Mucosaal immuunsysteem – hoorcollege

Algemeen kader van het mucosale immuunsysteem

• De mucosa, of slijmvliezen, omvatten de bekleding van het ademhalingsstelsel, het spijsverteringsstelsel en het voortplantingsstelsel.

• De oppervlakten die beschermd moeten worden, zijn aanzienlijk:

  • Huid: een oppervlakte van ongeveer 2\,\text{m}^2

  • Longen: een veel groter oppervlak van 140\,\text{m}^2

  • Darm: recente herberekeningen schatten het oppervlak tussen 200 en wel 3000\,\text{m}^2

  • Bij een varken varieert het darmoppervlak, afhankelijk van de leeftijd, rond de 100\,\text{m}^2

• Belangrijke afkortingen voor mucosaal immuunweefsel zijn:

  • NALT (Nasal-Associated Lymphoid Tissue), gelegen in de neus.

  • BALT (Bronchus-Associated Lymphoid Tissue), te vinden in de longen.

  • GALT (Gut-Associated Lymphoid Tissue), aanwezig in de darm.

• Dit systeem heeft twee kerntaken:

  1. Het handhaven van tolerantie tegenover voedselantigenen en de commensale microbiota (gezonde darmflora).

  2. Het bieden van beschermende immuniteit tegenover pathogenen.

Anatomie van het maagdarmkanaal & lymfoïde architectuur

• De dunne darm is onderverdeeld in het duodenum, jejunum en ileum.

  • Lymfoïde aggregaten zijn zeldzaam in het duodenum en nemen in frequentie toe richting het ileum.

  • Bij sommige diersoorten, zoals het varken en de hond, is er een continue Peyer-band aanwezig in het ileum.

• De dikke darm en het rectum hebben hun eigen specifieke lymfoïde clusters.

• Georganiseerd GALT omvat een aantal structuren:

  • Peyer’s patches, belangrijke inductiecentra.

  • Cryptopatches.

  • Geïsoleerde lymfoïde follikels (ILF).

  • De villi zijn rijk aan lymfocyten.

  • De distributie van deze structuren is sterk soort-specifiek; zo komen ILF's vooral voor bij ratten en mensen, terwijl muizen voornamelijk cryptopatches hebben.

Intestinaal epitheel: bouw & vernieuwing

• Het intestinale epitheel op de villi is enkelvoudig en is gespecialiseerd in snelle nutriëntenopname.

• De Crypten van Lieberkühn, gelegen tussen de villi, bevatten stamcellen die zorgen voor een snelle vernieuwing van het gehele epitheel elke 3{-}4 dagen, een proces dat uitgebreid is bestudeerd door Hans Clevers (NL).

• Paneth-cellen bevinden zich in de crypten en secreteren antimicrobiële peptiden (AMPs) om de niche steriel te houden.

Celtypen van de dunne darm

• In de dikke darm zijn er geen villi, de crypten zijn langer, er zijn veel gobletcellen aanwezig, en Panethcellen ontbreken.

Drievoudige fysieke barrière

Het mucosale immuunsysteem wordt ondersteund door een drievoudige fysieke barrière:

1. Mucuslaag:

   • In de dunne darm is deze laag discontinu en kan open zijn aan de villustop.

   • In de dikke darm bestaat de mucuslaag uit een binnenste, steriele laag en een buitenste laag die een niche biedt voor de commensale microbiota.

   • Het belangrijkste mucine is MUC2.

2. Glycocalyx:

   • Dit is een laag van suikerpolymeren gebonden aan membraaneiwitten op het epitheel.

   • Het is elektrostatisch geladen, wat helpt bij de afstoting van pathogenen, en bevat tevens verteringsenzymen.

3. Tight junctions:

   • Dit zijn multimoleculaire complexen die gelegen zijn tussen epitheelcellen.

   • Ze sluiten intercellulair transport af voor moleculen groter dan 40\,\text{kDa}, waardoor de permeabiliteit van de epitheelbarrière strikt gereguleerd wordt.

Immunologische sensorfunctie van epitheel

• Epitheelcellen dragen Pattern Recognition Receptors (PRR’s), zoals Toll-like Receptors (TLR’s) en NOD-like Receptors (NOD’s), die pathogenen detecteren.

• Bij detectie van pathogenen secreteren deze cellen cytokinen en chemokinen om een immuunrespons te initiëren.

• In vitro studies met varkens hebben aangetoond dat epitheelcellen in aanwezigheid van enterotoxische Escherichia coli (ETEC) de productie van IL-8 en IL-6 verhogen aan zowel de apicale als basolaterale zijde, vergeleken met commensale E. coli.

• In vivo, bij varkens, is 24 uur na ETEC-infectie een verhoogde expressie van IL-17A waargenomen, voornamelijk door gobletcellen.

Complexe microbioom-as (vezel → succinaat → IL-25-lus)

Een complex samenspel tussen dieet, microbiota en immuuncellen reguleert de darmhomeostase:

1. Een vezelrijk dieet leidt tot de expansie van de eencellige parasiet Tritrichomonas in het ileum.

2. Deze Tritrichomonas produceert succinaat.

3. Succinaat bindt aan een specifieke receptor op tuftcellen, waardoor de tuftcellen IL-25 afscheiden.

4. IL-25 activeert Intra-epitheliale Lymfoïdcellen type 2 (ILC2), wat resulteert in de productie van IL-13.

5. IL-13 heeft twee belangrijke effecten:

   • Het stimuleert gobletcellen tot verhoogde mucusproductie, een proces dat omschreven wordt als “weep-sweep” (traan-veeg). Dit helpt bij het afvoeren van parasieten.

   • Het creëert een positieve feedbacklus die de proliferatie van tuftcellen bevordert, wat de cyclus versterkt.

• Dit mechanisme illustreert de dynamische regulatie bij parasitaire infecties en benadrukt de cruciale dialoog tussen het epitheel en de immuuncellen.

Inductie- en effectorlocaties

• De inductie van immuunresponsen vindt voornamelijk plaats in de Peyer’s patches (met name in het ileum) en de mesenteriale lymfeknopen.

• De effectorfasen van de immuunrespons vinden plaats in de lamina propria en het intra-epitheliale compartiment van de darm.

• Het stroomdiagram van antigeenpresentatie en migratie is als volgt: een antigeen uit het darmlumen wordt opgenomen door een M-cel, getransporteerd naar het dome-gebied van de Peyer's patch, waar het wordt overgedragen aan een Antigeen Presenterende Cel (APC). Deze APC migreert vervolgens naar een lymfeknoop, waar naïeve T- en B-cellen worden geactiveerd. De geactiveerde T- en B-cellen migreren vervolgens terug naar de darm om hun effectorfuncties uit te oefenen.

M-cellen – gespecialiseerde poorten

• M-cellen (Microfold-cellen) zijn gespecialiseerde epitheelcellen die zich bevinden in het Follicle-Associated Epithelium (FAE) direct boven de Peyer’s patches.

• Hun kenmerken omvatten:

  • Weinig tot geen microvilli.

  • Een dunnere glycocalyx.

  • Vrijwel afwezigheid van mucus.

  • Een basolaterale zak die dendritische cellen (DC’s), B-cellen en T-cellen bevat, wat zorgt voor een minimale diffusieweg voor antigenen richting het immuunsysteem.

• M-cellen fungeren als een “trechter”-effect, waarbij ze darminhoud en de daarin aanwezige antigenen efficiënt richting het immuunsysteem leiden.

• Paradoxaal genoeg worden M-cellen ook misbruikt door pathogenen zoals Salmonella en Listeria om de darmbarrière te doorbreken, maar ze kunnen ook strategisch gebruikt worden als doelwit voor orale vaccins.

Alternatieve antigeentransportmechanismen

Naast M-cellen zijn er andere mechanismen voor antigeentransport over de darmbarrière:

1. Solitaire M-cellen op villi: Deze komen soort-afhankelijk voor.

2. DC-dendrieten door tight junctions: Dendritische cellen kunnen hun dendrieten uitsteken door de tight junctions van het epitheel naar het darmlumen om antigenen op te nemen, terwijl ze tegelijkertijd de integriteit van de barrière behouden via hun eigen tight junction-eiwitten.

3. Goblet Cell Associated Passages (GAP): Dit zijn passages door gobletcellen die het transport van kleine moleculen (tot ext{op} \, 10\,\text{kDa}) mogelijk maken.

4. FcRn-gemedieerde transcytose van IgG-antigeencomplexen: De neonatale Fc-receptor (FcRn) kan IgG-antigeencomplexen transcytoseren van het lumen naar de lamina propria of vice versa.

Professionele APC’s in de darm

De professionele antigeenpresenterende cellen (APC’s) in de darm omvatten:

• B-cellen.

• Macrofagen.

• Dendritische cellen (DC’s).

• Macrofagen: Deze zijn residente 'garbage collectors' die voornamelijk fagocyteren en antigenen doorgeven aan DC's; ze migreren doorgaans niet naar de lymfeklieren.

• Dendritische cellen (DC’s): Dit zijn de enige cellen die naïeve T-cellen kunnen activeren. Ze ondergaan een switch van een immatuur naar een matuur stadium bij detectie van Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMPs).

Signaaltriade voor T-celactivatie

Voor de activatie van T-cellen zijn drie signalen essentieel:

1. Signaal 1: MHC II-peptide ↔ TCR: De T-celreceptor (TCR) van de T-cel bindt aan een antigeenpeptide gepresenteerd door het Major Histocompatibility Complex klasse II (MHC II) van de APC.

2. Signaal 2: Co-stimulatie: Co-stimulerende moleculen, zoals CD40/CD40L en CD80/86, leveren een tweede signaal dat cruciaal is voor volledige T-celactivatie.

3. Signaal 3: DC-cytokinen: De cytokinen die door de DC worden geproduceerd, bepalen de polarisatie van de naïeve T-cel:

   • IL-23 induceert de differentiatie naar TH17-cellen, die op hun beurt IL-17A produceren. Dit cytokine is belangrijk voor de productie van mucus en antimicrobiële peptiden.

   • IL-12 leidt tot de differentiatie naar TH1-cellen, die Interferon-gamma (IFN-γ) secreteren, een cytokine dat vooral antivirale responsen medieert.

• In afwezigheid van gevaarssignalen (PAMPs) blijft de DC in een immature staat. In combinatie met retinoïnezuur leidt dit tot de inductie van Treg-cellen, wat essentieel is voor het handhaven van orale tolerantie.

Migratiecodes: van inductie terug naar darm

De precieze homing van geactiveerde immuuncellen naar de darm wordt gereguleerd door specifieke migratiecodes:

• Dendritische cellen (DC’s):

  • In het weefsel binden DC's via CCR6 aan CCL20, een chemokine dat door epitheelcellen wordt geproduceerd.

  • Na activatie verhoogt de DC de expressie van CCR7, wat leidt tot migratie naar de dichtstbijzijnde lymfeklier.

• Geactiveerde T- en B-cellen ondergaan een specifieke programmering voor darmhoming:

  1. De DC synthetiseert retinoïnezuur, een metaboliet van vitamine A, via het enzym RALDH.

  2. Retinoïnezuur induceert de expressie van het integrine \alpha4\beta7 en de chemokinereceptor ext{CCR}9 op de geactiveerde T- en B-cellen.

  3. Eenmaal in de bloedbaan bindt het integrine \alpha4\beta7 specifiek aan MadCAM-1 (Mucosal Cell Adhesion Molecule-1), dat tot expressie komt op het endotheel van de bloedvaten in de darm. Dit leidt tot adhesie en diapedese (door de vaatwand heen bewegen) van de immuuncellen.

  4. De chemokinereceptor ext{CCR}9 volgt een gradiënt van CCL25 (een chemokine geproduceerd door darmepitheel), wat de T- en B-cellen leidt naar de lamina propria en het intra-epitheliale compartiment.

• Over het algemeen keren cellen die in de dunne darm zijn geïnduceerd, terug naar de dunne darm, en cellen die in de dikke darm zijn geïnduceerd, keren merendeels terug naar de dikke darm, met beperkte overlap tussen de twee gebieden.

IgA: structurele varianten & transcytose

Immunoglobuline A (IgA) komt in verschillende structurele varianten voor:

• In het serum is ongeveer 90\% van het IgA monomeer, waarbij IgA1 in hogere concentraties voorkomt dan IgA2.

• In de lamina propria (onder het epitheel) is IgA voornamelijk aanwezig als dimeer, gekoppeld via een J-keten.

• Secretorisch IgA (sIgA), de functionele vorm in de mucosa, bestaat uit een dimeer IgA, een J-keten en een Secretory Component (SC).

Stap-voor-stap transcytose van IgA

Het proces van transcytose van IgA naar het darmlumen verloopt als volgt:

1. IgA-plasmacellen, die zich onder het epitheel bevinden in de lamina propria, produceren dimeer IgA dat gekoppeld is met een J-keten.

2. De polymere Ig-receptor (pIgR), aanwezig op de basolaterale zijde van de epitheelcellen, bindt dit dimere IgA.

3. Het pIgR-IgA-complex wordt via transcytose door de epitheelcel getransporteerd naar de luminale zijde.

4. Aan de luminale zijde wordt het pIgR gesplitst; het ectodomein (het deel van de receptor dat aan de buitenzijde van de cel zit) blijft gebonden aan het dimeer IgA en wordt de Secretory Component (SC).

5. De SC verleent het secretorisch IgA proteaseresistentie, waardoor het IgA langer intact blijft en langdurig aanwezig is in het mucus, vooral in de buitenste laag van de dikke darm.

Functies van sIgA

sIgA vervult diverse cruciale functies in de mucosale immuniteit:

• Immune exclusie: sIgA neutraliseert of aggregeert pathogenen al voordat ze het epitheel kunnen binden, wat voorkomt dat micro-organismen de gastheer binnendringen.

• Intracellulaire neutralisatie: sIgA kan ook virussen intracellulair neutraliseren, wat een extra verdedigingslijn biedt.

• Excreterende pathway: Via deze route kan IgA antigenen aan de basale zijde van de epitheelcel binden en samen met pIgR naar het lumen transporteren, waardoor antigenen uit de lamina propria worden verwijderd.

• Beperkte FC-gemedieerde ontsteking: In tegenstelling tot andere antilichamen, lokt sIgA maar beperkt FC-gemedieerde ontstekingsreacties uit, waardoor het beschouwd wordt als een 'anti-inflammatoir antilichaam'.

• Soortvariatie: Bij herkauwers, bijvoorbeeld, wordt vooral IgG1 in colostrum en de mucosa geproduceerd, wat een belangrijk soortspecifiek verschil is in de antilichaamrespons.

Praktische & ethische implicaties

De kennis over het mucosale immuunsysteem heeft belangrijke praktische en ethische implicaties:

• Vaccinontwerp:

  • Het specifieker targeten van M-cellen met micro- of nanodragers of lectines biedt mogelijkheden voor effectievere orale immunisatie.

  • Het gebruik van retinoïnezuur en integrine-agonisten als adjuvantia kan de homing van immuuncellen naar de darm verbeteren, wat de effectiviteit van darmvacins verhoogt.

• Voeding & microbiota-sturing:

  • Het vezelgehalte in het dieet beïnvloedt de tuft-ILC2-as, wat de mogelijkheid biedt om de controle van parasitaire infecties bij te sturen via voedingsinterventies.

  • Echter, overdosering van bepaalde voedingsstoffen of supplementen kan onvoorziene inflammatie uitlokken, wat de noodzaak benadrukt van ethische overwegingen in diervoederwetenschap.

• Barrière-geneeskunde:

  • Het versterken van de mucuslaag en tight junctions kan dienen als een alternatieve strategie voor antibiotica, in lijn met het 'One-Health' concept dat de gezondheid van mens, dier en milieu integreert.

Kernpunten (examengericht)

• Het darmoppervlak is aanzienlijk groter dan dat van de longen of de huid, wat een gespecialiseerd immuunsysteem vereist.

• De darmbarrière bestaat uit een drievoudige fysieke structuur: mucus, glycocalyx en tight junctions.

• Het epitheel van de darm kenmerkt zich door een grote celdiversiteit en de dynamische crypt-villus as, met een snelle stamcelvernieuwing elke 3{-}4 dagen.

• Peyer’s patches fungeren als belangrijke inductiecentra voor immuunresponsen, waarbij M-cellen fungeren als gespecialiseerde poorten voor antigeenopname.

• Dendritische cellen (DC’s) zijn de enige cellen die naïeve T-cellen kunnen activeren, en retinoïnezuur speelt een cruciale rol in het 'licentiëren' van de darmhoming van geactiveerde immuuncellen.

• Specifieke migratiecodes zoals \alpha4\beta7/MadCAM-1 en CCR9/CCL25 sturen de geactiveerde cellen terug naar de darm.

• Het mucosale immuunsysteem heeft een functionele dualiteit: het handhaaft tolerantie (onder andere via Treg-cellen) en biedt tegelijkertijd bescherming (via TH17/TH1-cellen).

• Secretorisch IgA is een dimeer antilichaam met een Secretory Component (SC), wat zorgt voor immune exclusie en proteaseresistentie.

• Soortspecifieke verschillen zijn van groot belang bij het ontwikkelen van vaccinatie- en voedingsstrategieën.