel vevs skade
13.02.2015
18
SLE risk alleler i SLE patogeneseclearance funksjoner
Innat immunitet
adaptive immun celler
organ ødeleggelse
Liu Z & Davidson A, Nature medicine 18, 871‐82, 2012
Tap av toleranse og production av autoantistoff
Autoantistoff binding i murine SLE modeller og human Lupus Nefritt
Podocyte foot processes(Epithelial cell)
Endothelial cell (EC)
Mesangial cell
Mesangial matrix
Fenestrated EC
GBM
Capillary lumen
Urinary space
Kalaaji et al A&R 2006Kalaaji et al. J. Am. Pathol. 2006Kalaaji et al. Kidney Int. 2007Mjelle et al. ARD 2007Fenton et al. Plos One 2009Fenton et al. Autoimmunity 2010
13.02.2015
19
Kromatin som induser av og mål for anti-dsDNA ab
Mortensen E S and Rekvig O P JASN 2009;20:696‐704
Results fra en langtidsstudie i både (NZBxNZW)F1 and MRL-lpr/lpr mus demonstrerte at:
• Immun kompleks nedslag i mesangial matriks er avhengig av anti-dsDNA antistoff
Fenton et al. Plos One 2009Hedberg et al. Exp Dermatol. 2010
13.02.2015
20
Nefrittisk nyre fra en (NZBxNZW)F1 mus
Cortex
Medulla
Pelvis
Perirenal fat
Immune aggregates
Pelvic wall
Renal veinRenal artery
Celler i immune aggregater
B cells
T cells
Macrophages
FDC (CD21)
13.02.2015
21
Initiering av tertiære lymfoide strukturer og celle rekrutering til steder med inflammasjon
Based on figure in Pitzalis et al. Nature Reviews Immunology 2014
TH17 cellsILC3 cells
Opprettelse av TLS
Production of CCL19, CCL21, CXCL12 and CXCL13 maintains TLS
Development of TFH‐like cells
persistent antigen presentation by follicular dendritic cells (FDCs) and B cells supports the long‐term maintenance
Based on figure in Pitzalis et al. Nature Reviews Immunology 2014
13.02.2015
22
Urothelium i calyx og pelvic vegg
Stromal cells (MesenchymalStem cells)
Macrophages
T cells
Fibroblasts
Endothelial cells
Epithelial cells
Proinflammatory Cytokines:IL1, TNF, INF, INF, IL7, RANKL
Proinflammatory and homeostatic Chemokines:CXCL13, CCL19, CCL21, CXCL5
Development of TLS within the kidney urothelium
Formation of HEVs
Formation of lymphVessels
Influx of T and B cells,Macrophages, DCs
FDC formation
13.02.2015
23
Acknowledgement
RNA and Molecular Pathology (RAMP)Ole Petter Rekvig
Elin Mortensen
Premasany Kanapathippillai
Esmaeil Dorraji
Natalya Seredkina
Hege Lynum Pedersen
Dhivya Thiyagarajan
Kjersti Horvei
Silje Fismen
Strasbourg, France:
Hélène Dumortier
Caroline Le Coz
Erlangen, Germany:
Martin Herrmann
Freiburg, Germany:
Reinhard Voll
New York, USA:
Anne Davidson
Nijmegen, Netherland:
Johan van der Vlag
