NEUROENDOKRYNOIMMUNOLOGIA W MEDYCYNIE PROWADZĄCY: Prof. Nadzieja Drela Dr Magdalena Markowska Prof. Krystyna Skwarło-Sońta Dr Paweł Majewski Rok akad. 2015/2016 Semestr zimowy, czwartek, 8.30-10.00
Rola regulacji neuroendokrynowej w utrzymaniu homeostazy w układzie odpornościowym w warunkach niezależnych i zależnych od aktywacji antygenowej Układ nerwowy Nadzieja Drela Zakład Immunologii ndrela@biol.uw.edu.pl Układ odpornościowy Homeostaza Układ endokrynowy
Część I: Neuroendokrynowa regulacja rozwoju układu odpornościowego
Komórki efektorowe i główne cechy odporności Odporność wrodzona Odporność nabyta Odpowiedź humoralna Odpowiedź komórkowa Szybka Receptory dla antygenów nie zmieniają się w ciągu życia, a ich specyficzność jest ograniczona Nie pozostawia pamięci Rozwija się powoli Receptory dla antygenów wykształcają się wielokrotnie w ciągu życia i wykazują bardzo dużą specyficzność Pozostawia pamięć
Rodzaje odporności i ich elementy składowe Układ odpornościowy Odporność wrodzona Odporność nabyta Komórki Czynniki humoralne Komórki Czynniki humoralne
Cecha Odporność wrodzona Odporność nabyta Czas reakcji Minuty, godziny dni Swoistość Różnorodność Swoista dla cząsteczek związanych z patogenami Ograniczona liczba receptorów nie ulegających zmianom w czasie życia. Takie same na komórkach określonego typu. Swoista dla epitopów antygenowych Bardzo duża liczba różnych receptorów. Różna swoistość receptorów w obrębie komórek tego samego typu. Pamięć immunologiczna Brak Powstaje przy każdej odpowiedzi immunologicznej Rozpoznawanie własne/obce Rozpuszczalne składniki w krwi i tkankach Główne typy komórek Doskonałe: w organizmie gospodarza nie występują cząsteczki charakterystyczne dla patogenów Peptydy i białka o aktywności przeciwbakteryjnej Fagocyty (monocyty, makrofagi, neutrofile), komórki NK, komórki dendrytyczne Bardzo dobre, ale czasami powstają błędy, których skutkiem mogą być choroby autoimmunizacyjne Przeciwciała (cytokiny) Limfocyty T, limfocyty B, komórki prezentujące antygen
KD MKP KM LKP KD Hematopoeza Mo Pro-G/M NK KM - komórka macierzysta Ne Eo Ba płytki Pro-Eo Pro-Ba Me Pro-T LiTh LiTc LiTreg LiB MKP - mieloidalna komórka progenitorowa LKP - limfoidalna komórka progenitorowa Pro komórki progenitorowe E Pro-E Pro-B
Mechanizmy odporności wrodzonej (nieswoistej) : stan zapalny
Stan zapalny R.A.GOLDSBY,T.J.KINDT,B.A.OSBORNE,J.KUBY,,Immunology 2003
PEPTYDOGLIKANY TLR2 LIPOPEPTYDY BAKTERYJNE BIAŁKA PASOŻYTÓW ZWIAZANE Z GPI TLR1 TLR2 Aktywacja komórek odporności wrodzonej z udziałem TLR TLR4 LPS TLR4 KWAS LIPOTEJCHOWY BAKTERII G+ ZYMOZAN GRZYBÓW TLR6 TLR2 FLAGELLINA BAKTERYJNA TLR5 TLR3 dsrna TLR7 uracyl rich ssrna TLR8 TLR9 ssrna CpG DNA JĄDRO KOMÓRKOWE ENDOSOM Rys. E. Kozłowska
Skutki aktywacji komórek odporności wrodzonej z udziałem TLR
Mechanizmy odporności nabytej (swoistej)
Typy odpowiedzi w odporności nabytej Odpowiedź humoralna Odpowiedź komórkowa B Produkcja przeciwciał Produkcja cytokin Th Treg Tc Cytotoksyczność Rys. N.Drela, wg J.Kuby Supresja
PRR Schemat rozwoju odporności nabytej KPA antygeny TCR aktywowany TCR Th Th Tc BCR Odpowiedź komórkowa Odpowiedź humoralna Rys. N.Drela B przeciwciała
Różnicowanie i funkcje limfocytów T w odporności nabytej PRR białko MHC antygen receptor dla antygenu KPA cytokiny Hamowanie reakcji odpornościowej Treg Odpowiedź komórkowa Udział w obronie przed bakteriami i wirusami cytokiny Th1 IFN-g IL-2 TNF-b Th IL-4 IL-5 IL-10 IL-13 cytokiny Th2 Odpowiedź humoralna Udział w obronie przed robakami pasożytniczymi Rys. N.Drela
Równowaga Th1/Th2 Choroby autoimmunizacyjne Th1-zależne, odrzucanie przeszczepu Th1 Th2 Alergia, choroby autoimmunizacyjne Th2-zależne Rys. N.Drela
Neuroendokrynowa regulacja odpowiedzi immunologicznej R.E Brown, Neuroendocrinology
Zakharova A.L. 2009 Neuroendokrynowa regulacja odpowiedzi immunologicznej
Cytokiny regulują syntezę hormonów przysadki R.E. Brown, Neuroendocrinology
Wpływ hormonów i neuropeptydów na układ odpornościowy w przebiegu ontogenezy
Zakharova A.L. 2009 Czynniki egzogenne o przedłużonym działaniu
Interakcje czynników humoralnych w rozwoju tymocytów Brak grasicy: to nie tylko supresja odpowiedzi immunologicznej, ale zahamowanie syntezy hormonów przez przysadkę i inne gruczoły wydzielania wewnętrznego Wzrost grasicy, liczby li T i B życiu płodowym koreluje z pojawieniem się w surowicy insuliny, GH, FSH, LH, TSH Zakharova A.L. 2009
Interakcje HPG-grasica Tymulina, tymozyna Zakharova A.L. 2009 Ponadto: reakcja na stres myszy nude
Mikrośrodowisko grasicy Savino and Dardenne, 2000
Mikrośrodowisko grasicy: tymocyty, komórki nabłonkowe Savino and Dardenne, 2000
Działanie tymuliny na syntezę hormonów H-P Savino and Dardenne, 2000
Neuroendokrynowa kontrola interakcji między tymocytami i komórkami mikrośrodowiska czy hormony lub neuropeptydy mogą zmieniać ekspresję białek MHC? (GH, GC) czy hormony regulują syntezę białek ECM oraz receptory dla tych białek: fibronektyna, laminina, kolagen IV? (GC, hormony płciowe, T3, PR, GH, IGF-1) czy hormony wpływają na powstawanie gap-junction między komórkami nabłonkowymi grasicy? (hormony płciowe, ACTH, GH, GC, neuropeptydy) czy hormony regulują syntezę cytokin w mikrośrodowisku grasicy? (GH, PR) czy hormony regulują syntezę hormonów grasicy? (GH, IGF-1, PR)
Uproszczony schemat rozwoju tymocytów (a)
Uproszczony schemat rozwoju tymocytów (b) K O R A DN1 pro-t CD44 + 25 - DN2 pro-t CD44 + 25 + Tg RDZEŃ GRASICY G R A S I C Y DN3 pre-t CD44-25 + DN4 pre-t CD44-25 - DP CD4 + CD8 + TCR b SP CD4 + TCR b SP CD8 + TCR b Treg
Proces selekcji tymocytów Śmierć z zaniedbania selekcja pozytywna selekcja negatywna Grasica Rys. N. Drela Węzeł limfatyczny T h Tc T reg powinowactwo do MHC - wł. peptyd
Zależność losu limfocytów T w grasicy od powinowactwa receptorów TCR do kompleksu MHC-własny peptyd Powinowactwo TCR Negatywna selekcja Zaniedbanie Pozytywna selekcja Konwersja do Treg Los tymocyta w przebiegu rozwoju w grasicy
Selekcja pozytywna i negatywna tymocytów Selekcja pozytywna skutkuje restrykcją MHC Selekcja negatywna skutkuje tolerancją na własne białka R.A.GOLDSBY,T.J.KINDT,B.A.OSBORNE,J.KUBY,,Immunology
Godfrey et al., 2000 GC są zbędne w rozwoju tymocytów
GC w utrzymaniu homeostazy tymocytów Zielony: młoda mysz Niebieska: młoda mysz z nadekspresją GCR Jondal M. et al.2004
TCR affinity Model wzajemnego antagonizmu w rozwoju tymocytów negative selection apoptoza przeżycie death (subtreshold for selection) Vacchio M.S. and Ashwell J.D., 2000 Glucocorticoids
TCR affinity Model wzajemnego antagonizmu w rozwoju tymocytów negative selection apoptoza przeżycie death (subtreshold for selection) Vacchio M.S. and Ashwell J.D., 2000 Glucocorticoids
Czy można stosować hormony w reaktywacji funkcji grasicy? Grasica organ docelowy w infekcji i nieprawidłowym żywieniu (niedożywieniu): charakterystyczne przejawy atrofii, wzrost stężenia GC i spadek stężenia leptyny (chroni przed indukcją apoptozy) GH, IGF-1 (pobudzenie TEC do syntezy tymuliny), rekonstytucja sziku kostnego i zahamowanie inwolucji grasicy IL-7 blokada androgenów, kastracja zahamowanie syntezy hormonów płciowych powoduje nasilenie hematopoezy i tymopoezy melatonina
Grelina i leptyna Poziom greliny zwiększa się przed jedzeniem, maleje po jedzeniu. RC wpływa na zwiększenie poziomu greliny. Leptyna stymuluje syntezę IL-7 przez TEC. Stężenie leptyny zwiększa się po jedzeniu, maleje przed jedzeniem (zmniejszenie poziomu leptyny stymuluje apetyt).
Dziękuję za uwagę Układ nerwowy Układ odpornościowy Homeostaza Układ endokrynowy
Część 2: Neuroendokrynowa regulacja funkcji obronnej układu odpornościowego
Stan zapalny R.A.GOLDSBY,T.J.KINDT,B.A.OSBORNE,J.KUBY,,Immunology
Równowaga hormonalno-cytokinowa Zdrowy organizm: brak stanu zapalnego ustala równowagę hormonalnocytokinową. GC hamują syntezę cytokin pro-zapalnych Podczas infekcji równowaga jest zaburzona: cytokiny wywołują stan oporności na hormony. Zwiększenie syntezy hormonów białkowych ogranicza działanie GC i cytokin. Kelley K.W. et al. 2007, Brain, Behavior and Immunity.
Jeszcze stan zapalny: układ odpornościowy w Zaczerwienienie(rubor) Opuchlizna (tumor) Ból (dolor) Gorączka (calor) odczuwaniu bólu Limfocyty wydzielają endogenne opioidy (b-endorfinę) w miejscu stanu zapalnego, co skutkuje zniesieniem stanu pobudzenia bólowego wywołanego przez czynniki prozapalne. Podobnie zachowują się makrofagi. IL-1 CRH
Komórki dendrytyczne w rozwoju w odporności nabytej K.Takeda, S.Akira, International Immunology 2005
Migracja i stadia rozwoju DC Szpik kostny Niedojrzała mdc Dojrzała mdc TLR Czynniki indukujące dojrzewanie Tkanki i narządy nielimfatyczne Narządy limfatyczne Dojrzała mdc: MHCII, CD80, CD86, CD40
Regulacja dojrzewania komórek dendrytycznych przez hormony GC hamują dojrzewanie DC (hamowanie ekspresji MHC II, białek kostymulatorowych), co skutkuje zahamowaniem różnicowania limfocytów Th naiwnych w limfocyty efektorowe. Nie zachodzi prezentacja Ag limfocytom Th. Hamowanie dojrzewania DC przez GC następuje mimo ich aktywacji i zwiększenia ekspresji TLR
Powrót do stanu równowagi po kontakcie z patogenem Śmierć niepotrzebnych limfocytów Hamowanie aktywności limfocytów
Oś regulacyjna HPA Układ odpornościowy IL-1, IL-6, TNF wątroba Białka ostrej fazy podwzgórze stan zapalny atrofia grasicy CRH liczba leukocytów w krążeniu proliferacja limfocytów przysadka rówowaga limfocytów (Th1 vs Th2) ACTH synteza przeciwciał synteza cytokin Rys. N.Drela nadnercza kortyzol Oś HPA w regulacji odpowiedzi układu odpornościowego
Regulacja odpowiedzi immunologicznej przez GC Jondal M. et al., 2004
Sieć interakcji Reiche EM et al. 2004
Udział GC i katecholamin w rozwoju odporności nabytej typu Th1 i Th2 Reiche EM et al. 2004
Wrażliwość komórek obronnych na hormony uzależniona jest od ich stężenia (na przykładzie działania hormonów stresu) Stres ostry kontrola Stres chroniczny Stężenie hormonu w stresie ostrym: dwufazowy efekt kortykosteronu/kortyzolu i epinefryny (efekt stymulujący małych dawek i efekt hamujący dużych dawek) w stresie chronicznym obserwowano jedynie efekt hamujący
Modulacja aktywności układu odpornościowego w warunkach stresu: Jaka jest rola hormonów aktywujących funkcje układu odpornościowego? prolaktyna hormon wzrostu insulinopodobny czynnik wzrostu
Hormony białkowe i odporność: trochę historii - przed 1987: pierwsze wyniki badań wskazujące na rolę hormonów przysadki w rozwoju układu odpornościowego. Do badań użyto szczurów i myszy charakteryzujących się deficytem hormonów: TSH, GH, PRL, ACTH - 1997-2007: leukocyty mogą produkować hormony. Synteza prolaktyny przez limfocyty T jest regulowana przez cytokiny (IL-2, IL-4, IL-1). Sama PRL reguluje syntezę cytokin. Limfocyty produkują GH. PRL, GH i IGF-1 przeciwdziałają skutkom stresu wywołanego przez czynniki fizjologiczne i środowiskowe. Działają przeciwstawnie do GC.
S T R E S to nie tylko glukokortykoidy podwzgórze przysadka ACTH Prolaktyna nadnercza układ odpornościowy glukokortykoidy
STRES głodu podwzgórze przysadka Insulinopodobny czynnik wzrostu Hormon wzrostu IGF-I Układ odpornościowy
STRES temperaturowy: niska temperatura środowiska zewnętrznego podwzgórze przysadka TSH tarczyca grasica T3, T4 (przeciwdziałają aktywności glukokortykoidów) Szybkość przemiany materii
Udział TLR w interakcji: układ odpornościowynadnercza Bornstein et al. 2006
Rytmy biologiczne w układzie odpornościowym
Aktywność układu odpornościowego w dzień i w nocy Brak snu skutkuje zwiększeniem wrażliwości na infekcje TLR9 (w nocy ) Komórki NK (w nocy ) Cytokiny (IL-12: największy poziom w nocy; IL-10: największy poziom w dzień) Poziom cytokin prozapalnych zwiększa się w nocy, przeciwzapalnych w dzień
Rytmiczne zmiany w aktywności układu odpornościowego (współdziałanie rytmu dobowego i snu) Limfocyty T rezydują w narządach limfoidalnych, zwiększa się stężenie cytokin przeciwzapalnych sen Limfocyty T krążą w układzie krwionośnym, zwiększa się stężenie cytokin prozapalnych
Rytm dzień/noc układu odpornościowego dzień noc organizm aktywny organizm nieaktywny Układ odpornościowy w stanie fizjologicznej supresji Układ odpornościowy w stanie skutecznej obrony GK GKR ntreg GK GKR ntreg
Wpływ GC na aktywność supresorową ntreg samce C57BL/6 samice C57BL/6 Kiernozek E., J Physiol Pharmacol, 2011
Koncepcja receptorowa w regulacji neuroendokrynowej układu odpornościowego Heijnen C.J., 2007
Dymorfizm płciowy układu odpornościowego odporność wrodzona silniejsza u kobiet więcej przeciwciał u kobiet (odporność humoralna silniejsza u kobiet) silniejsza odpowiedź typu komórkowego u kobiet silniejsza reakcja zapalna u mężczyzn więcej limfocytów Th u kobiet więcej cytokin typu Th1 u kobiet Znaczenie tych różnic nie jest do końca jasne, poza zachorowalnością na choroby autoimmunizacyjne wystepujące częściej u kobiet: zespół Sjogrena, SLE, PBC, choroba Hashimoto, i skleroderma (80% chorych to kobiety).
Dymorfizm płciowy układu odpornościowego Modulacyjny efekt estrogenów u zdrowych kobiet oraz w przebiegu choroby autoimmunizacyjnej jest dwufazowy: małe stężenie ułatwia rozwój odpowiedzi odpornościowej, duże stężenie powoduje jej zahamowanie. Różne środowisko immunologiczne u kobiet i mężczyzn: u kobiet przeważa odpowiedź typu Th1, z wyjątkiem ciąży, kiedy występuje przemienna aktywność Th1 i Th2. Hormony płciowe regulują produkcję hormonów HPA i wpływają na przebieg reakcji stresowej. U kobiet większe jest stężenie kortyzolu, a glukokortykoidy hamują produkcję hormonów płciowych i tym samym ich działanie w organizmie.
Dymorfizm płciowy układu odpornościowego
Estrogeny jako immunomodulatory estrogeny Szpik kostny Grasica APC hamowanie rozwoju limfocytów B atrofia grasicy (Fas/FasL) zahamowanie rozwoju wszystkich populacji limfocytów T zahamowanie różnicowania DC indukcja apoptozy Mo i Ma hamowanie syntezy cytokin przez DC (TNF, IL-12, IL-10) Lang T.J., 2004
Działanie hormonów płciowych na grasicę Estrogeny: zanik grasicy przy stężeniach farmakologicznych stężenie estrogenu i progesteronu zwiększa się w czasie ciąży, co indukuje przejściową inwolucję grasicy stymulacja pozagrasiczego różnicowania limfocytów T w wątrobie, stąd łatwiejsza indukcja chorób autoimmunizacyjnych duża ekspresja receptorów dla estrogenów na tymocytach i komórkach stromalnych grasicy
Estrogeny jako modulatory działania innych hormonów o działaniu immunomodulującym Zwiększenie wrażliwości na GnRH zwiększenie syntezy prolaktyny (estradiol zwiększa syntezę PRL) zagrożenia: estradiol i prolaktyna znoszą tolerancję limfocytów B Lang T.J., 2004
Działanie estrogenów Komórki i funkcje Stężenie fizjologiczne estrogenów Stężenia farmaceutyczne (10-100x większe) tymocyty funkcja Tc funkcja Th funkcja li B produkcja cytokin przez makrofagi stymulacja (przewaga Th) stymulacja stymulacja hamowanie hamowanie hamowanie stymulacja hamowanie ekspresja MHC stymulacja hamowanie
Działanie hormonów płciowych na grasicę Androgeny: kastracja samców powoduje powiększenie grasicy, efekt jest odwracalny po podaniu androgenów powiększona grasica wykastrowanych samców wykazuje prawidłową strukturę części korowej i rdzeniowej, ale zmienia się rozkład tymocytów (mniej tymocytów CD8+ o aktywności cytotoksycznej) podanie androgenów przyspiesza rozwój tymocytów mechanizmy odpowiedzialne za powiększenie grasicy po kastracji: zwiększona proliferacja, zmniejszona apoptoza, opóźniona migracja tymocytów na obwód zwiększone stężenie testosteronu po okresie dojrzewania indukuje inwolucję grasicy
Oddziaływanie hormonów płciowych na szpik i rozwój limfocytów B Androgeny kastracja osobników płci męskiej wywołuje ekspansję limfocytów B w szpiku kostnym. Liczebność tych komórek maleje po podaniu testosteronu kastracja osobników płci męskiej powoduje rozrost śledziony i zwiększenie w niej liczby limfocytów B, podanie testosteronu odwraca ten efekt Estrogeny hamują powstawanie limfocytów B nasilają produkcję autoprzeciwciał i powstawanie autoreaktywnych limfocytów B, taki sam efekt powoduje zahamowanie produkcji androgenów Udział w chorobach autoimmunizacyjnych: estrogeny działanie stymulujące androgeny działanie supresyjne
Odpowiedź immunologiczna na infekcje zależna od płci estrogeny nasilają odpowiedź Th1 i głównie działają prozapalnie androgeny działają przeciwzapalnie (testosteron) androgeny hamują syntezę przeciwciał
Produkcja hormonów przez komórki układu odpornościowego komórki produkujące Produkowane hormony i neuroprzekaźniki limfocyty T limfocyty B makrofagi splenocyty tymocyty granulocyty i komórki tuczne ACTH, endorfiny, TSH, GH, PRL, IGF-1 ACTH, endorfiny, GH, IGF-1 ACTH, endorfiny, GH, SP, IGF-1, ANP CRH, gonadotropina CRH, GnRH, AVP, OT VIP, SOM
Dziękuję za uwagę Układ nerwowy Układ odpornościowy Homeostaza Układ endokrynowy