HC9: Immunology and antibiotic resistance

Cells of the immune system

Defence against pathogens in 3 steps:

1. alarm and first defence

= complement system (activation) → molecules which start with C

1. Classical pathway → initiated by antibodies

2. Alternative pathway → first step in activation of complement system

3. MBL pathway → second step

Ongeacht hoe het systeem start, ze komen allemaal samen bij de splitsing van het centrale eiwit C3.

De cascade splitst zich vanaf daar op in drie functionele takken (de oranje blokken onderaan):

1. Opsonization (Opsonisatie - Linkertak)

• De route: Het eiwit C3 wordt gesplitst in C3a en C3b. Het grote fragment C3b reist direct naar het oppervlak van de bacterie (het rode staafje).

• Wat er gebeurt: C3b functioneert als een immuun-vlaggetje (een 'opsor'). Het coat de buitenkant van de bacterie (coating with C3b).

• Het effect: Een macrofaag (linksonder) herkent dit C3b-vlaggetje direct. Het maakt het voor de macrofaag vele malen makkelijker om de bacterie te grijpen en op te eten (enhancement of phagocytosis).

2. Cytolysis (Cel-lyse - Middentak)

• De route: C3b activeert vervolgens het eiwit C5, dat splitst in C5a en C5b. Het fragment C5b bindt direct aan opeenvolgende complementeiwitten: C6, C7, C8 en C9.

• Wat er gebeurt: Samen vormen deze eiwitten een complex dat zich fysiek in boort in het buitenste membraan van de bacterie (microbial plasma membrane). Dit complex heet het Membrane Attack Complex (MAC).

• Het effect: Het MAC vormt een open koker (een cilindergat) in de bacteriewand. Water en zouten stromen ongecontroleerd naar binnen, waardoor de bacterie opzwelt en letterlijk openbarst (cytolysis of cytolytisch effect).

3. Inflammation (Ontsteking - Rechtertak)

• De route: Tijdens de eerdere splitsingen zijn de kleine "afvalproducten" C3a en C5a vrijgekomen in de vloeistof.

• Wat er gebeurt: C3a en C5a werken als krachtige alarmsignalen (anafylatoxinen). Ze binden aan een mestcel (mast cell), waardoor deze openspringt en massaal histamine loslaat (histamine release).

• Het effect: Histamine maakt de lokale bloedvaten wijder en lek (increase of blood vessel permeability). Hierdoor kunnen vloeistof en andere witte bloedcellen (zoals fagocyten) heel makkelijk uit de bloedbaan naar de plek van de infectie toe kruipen (chemotactic attraction). Dit veroorzaakt de klassieke ontstekingsverschijnselen (roodheid, zwelling, warmte).

Function of having a capsule for a bacterium in the complement system

→ binding of C3b is inhibited

Overlevingsstrategieën van pathogenen om te ontsnappen aan eerste defensielinie tijdens een lokale ontsteking

→ de fagocytose
(het opeten en vernietigen van micro-organismen door witte bloedcellen zoals macrofagen en neutrofielen)

Het pathogeen pakt dit op drie verschillende manieren aan:

1. Capsules (Inkapseling)

• Wat het is: Sommige bacteriën (zoals Streptococcus pneumoniae) bouwen een gladde, glibberige suikerlaag (kapsel) om zich heen.

• Het effect: Hierdoor kunnen fagocyten geen grip op de bacterie krijgen; de bacterie glipt letterlijk weg voordat hij ingesloten en opgegeten kan worden.

2. Surface expression of alternative LPS/lipidA or Flagellin (Moleculaire camouflage)

• Wat het is: Normaal gesproken herkennen de sensoren op onze immuuncellen — de Toll-Like Receptors (TLR's) — vaste basispatronen van bacteriën. TLR4 herkent LPS/Lipide A (onderdeel van de Gram-negatieve celwand) en TLR5 herkent flagellin (het eiwit van de bacteriezwemstaart).

• Het effect: Sommige pathogenen veranderen de chemische structuur van hun LPS of flagellin net een klein beetje (alternative expression). Hierdoor passen ze niet meer goed op de sensoren, wat full activation of TLR4 and TLR5 voorkomt. Het immuunsysteem herkent de indringer niet als gevaarlijk, waardoor de lokale afweerreactie uitblijft.

3. Production of leukocidins (De tegenaanval)

• Wat het is: In plaats van zich te verstoppen, gaan sommige bacteriën (zoals Staphylococcus aureus) in de tegenaanval door gifstoffen uit te scheiden: leukocidinen.

• Het effect: Deze toxines boren gaten in de celmembraan van de immuuncel zelf. Dit results in killing the phagocyte: de witte bloedcel die de bacterie wilde opeten, sterft ter plekke voordat hij zijn werk kan doen.

Wat gebeurt er zodra een macrofaag een pathogeen herkent:

→ uitscheiding 5 belangrijke pro-inflammatoire cytokines (signaalstoffen)

1. IL-6 (Interleukine-6)

• Local effects: IL-6 heeft milde lokale effecten die bijdragen aan de activering van immuuncellen ter plaatse.

• Systemic effects (Heel belangrijk!): IL-6 reist direct via de bloedbaan naar de lever. Daar dwingt het de levercellen (hepatocytes) om massaal acute-fase-eiwitten (zoals CRP en fibrinogeen) te produceren om de infectie te bestrijden. Daarnaast reist het naar de hersenen om koorts (fever) op te wekken.

2. TNF-alpha (Tumor Necrose Factor-alpha)

• Local effects: Dit is een ontzettend krachtige ontstekingsstof. Het activeert de binnenwand van de lokale bloedvaten (vascular endothelium) en maakt ze lek (increases vascular permeability). Hierdoor kunnen complementeiwitten en witte bloedcellen makkelijk het weefsel in, en stroomt er extra vloeistof naar de lymfeklieren (fluid drainage) om de afweer te starten.

• Systemic effects: TNF-$\alpha$ wekt ook koorts op en mobiliseert energievoorraden (mobilization of metabolites). Klinische waarschuwing: Als er té veel TNF-$\alpha$ in de bloedbaan terechtkomt (bij een systemische sepsis), gaan bloedvaten overal in het lichaam tegelijk wijd openstaan en lekken. Dit leidt tot een levensgevaarlijke bloeddrukval: een shock.

3. IL-1 beta (Interleukine-1 beta)

• Local effects: Werkt nauw samen met TNF-$\alpha$. Het activeert ook de bloedvatwand en stimuleert lokale lymfocyten. Het zorgt voor een beetje lokale weefselbeschadiging (local tissue destruction) zodat immuuncellen er fysiek makkelijker doorheen kunnen om bij de bacteriën te komen.

• Systemic effects: Veroorzaakt ook koorts en stimuleert de aanmaak van nóg meer IL-6.

4. CXCL8 (Ook wel bekend als Interleukine-8 / IL-8)

• Local effects: Dit is een chemotactische factor (een chemisch spoorzoeker-eiwit). Het verspreidt zich vanaf de infectieplek. Neutrofielen en basofielen (snelle vechtcellen in het bloed) ruiken dit spoor en kruipen er direct naartoe (recruits neutrophils and basophils to site of infection).

• Systemic effects: Geen. CXCL8 werkt puur lokaal als een richtingaanwijzer voor hulptroepen.

5. IL-12 (Interleukine-12)

• Local effects: Dit cytokine activeert specifiek de NK-cellen (Natural Killer cells) en stimuleert ze om te gaan vechten, wat met name cruciaal is bij virusinfecties en intracellulaire bacteriën.

• Systemic effects: Geen directe grote systemische effecten op deze dia.

Volgende stap:

= macrophages initiate effector immune respons by activation T-cells

→ laat zien hoe de aangeboren afweer (macrofagen) naadloos overvloeit in de verworven afweer (T-cellen)

Zodra een macrofaag bacteriën tegenkomt, gebeuren er direct twee dingen tegelijkertijd:

1. Linkerpanel: Fagocytose & Afbraak (De fysieke vernietiging)

• Binding: De bacterie bindt aan specifieke opruimreceptoren (receptor for bacterial surface constituents).

• Engulfment (Insluiting): De macrofaag vouwt zijn membraan om de bacterie heen en sluit hem op in een blaasje: het phagosome.

• Degradation (Afbraak): Dit phagosome versmelt met een lysosoom (vol agressieve enzymen en zuren) tot een phagolysosome. De bacterie wordt hier volledig in stukjes gehakt.

• De overgang (Rode pijl): De stukjes die overblijven van de bacterie worden niet zomaar weggegooid. Die gaan door naar de volgende stap: Antigen-presentation (antigeenpresentatie).

2. Rechterpanel: Signalering & Cytokines (Het alarm)

• Tegelijkertijd binden losse bacteriële componenten aan signaalreceptoren (zoals Toll-Like Receptors) op het oppervlak.

• Dit stuurt een signaal naar de celkern (Transcription), waardoor de macrofaag massaal inflammatory cytokines (zoals de IL-6 en TNF-a die we net bespraken) gaat produceren en uitscheiden (omcirkeld in het rood) om extra immuuncellen te waarschuwen.

→ De vervolgstap – Antigeenpresentatie en T-celactivatie

Nu komen we bij de directe vervolgstap van de rode pijl van de eerste dia. Wat gebeurt er met die stukjes bacterie uit het phagolysosome?

1. Linkerpanel: Transport via MHC klasse II

• De klein gehakte bacteriële eiwitten (bacterial peptides, het rode rondje) worden binnenin de cel op een speciaal transporteiwit geladen: MHC class II (het gele stoeltje).

• Dit MHC class II-complex reist naar de buitenkant van de macrofaag en presenteert het bacteriestukje op het celoppervlak (transported to the cell surface). De macrofaag fungeert nu als een soort 'etalage' om te laten zien wat hij heeft opgegeten.

2. Rechterpanel: Activatie van de T-helpercel (TH1)

• Een specifieke $T_H1$-cel (een type T-helpercel) komt langs en herkent dit specifieke complex met zijn T-celreceptor.

• De feedback-loop (Activatie): Zodra de TH1-cel bindt, activeert deze op zijn beurt de macrofaag weer (activates macrophage) door cytokines (zoals Interferon-gamma) terug te spuiten. Hierdoor verandert de macrofaag in een "hyper-geactiveerde" moordmachine: hij kan de resterende bacteriën binnenin zijn phagolysosomen nóg agressiever en sneller doden.

Defence against pathogens in 3 steps:

2. mobilisation of the immune system

= it is important that wherever a bacterium enters the body → the immune system can be activated
→ by the lymphatic system

The lymphatic and blood circulation are inter-connected:

• lymphocytes circulate between blood and lymphatic circulation

• each tissue in the body contains draining lymph nodes

• antigens / microorganisms from anywhere in the body end up in lymphoid tissues

→ function of lymphoid organs is bringing pathogens and immune cels together

Van de eerste barrière-doorbraak via de innate immunity tot de uiteindelijke activatie van de adaptive immunity (het macro-overzicht)

→ de reis naar de lymfeklier

1. Pathogens adhere to epithelium: De bacteriën (rode stipjes) proberen zich te hechten aan het epitheel (de huid of slijmvliezen). Dendritische cellen (DC's) en macrofagen liggen hier al paraat als een soort grenswacht.

2. Skin wound allows pathogens to penetrate epithelium: Een wondje doorbreekt de fysieke barrière. De micro-organismen stromen het onderliggende weefsel binnen.

3. Local infection, innate immunity: Macrofagen en DC's detecteren de bacteriën direct via hun TLR-sensoren. Macrofagen beginnen de boel direct op te eten (fagocytose) en slaan lokaal alarm.

4. Dendritic cells take infection to lymph node...: Dit is de cruciale schakel! De Dendritische cel grijpt een bacterie, verandert in een 'migrerende' cel en reist via een lymfevat (lymphatic vessel) naar de dichtstbijzijnde lymfeklier (lymph node). Daar ontmoet hij de naïeve T- en B-cellen van de verworven afweer.

5. Effector cells and molecules... travel to the infected tissue: Eenmaal geactiveerd in de lymfeklier, reizen de specifieke T-cellen en antistoffen via de bloedbaan (blood vessel) met enorme slagkracht terug naar de infectiehaard om de boel definitief op te ruimen.

Van de eerste barrière-doorbraak via de innate immunity tot de uiteindelijke activatie van de adaptive immunity (het micro-overzicht)

→ wat doet die Dendritische Cel?

1. Dendritic cell takes up pathogen for degradation: De DC eet de bacterie (het rode vierkantje) op via fagocytose om hem te vernietigen.

2. Pathogen is taken apart...: Binnenin de DC wordt de bacterie mechanisch en chemisch uit elkaar gehaald, waardoor de virale of bacteriële eiwitten (pathogen protein) vrijkomen.

3. Pathogen proteins are unfolded and cut into small pieces: Met moleculaire schaartjes (enzymen) knipt de DC deze lange eiwitketens op in hele kleine stukjes peptide.

4. Peptides bind to MHC molecules...: Deze specifieke bacteriestukjes (peptides) worden op een MHC-molecuul (het gele 'stoeltje') geladen. Dit complex reist naar het celoppervlak (goes to the cell surface).

5. T-cell receptors bind to peptide:MHC complexes...: In de lymfeklier presenteert de DC dit kant-en-klare MHC-complex aan een langslopende T-cel. De specifieke T-celreceptor past als een sleutel in een slot op de bacterie-MHC-combinatie. Pas op dit exacte moment is de T-cel officieel geactiveerd en start de verworven afweer.

When pathogen enters the lymph node, it is by afferent lymphatic vessel