PATOGENOST MIKROORGANIZAMA ODBRAMBENI MEHANIZMI DOMAĆINA Prof. dr Tanja Berić

Mehanizmi i faktori patogenosti Pasivni i aktivni mehanizmi odbrane domaćina Urođeni i adaptivni imunitet Imunitet i imunizacija

Interakcije čoveka sa mikroorganizmima Čovek ima 1013-1014 ćelija ALI i 1014-1015 MO u i na sebi Korisne interakcije Normalna mikroflora kolonizacija započinje rođenjem i obuhvata kožu, usnu duplju, gastrointestinalni trakt i urogenitalni trakt Štetne interakcije patogeni kolonizuju i oštećuju ljudsko telo = proces infektivne bolesti faktori patogenosti – omogućavaju uspešnu invaziju i oštećenje - infekcija – svaka situacija u kojoj je mikroorganizam uspostavio rast u/na domaćinu bolest – infekcija praćena oštećenjem domaćina

Mehanizmi patogeneze patogenost – sposobnost MO da izazove bolest značajno se razlikuje između patogena oportunistički patogeni virulencija – relativna sposobnost patogena da izazovu bolest (kvantitativna mera patogenosti) LD50 doza – broj ćelija patogena koji može da ubije polovinu životinja u test grupi atenuacija – smanjenje ili gubitak virulencije patogena

Mehanizmi patogeneze patogeneza - proces izazivanja bolesti započinje izlaganjem patogenu i njegovim pričvršćivanjem za kožu ili mukozne membrane nastavlja se invazijom kroz epitel i kolonizacijom kad se uspostavi rast patogena došlo je do infekcije infekcija ne vodi nužno do pojave bolesti, tek proizvodnjom faktora patogenosti dolazi do razvoja bolesti

Pričvršćivanje, infekcija i rast patogena Površinske strukture koje potpomažu pričvršćivanje patogena: glikokaliks – površinski molekuli (sluz ili kapsula) fimbrije i pili Kolonizacija i infekcija zavise od vrste patogena i njegovih nutritivnih zahteva Inicijalni inokulum obično nije dovoljan da izazove štetu, patogen se mora umnožiti da bi uspešno kolonizovao target lokaciju Lokalizacija: - lokalna - bakteremija (bakterije u krvi) - septikemija (sistemska infekcija)

Dentalni karijes – infektivna bolest biofilm oralne mikroflore na površini zuba Streptococcus sobrinus i S. mutans – proizvodnja mlečne kiseline – oštećuje zubnu gleđ zubna gleđ je kalcifikovano tkivo stoga njeno razaranje predstavlja patogeno stanje (infektivna bolest)

Faktori virulencije i toksini Faktori virulencije su najčešće različiti enzimi: hijaluronidaze, kolagenaze, proteaze, nukleaze, lipaze, fibrinolitički enzimi, koagulaze Toksičnost – sposobnost MO da izazove bolest posredstvom toksina koji inhibiraju ćelijske funkcije ili ubijaju domaćina Egzotoksini i endotoksini

Egzotoksini Toksični proteini koje oslobađaju patogeni u toku svog rasta transportuju se od mesta infekcije do udaljenih mesta gde izazivaju štetu Egzotoksini se klasifikuju u tri kategorije: - citolitički toksini - AB toksini - superantigen toksini podgrupa egzotoksina su enterotoksini - nespecifični, njihova aktivnost zahvata tanko crevo - masivni gubitak tečnosti iz creva izaziva povraćanje i dijareju - izazivači trovanja hranom i intestinalni patogeni

Citolitički toksini Degraduju ćelijsku membranu domaćina izazivajući lizu ćelija i smrt Često se nazivaju hemolizini Fosfolipaze (lecitinaze): α- toksin Clostridium perfringens Streptolizin O streptokoka razlaže sterole u membrani α- toksin stafilokoka pravi pore u membrani kroz koje izlazi ćelijski sadržaj S. pyogenes na krvnom agaru α- toksin stafilokoka C. perfringens na žumancetnom agaru

AB toksini Grade ih dve subjedinice, A i B Komponenta B se vezuje za površinski receptor na ć. membrani i omogućava komponenti A da uđe u citoplazmu i oštećuje ćeliju Toksin difterije (Corynebacterium dyphtheriae) inhibira sintezu proteina blokirajući transfer AK sa tRNK na rastući polipeptidni niz deaktivirajući EF-2 nosilac tox gena je β fag egzotoksin A Pseudomonas aeruginosa, šiga toksin – isti mehanizam

AB toksini tetanus (Clostridium tetani) i botulinum (C. botulinum) neurotoksini botulinum toksin (7 srodnih toksina) najpotentniji biološki toksični agens (1 mg može da ubije više od milion zamoraca!) bar dva su kodirana genima iz lizogenih bakteriofaga blokira otpuštanje acetilholina na nervo-mišićnoj sinapsi efektivno sprečavajući kontrakciju mišića (flacidna paraliza) tetanus toksin sprečava relaksaciju mišića – tetanus = nekontrolisana mišićna kontrakcija (spastična paraliza) aktivnost botulinuma aktivnost tetanusa

AB toksini enterotoksin kolere (Vibrio cholerae) uzročnik se unosi hranom ili vodom A subjedinica aktivira adenilat ciklazu koja konvertuje ATP u cAMP disbalans jona masivni gubitak vode iz creva – ozbiljna dijareja, dehidracija i gubitak elektrolita aktivnost toksina kolere

Superantigeni treća klasa egzotoksina deluju indirektno na ćelije domaćina narušavajući imunski sistem T ćelije i njihovi citokini intenzivno uništavaju ćelije domaćina superantigeni aktiviraju mnogo više T ćelija nego što je normalan imunski odgovor (5-25% naspram prosečnih 0,01%) proizvode ih i bakterije i virusi ozloglašeni superantigeni streptokoka i stafilokoka superantigeni interaguju sa T ćelijama (tj., sa TĆR) izvan definisanog mesta za vezivanje (manje specifični, zajednički za mnoge T ćelije) ekstenzivna proizvodnja citokina od strane velikog broja aktiviranih T ćelija rezultuje sistemskom upalnom reakcijom Staphylococcus aureus – sindrom toksičnog šoka S. pyogenes - šarlah

Endotoksini toksični lipopolisaharidi - deo spoljašnjeg sloja ćelijskog zida Escherichia, Salmonella, Shigella nespecifični vezani su ZA ćeliju i otpuštaju se u većoj količini nakon lize bakterijskih ćelija simptomi: groznica (endotoksin stimuliše proizvodnju citokina koji deluju kao endogeni pirogeni proteini), dijareja, pad broja limfocita i krvnih pločica, opšta upalna reakcija lipid A je odgovoran za toksičnost, ali posredno, preko makrofaga i B ćelija koje kad vežu lipid A za odgovarajući receptor proizvode proinflamatorne citokine manje toksični od egzotoksina LAL test Ć. zid gram-negativnih bakterija

Osobine egzotoksina i endotoksina Osobina Egzotoksini Endotoksini Hemijske osobine, mikroorganizmi proizvođači Proteini, ekskretuju ih određene gram pozitivne ili gram negativne bakterije i gljive; neotporni na toplotu (termolabilni) Lipopolisaharidi spoljašnjeg sloja ćelijskog zida gram negativnih bakterija; otpuštaju se nakon lize ćelije; ekstremno otporni na toplotu (termostabilni) Način delovanja, simptomi Specifičan; obično se vezuju za specifične ćelijske receptore ili strukture; citotoksini, enterotoksini ili neurotoksini sa određenim, specifičnim dejstvom na ćelije ili tkiva Nespecifičan, groznica, dijareja, povraćanje Toksičnost Često vrlo toksični u pikogramima ili mikrogramima, nekad fatalni Umereno toksični u količinama od desetak do stotinak mikrograma, retko fatalni Imunogenost Visoko imunogeni; stimulišu proizvodnju neutrališućih antitela (antitoksina) Realtivno slabi imunogeni, imunski odgovor nije dovoljan da neutrališe toksin Potencijal za formiranje toksoida Toplota ili hemijski tretman može uništiti toksičnost, ali preostali toksoid zadržava imunogenost Nemaju ga Potencijal da izazove groznicu Nepirogeni; ne dovode do groznice Pirogeni, često izazivaju groznicu kod domaćina Genetičko poreklo Često kodirani ekstrahromozomalnim elementima Hromozomalni geni

Pasivni mehanizmi odbrane prirodna otpornost na infekciju fizički i hemijski faktori (barijere) zajednički svim kičmenjacima komensalna mikroflora nespecifično inhibiraju invaziju većine patogena

Aktivni mehanizmi odbrane Imunost je aktivna sposobnost organizma da se odupre bolesti urođena (konstitutivna) - nespecifična i adaptivna (indukovana) - specifična urođeni imunitet je u najvećoj meri funkcija fagocita i razvija se u roku od nekoliko sati funkcionalno sličan sistem prisutan kod svih višećelijskih organizama ako ih virulentnost patogena prevazilazi, fagocite mogu da aktiviraju adaptivni imunski odgovor (prezentacija antigena) adaptivni imunitet je stečena sposobnost odbrane od patogena limfociti – ključne ćelije u adaptivnom imunitetu antitela

Krvni i limfni sistem čoveka

Poreklo ćelija imunskog sistema

Urođeni imunski odgovor „radi“ i bez prethodnog izlaganja patogenu Strukturne determinante na i u patogenima : LPS sloj, flagelin, dsRNK, peptidoglukan (PAMP) njih prepoznaju fagocite „receptorima za prepoznavanje obrazaca“ (PRR) interakcija aktivira fagocitu da proguta i uništi patogen – fagocitoza fagocite proizvode: toksična kiseonična jedinjenja koja ubijaju patogene citokine i hemokine koji izazivaju upalu (lokalizacija infekcije) mnogi patogeni su razvili mehanizme kojima inhibiraju fagocitozu Fagocite funkcionišu i kao APĆ (antigen prezentujuće ć.) PAMP – pathogen asociated molecular pattern PRR – pattern recognition receptor

Adaptivni imunski odgovor antigen-specifična imunost koja se pokreće tek nakon izlaganja patogenu ili njihovom produktu - inducibilan fagocite prezentuju antigene limfocitima koji su ključni u adaptivnom odgovoru antigeni interaguju sa specifičnim receptorima na limfocitima interakcija aktivira limfocite da eksprimiraju gene za proteine specifične za patogen - antitela antitela interaguju sa specifičnim patogenom (antigenom) obeležavajući ga za uništenje potrebni su dani da bi se razvio

Adaptivni imunski odgovor tolerancija na „domaće“ primarni adaptivni imunski odgovor stvara klonove B limfocita koje se diferenciraju u plazma ćelije i memorijske ćelije - imunološko pamćenje antigen-reaktivni limfociti: - B ćelije (antitela tj., imunoglobulini) - T ćelije (TCR-ćelijski receptori T ćelija) drugo izlaganje antigenu izaziva sekundarni adaptivni imunski odgovor

Šta je dobar antigen? antigeni interaguju sa T i B ćelijama i predstavljaju pokretače adaptivnog imuniteta većina su i imunogeni važna veličina (hapteni su antigeni ali nisu imunogeni) kompleksnost molekula – veliki kompleksni molekuli – dobri antigeni fizička forma (agregatno stanje) – nerastvorljivi molekuli epitop antigena – deo antigena sa kojim interaguju antitela i TĆR

Ćelijski imunitet T ćelije mogu da prepoznaju antigen samo ako je vezan za MHC protein (major histocompatibiliy complex) na fagocitima i dr. ćelijama MHC I – sve ćelije sa jedrom MHC II – antigen-prezentujuće ćelije - APC (makrofage, dendritske i B ćelije) APC degraduju antigene do malih peptida koji se vezuju za MHC i „postavljaju se“ na površinu ćelije – prezentacija antigena TCR interaguje sa MHC-peptid kompleksom što daje signal T ćeliji da raste i da se deli i interaguju sa drugim ćelijama da iniciraju imunsku reakciju Th i Tc ćelije

Humoralni imunitet B ćelije i plazma ćelije proizvode imunoglobuline (antitela) 1 antigen – 1 antitelo B ćelije imaju preformirana antitela na površini ćelije da bi proizvele antitela, moraju prvo vezati antigen interakcija antitelo-antigen indukuje B ćelije da fagocitiraju patogen koji nosi antigen i da proizvedu bateriju novih antigena specifičnih za patogen antigeni se prezentuju na površini B ćelija u kompleksu sa MHC antigen- specifičnim Th2 ćelijama koje stimulišu proliferaciju B ćelija koje nose odgovarajući antigen plazma ćelije proizvode antitela memorijske ćelije pamte

Antitela građeni od 4 polipeptidna lanca (2 teška i 2 laka) svaki lanac ima konstantni i varijabilni domen varijabilni domeni teškog i lakog lanca formiraju antigen-vezujuće mesto neograničeni broj varijanti antitela (somatske rekombinacije, nasumični reasortiman lakih i teških lanaca i hipermutacije) 5 klasa Klasa antitela Lokacija Valentnost Uloga Distribucija IgA Serum i mukozni sekreti 2/4 Sekundarni imunski odgovor i imunost mukoze na ekstracelularne patogene Sekreti (pljuvačka, kolostrum, krv); monomer u krvi, a dimer u sekretima IgD Serum 2 B ćelijski receptor Krv i limfa, površina B limfocita IgE Mast ćelije Imunitet na parazite, alergije Krv i limfa IgG Sekundarni imunski odgovor na ekstracelularne patogene Izvanćelijska tečnost; krv i limfa; prolazi kroz placentu IgM 10/2 Primarni imunski odgovor na ekstracelularne patogene Krv i limfa, monomer je B ćelijski receptor

Neutralizacija i opsonizacija kako antitela ubijaju? reakcija antigen-antitelo pokreće neutralizaciju ili destrukciju patogena antitela mogu da blokiraju interakciju između patogena i ćelije domaćina mogu vezati toksine – neutralizacija antitelima obeleženi patogeni su „tipovani“ fagocitama koje imaju Fc receptore – opsonizacija destrukcija može uključivati i komplement

Najvažnije osobine adaptivnog imunskog odgovora specifičnost imunske ćelije prepoznaju i reaguju sa individualnim molekulima (antigenima) putem direktne molekularne interakcije pamćenje imunski odgovor na specifično antitelo je brži i snažniji prilikom ponovnog izlaganja zato što inicijalno izlaganje patogenu indukuje rast i deobu antigen-reaktivnih ćelija u velikom broju kopija tolerancija imunske ćelije prepoznaju sopstvene antigene antitela na sopstvene antigene se uništavaju u toku razvića imunskog odgovora

Imunitet i imunizacija osobina imunološkog pamćenja iskorišćena za prevenciju infektivnih bolesti memorijske B ćelije mogu opstati godinama i posle ponovnog izlaganja antigenu nije im potrebna aktivacija od strane T ćelija transformišu se u plazma ćelije i proizvode antitela sekundarni imunski odgovor 10-100 veći titar specifičnih antitela prirodna i veštačka veštačka imunizacija – namerna veštačka indukcija imunosti na određen patogen - vakcinacija pasivna i aktivna imunost pasivna – administracija seruma ili prečišćenih antitela iz krvi osoba sa aktivnim imunitetom terapeutska primena

Aktivni i pasivni imunitet Aktivni imunitet Pasivni imunitet Izlaganje antigenu; imunost se postiže unošenjem antigena (vakcina) ili kroz infekciju Bez izlaganja antigenu; imunitet se postiže unošenjem gotovih antitela ili antigen-reaktivnih T ćelija Specifični imunski odgovor koji proizvodi osoba koja stiče imunitet Specifični imunski odgovor koji je proizveo donor antitela ili T ćelija Imunitet aktiviran antigenom; imunološko pamćenje Bez aktivacije imunskog sistema, nema imunološkog pamćenja Imunitet se može održati ponovnim unošenjem antigena tj.stimulacijom memorijskih ćelija Imunitet se ne može održati i gubi se rapidno Imunitet se razvija tokom perioda od nekoliko nedelja Imunitet se razvija trenutno

Veštačka aktivna imunost vakcine – aktivni ili inaktivirani patogeni (ili njihovi produkti) bakterije (i virusi) ubijene hemijskim ili fizičkim sredstvima hemijski modifikovani egzotoksini – toksoidi atenuirani sojevi (nevirulentne forme koje nose antigene)

Praksa imunizacije u Srbiji Vakcine Bolest Broj doza/revakcina BCG Tuberkuloza 1 Hep B Hepatitis B 3 PPSV Upala pluća (S. pneumoniae) 3/1 DTaP Difterija/tetanus/pertusis IPV Polio (dečija paraliza) 3/3 HiB Grip tipa B DT Difterija/tetanus Još 2 revakcine MMR Male boginje/zauške/rubeola 1/1 TT Tetanus Revakcinacija na svakih 10 godina

Savremeni razvoj vakcina novina - sintetičke i vakcine nastale genetičkim inženjeristvom sintetički peptidi – kratki peptidi koji mogu da budu dobri antigeni ako su vezani za veće proteinske „nosače“ (konjugovane vakcine) rekombinantna-vektor vakcina geni koji kodiraju antigene (iz bilo kog virusa) se rekombinuju u genom vaccinia virusa vakcina protiv besnila rekombinantna-antigen vakcina gen za antigen se uklonira u genom kvasca (npr.) i eksprimira a protein se koristi za vakcinu vakcina protiv hepatitisa B i HPV DNK vakcine ekspresija gena ukloniranih u vektor (bakterijski plazmid na kome se nalazi i virusni promotor) u ćelijama domaćina