Immunologia : Fins fa no gaire, unes poques pinzellades servien per liquidar el sistema immunitari innat en les classes introductòries d’immunologia. L’espai gros era destinat al sistema immunitari adaptatiu, el de les cèl•lules T i el dels anticossos, és a dir el sistema immunitari que presenta memòria específica (i respon, doncs, als vaccins). El sistema immunitari adaptatiu apareixia com la gran novetat evolutiva dels vertebrats, i el sistema immunitari innat era una recialla antiga de rellevància dubtosa. Amb el temps, els dos aspectes (o fases) del sistema immunitari es veuen d’una manera més integrada. Potser per això, els encarregats del Premi Nobel de Medicina o Fisiologia, en voler guardonar a immunòlegs, s’ha decidit per premiar per igual dues figures de la immunologia innata i una figura de la immunologia adquirida. Els dos primers noms són els de Bruce A. Beutler i Jules A. Hoffmann, guardonats “per les descobertes vinculades a l’activació de la immunitat innata”, mentre que el tercer nom és el de Ralph M. Steinman “per la descoberta de la cèl•lula dendrítica i el seu paper en la immunitat adaptativa”.
Imatge d’una cèl•lula dendrítica que capta conidis. Els conidis són estructures fúngiques. La cèl•lula dendrítica té un cicle vital diferenciat en dues fases. En la primera fase la cèl•lula és metabòlicament activa i capta materials de l’entorn mitjançant l’endocitosi. En la segona fase, la de la cèl•lula dendrítica pròpiament dita, els materials digerits són presentats en la superfície en complexos moleculars específics, els MHC, juntament amb tot de senyals, que serviran per vehicular la resposta dels limfòcits T.
Bruce A. Beutler
Bruce A. Beutler (*Chicago, 1957) es doctorà en medicina a la University of Chicago (1981). Fou en els temps que passà, primer a la Rockefeller University in New York i, després, a la University of Texas in Dallas, que es llaurà un nom en la immunologia, amb la descoberta del receptor de lipopolisacàrid (LPS). La descoberta del receptor aclaria un punt clau de la toxicitat del LPS (la endotoxina), principal responsable del xoc sèptic produït per infeccions bacterianes sistèmiques. Des del 2000, és professor de genètica i immunologia en The Scripps Research Institute, a La Jolla, Califòrnia.
Jules A. Hoffmann
Jules A. Hoffmann (*Echternach, Luxemburg, 1941) es va doctorar a la Universitat de Estrasburg el 1969. Després d’una estada postdoctoral a la Universitat de Marburg, retornà a Estraburg el 1974, per dirigir un laboratori de recerca, posició de la qual es retirà en el 2009. Durant un temps fou director de l’Institut de Biologia Cel·lular Molecular d’Estrasburg i, en la temporada 2007-2008 fou president de l’Acadèmia Nacional de Ciències de França.
Ralph M. Steinman
Ralph M. Steinman (*Montreal, Canadà, 1943) va estudiar biologia i química a la McGill University i, després, medicina a la Harvard Medical School, on es doctorà en 1968. En el 1970 passà a la Rockefeller University in New York, en la qual esdevingué professor d’immunologia el 1988. També actualment és director del Centre d’Immunologia i Malalties Immunitàries d’aquesta universitat.
L’activació de la immunitat innata: els receptors generals de components microbians
Estructura del pèptid drosomicina. La síntesi d’aquest pèptid per part de drosòfila requereix un sistema de resposta a la invasió potencial de microorganismes fúngics.
Quan pensem en el sistema immunitari, ens venen al cap els anticossos, aquelles proteïnes capaces d’unir-se a components específics dels microorganismes (els “antígens”) i promoure’n l’anihilació. Els anticossos són l’element central de la resposta immunitària humoral específica. També hi ha una resposta immunitària específica, però cel•lular, mediada per les cèl•lules T citotòxiques. Però, el sistema immunitari específic requereix d’un temps de contacte amb els antígens o de disposar de “memòria” (en forma de romanents de clons de cèl•lules T o B). La primera barrera immunitària no és específica, sinó genèrica.
En un sentit ampli, aquest sistema immunitari innat o inespecífic, comença amb la pròpia barrera física que és la pell, o en els components de fluids corporals com les salives i les llàgrimes (que porten proteïnes bactericides com la lisozima). El sistema immunitari innat és l’únic sistema immunitari del qual disposen la majoria de grups zoològics. Els anticossos i els limfòcits B o T han aparegut en el decurs de l’evolució que mena al llinatge dels vertebrats (i, potser, és una clau de l’èxit d’aquest grup). Com s’ho fan, però, els “animals invertebrats” per resistir l’embat continu i implacable dels microorganismes patògens més diversos? Aquesta no és una qüestió merament de “biologia fonamental”, ja que conèixer el sistema immunitari dels insectes, per exemple, ajudarà a dissenyar millor estratègies de control de plagues mitjançant microorganisme.
El grup de Jules Hoffmann, a Estrasburg, a mitjan dels anys 1990, portava anys fent recerques al voltant del sistema immunitari dels insectes. Encara era habitual, que els fessin la qüestió de si els insectes tenien sistema immunitari. El grup de Hoffmann no hauria perdut gaire temps en respondre-ho. Per exemple, mosques de la fruita (Drosophila) amb mutacions com ara en el gen toll eren sensibles a infeccions amb bacteris i fongs que no afectaven les moques no portadores d’aquestes mutacions. El gen toll és un gen implicat en el desenvolupament embrionari (Christiane Nüsslein-Volhard, en 1995, havia rebut el Premi Nobel per haver investigat sobre aquest gen).
Pocs articles sobre sistema immunitari innat han tingut tan impacte com el que Bruno Lemaitre, Emmanuelle Nicolas, Lydia Michaut, Jean-Marc Reichhart i Jules A. Hoffmann publicaren a Cell en el número del 20 de setembre del 1996. El punt de partida era l’analogia entre una via de senyalització central entre cèl•lules immunitàries de mamífers (IL-1, I-κB, NF-κB) i la via de senyalització Toll-Cactus-dorsal implicada en el desenvolupament embrionari del dors de la Drosophila. Els tres gens esmentats, toll, cactus i dorsal, també eren implicats en la immunitat general de Drosophila contra infeccions bacterianes i fúngiques. Concretament les proteïnes toll i cactus es trobaven implicades en la síntesi de drosomicina, un pèptid de drosòfila amb propietats antifúngiques. La proteïna toll és un missatger intercel•lular que actua sobre altres cèl•lules a través de la proteïna receptora spätzle. El sistema toll-spätzle-cactus-drosomicina es revelava com a crucial en la protecció de les drosòfiles adultes contra infeccions fúngiques. D’altra banda, el sistema toll-cactus-dorsal es vinculava, juntament amb la proteïna imd, en l’activació de gens antibacterians.
En els anys següents, hom aprofundí en el coneixement del sistema immunitari de les drosòfiles. El mot defensina, assignat a una família de pèptids antimicrobians produïts pels insectes, s’estengué, i alhora hom s’adonà del paper que servava el sistema immunitari innat també en els vertebrats.
Els senyals bacterians i fúngics que desencadenen la resposta immunitària en insectes són també presents en altres grups animals. Aquests senyals es caracteritzen per correspondre’s a característiques bioquímiques presents en els microorganismes però absents en els animals. Un exemple el tenim en el lipopolisacàrid (LPS) o endotoxina. L’LPS és un component específic de la paret cel•lular de bacteris gramnegatius. La identificació entre l’endotoxina i l’LPS havia estat força rellevant per al coneixement del xoc sèptic: el xoc febril era la conseqüència de la resposta incontrolada. Un medicament injectable, per exemple, s’ha de fer en base a aigua apirògena, aigua desproveïda de qualsevol traça de LPS. La tècnica d’elecció per a la detecció de LPS és la del test del lisat amebòcits de Limulus: i és que les cèl•lules sanguínies d’aquest artròpode són particularment sensibles a l’LPS.
El grup de Bruce Beutler anava al darrera, precisament, de la base molecular de la resposta dels animals a l’entrada de LPS en el seu medi intern. El seu animal d’experimentació era dues soques mutants de ratolí resistent a l’LPS, al soca C3H/HeJ i la soca C57BL/10ScCr. Aquests ratolins, d’alguna manera, mancaven del mecanisme de reconeixement de l’endotoxina. L’11 de desembre del 1998, Alexander Poltorak, He Xiaolong, Irina Smirnova, Liu Mu-Ya, Christophe Van Huffel, Du Xin, Dale Birdwell, Erica Alejos, Maria Silva, Chris Galanos, Marina Freudenberg, Paola Ricciardi-Castagnoli, Betsy Layton i Bruce Beutler, signaven un article a Science sobre aquests ratolins.
Des del punt de mira de la genètica clàssica, el gen de recepció de l’LPS rep el nom de “Lps”. Els ratolins C3H/HeJ són portadors de l’al•lel codominant Lpsd. Els ratolins homozigots per a aquesta mutació són resistents a l’LPS, i els heterozigots ho són parcialment. La clau era que ara, amb la biologia molecular, hom podia saber la base de l’al•lel Lpsd: una mutació en el tercer exó gel gen “Toll-like receptor-4” (Tlr4). El gen Toll-like, lligava el gen Tlr4 amb la molècula missatgera que Hoffmann havia vist en el sistema immunitari de Drosophila melanogaster. Pel que fa als ratolins C57BL/10ScCr, patien una mutació en el mateix gen, que quedava completament disfuncional (en aquest cas, la resistència de l’LPS requereix l’homozigositat de la mutació).
El grup de Beutler ho veia clar. Al llarg de l’evolució, els diferents elements molecular de la immunitat innata (de vegades, compartits amb altres processos de senyalització intercel•lular) s’havien especialitzat en diferents senyals. En el llinatge dels mamífers, el gen Tlr4 s’havia especialització en la transmissió de les senyals de LPS a través de la membrana de cèl•lules immunitàries. En l’actualitat, es coneixen diversos gens de la família TLRs, implicats cadascun en el reconeixement de diferents senyals microbians.
El sistema de detecció i resposta davant de l’LPS, com tants altres elements del sistema immunitari, té un doble vessant. El vessant principal és protectiu: la detecció de focus de LPS permet a l’organisme de respondre ràpidament a infeccions bacterianes, i és en aquest context de resposta on podrà començar a treballar el sistema immunitari adaptatiu. Però, alhora, una resposta exagerada a la presència de LPS condueix a l’estat febril del xoc sèptic, una resposta sistèmica que, per ella mateixa, mata a l’individu abans que no pas el matin els bacteris. És per això, que els gens de la família TLRs també s’associen a algunes malalties inflamatòries cròniques.
La cèl•lula dendrítica en la presentació professional d’antígens
El que hem dit abans pel que fa al sistema immunitari innat o primari, també val per al sistema immunitari adaptatiu o especialitzat. O, més encara. També ací trobem els dispositius per respondre contra agressions externes (principalment, microorganismes patògens), però també els dispositius responsables de les malalties autoimmunitàries. El sistema immunitari adaptatiu o especialitzat s’orienta al voltant de dos extrems: la tolerància envers aquells materials que són considerats com a propis, i el rebuig envers els materials considerats aliens. La immunització és el procés pel qual l’organisme adquireix els mecanismes per rebutjar, i la tolerització és el procés invers.
Mitjançant recombinacions genètiques, els diferents clons de limfòcits especialitzats (tant els limfòcits T com els limfòcits B, els darrers són els productors d’anticossos) poden reconèixer virtualment qualsevol molècula, natural o artificial. Els processos de selecció permeten destruir els limfòcits que puguin reconèixer material propi de l’organisme, i de fer proliferar els limfòcits adequats contra els microorganismes de l’entorn. És quan falla aquest procés de selecció, quan ens trobem amb limfòcits autotòxics, o quan ens trobem que no hi ha una resposta limfocitària adequada contra una infecció. Val a dir, que els microorganismes que ens parasiten, poden parasitar-nos precisament per haver aconseguit de frenar/compensar l’acció deletèria que damunt d’ells té el nostre sistema immunitari.
A començament dels anys 1970, tot el que hem dit abans ja era sabut en els grans trets. En la immunologia, els models teòrics han tingut un gran paper en l’orientació de la recerca cel•lular i molecular posterior. Una qüestió pendent era el mecanisme pel qual els limfòcits T s’activaven. L’activació específica dels limfòcits T és clau tant en la primera resposta contra un microorganisme, com en la recuperació de la memòria immunològica contra aquell microorganisme. Els limfòcits T que s’activin també determinaran que la resposta sigui humoral (amb activació dels limfòcits B corresponents i la producció d’anticossos, que seran útils contra paràsits extracel•lulars) o sigui cel•lular (els limfòcits T ataquen directament les cèl•lules de l’organisme que han estat infectades, i les sacrifiquen per atenallar la infecció d’un paràsit intracel•lular). L’activació d’un limfòcit T dependrà de dos factors:
– la presència del senyal específic que reconeix a través del seu receptor (gairebé únic per a cada limfòcit T).
– l’existència d’un context que indueixi aquest limfòcit T envers l’autodestrucció (tolerància de l’antígen) o envers la proliferació (activació i immunització envers l’antígen).
El rol central dels limfòcits en el sistema immunitari feia suposar que els aspectes claus del sistema immunitari calia trobar-los en els òrgans limfoides: ganglis limfàtics, timus, melsa, etc. En el número de l’1 de maig del 1973 del Journal of Experimental Medicine, Ralph M. Steinman i Zanvil A. Cohn se la jugaven amb un article sobre un tipus cel•lular no-limfocític que descrivien en els òrgans limfoides del ratolí. Concretament, havien estudiat preparacions de melza, de gangli limfàtic i de placa de Peyer (nòduls limfoides de la porció inferior de l’intestí prim). El tipus cel•lular en el qual centraven l’interès no eren, com ja hem dit, limfòcits. Tampoc no era gens abundant (suposava un 0,1-1,6% del total de cèl•lules nucleades de la preparació). Però tenia una morfologia que els era suggerent. El citoplasma era arranjat en projeccions de diversa longitud i amplada. En les projeccions hi havia un abundant nombre de mitocondris esfèrics i grans, la qual cosa era indicació d’una bona activitat metabòlica oxidativa. Els nuclis cel•lulars eren grans, retràctils i de forma entortolligada, amb dos nucleols, tot plegat indicatiu d’una cèl•lula activa també en l’expressió de gens. En les preparacions de teixit viu, Steinman i Cohn observaven unes cèl•lules de moviments característics, i descartaven que les projeccions esmentades fossin de caire fagocític. Per raó de les projeccions esmentades, que els donaven un aspecte de cèl•lula ramificada, els donaven el nom de “cèl•lula dendrítica”.
Steinman tenia la idea que les cèl•lules dendrítiques tenien un paper en l’activació dels limfòcits T. Li calia un model in vitro per comprovar aquesta hipòtesi. Això suposà un gran esforç per a recuperar prou quantitat (i d’una manera específica) de cèl•lules dendrítiques, cosa que aconseguí a partir de melza de ratolí.
Per a estudiar l’activació de limfòcits T emprà una tècnica de reacció de leucòcits primaris (en la qual hi havia limfòcits i també leucòcits no-limfocítics). L’1 d’octubre del 1978, R. M. Steinman i M. D. Witmer publicaven resultats en la revista PNAS. Els leucòcits primaris també procedien de melzes d’altres ratolins. Quan uns 5 milions de leucòcits primaris eren exposats a uns centenars de cèl•lules dendrítiques, hom duplicava els índexs de proliferació leucocitària respecte del nivell basal. Si el nombre de cèl•lules dendrítiques passava a desenes de milers, llavors la proliferació dels leucòcits arribava superar fins a 80 vegades els nivells basals. La relació logarítima entre proliferació i nombre de cèl•lules dendrítiques era lineal. Aquesta relació lineal es podia comparar amb l’obtinguda amb extracte cel•lular cru de melza, en el qual cas hom obtenia una relació 100-300 vegades inferior, cosa que encaixava força amb el fet que en la melza menys d’1% de les cèl•lules són cèl•lules dendrítiques. En canvi, si hom retirava de l’extracte de melza els limfòcits B (amb l’ús de sèrum anti-immunoglobulines i complement) o els limfòcits T (amb l’ús de sèrum anti-cervell i complement), no havia efecte sobre l’activació de leucòcits primaris. Si hom enriquia el preparat de melza en fagòcits mononuclears (principalment, macròfags) tampoc no havia un efecte positiu. Les cèl•lules dendrítiques tenien una potència estimuladora 100 vegades més efectiva que els altres tipus cel•lulars dels òrgans limfoides (tant els limfòcits B i T, com els macròfags).
En el 1985, apareixia al Journal of Experimental Medicina, una altra recerca de Steinman sobre cèl•lules dendríques, aquesta vegada signada conjuntament amb G. Schuler. L’objectiu era comparar les cèl•lules dendrítiques dels òrgans limfoides centrals amb les cèl•lules de Langerhans de l’epidermis. Les cèl•lules de Langerhans tenien una morfologia molt suggerent per a Steinman. Les cèl•lules de Langerhans suposen un 3% de les cèl•lules de l’epidermis, en la qual domina el queratinòcit com a tipus cel•lular. Les cèl•lules de Langerhans, a més de diferenciar-se morfològicament, es tenyeixen específicament amb els anticossos monoclonals anti-Ia i anti-Mac-1. Els autors van suar per arribar a preparacions d’un 10-50% de puresa de cèl•lules de Langerhans: unes cèl•lules certament fastidioses per no adherir-se a les superfície i pel fet que no proliferar en cultiu. A més, poc després de cultivades, les cèl•lules de Langerhans comencen a perdre les seves característiques citològiques (grànuls de Birbeck), marcadors moleculars (receptors de Fc d’anticossos, antígen F4/80, ATPasa de membrana, etc.). Als 4 dies, també perdien els antígens Ia i Mac-1. Però justament aquests canvis posaven de manifest l’analogia entre les cèl•lules de Langerhans i les cèl•lules dendrítiques dels òrgans limfoides. Per exemple, les cèl•lules de Langerhans adquirien la capacitat d’estimular limfòcits T, i als 2-3 dies de cultius, ja tenien una potència 3-10 vegades superior al de les cèl•lules dendrítiques de melza. N’hi havia prou amb 30 cèl•lules de Langerhans madurades en cultiu per estimular 300.000 limfòcits T.
Si en les cèl•lules de Langerhans s’eliminava el marcador Ia, també s’eliminava l’acció estimuladora sobre limfòcits T. L’acció estimuladora de les cèl•lules de Langerhans continuava fins i tot després d’haver-les matat amb radiació ionitzant (nivells de 1.500 rad). Schuler i Steinman interpretaven que les cèl•lules de Langerhans són un tipus cel•lular immunològicament immadur, i que serien els precursors de les cèl•lules dendrítiques. L’evolució de les cèl•lules de Langerhans en el cultiu en el laboratori devia ser anàloga a l’evolució patida pels precursors de les cèl•lules dendrítiques en arribar als òrgans limfoides centrals.
Les cèl•lules dendrítiques són, efectivament, les cèl•lules presentadores d’antígens (APC, en l’acrònim anglès) a un nivell “professional”. Són elles les que presenten als limfòcits T no tan sols el senyal específic (el senyal 1) sinó també el senyal contextualitzador (el senyal 2) que decidirà si el limfòcit T específic s’ha d’activar i proliferar, o si ha de romandre silent o, àdhuc, suïcidar-se. El context pot ser immunogènic o tolerogènic, d’acord amb diversos factors. Quins factors? Per exemple, la presència de senyals inflamatoris o, més senzillament, aquells components microbians que són detectats pels receptors de la família TLR. No eren dues immunitats, finalment, sinó una de sola.
Des de la Mediterrània 