Kua, gutten og lymfeknuten – immunologiske prinsipper for vaksinasjon

Ludvig André Munthe

Medisin og vitenskap

Kua, gutten og lymfeknuten – immunologiske prinsipper for vaksinasjon

Tema: Vaksinasjon

Ludvig André Munthe

Se alle artikler

Ludvig André Munthe

Email: l.a.munthe@medisin.uio.no

Immunologisk institutt

Fakultetsdivisjon Rikshospitalet

Universitetet i Oslo

og

Rikshospitalet-Radiumhospitalet

0027 Oslo

Abstract

Vaksiner stimulerer immunsystemet ved å aktivere profesjonelle antigenpresenterende celler, deriblant dendrittiske celler. Dendrittiske celler uttrykker en rekke mønstergjenkjennelsesreseptorer (MGR) på overflaten, reseptorer som gjenkjenner strukturer på virus og bakterier. Disse reseptorene stimulerer til modning av dendrittiske celler, som deretter migrerer til lymfeknuter og presenterer vaksineantigen til T-celler. Vaksinens MGR-ligander er bestemmende for om man får en hensiktsmessig immunrespons, og effektiv langvarig immunitet.

I denne artikkelen gjennomgås cellulære prinsipper og mekanismer for vaksineresponser, inkludert antigennedbrytning, antigenpresentasjon, T-celleresirkulering, Th1-, Th2- og CTL- T-celleresponser og T-B-cellesamarbeid, samt primære og sekundære B-celleresponser.

Abstract

Vaccines stimulate the immune system by activating professional antigenpresenting cells, such as dendritic cells. Dendritic cells express a number of pattern recognition receptors (PRR) on their surface, receptors that recognize structures on viruses and bacteria. These receptors stimulate maturation of dendritic cells that thereafter migrate to regional lymph nodes where they present vaccine antigens to T-cells. PRR- ligands of the vaccine are decisive for the efficacy of the immune response.

This article discusses cellular principles and mechanisms for vaccine responses; including antigen processing and presentation, T-cell circulation, Th1-, Th2- and CTL T-cell responses and T-B cell cooperation, as well as primary and secondary T and B cell responses and lymphocyte recirculation and homing.

Artikkel

Edward Jenner (1749 – 1823) beskrev vaksineringsprinsippet i 1796 (1). Koppeepidemier var et stort problem i Jenners samtid, kopper var en infeksjon som forårsaket stor barnedødelighet og i tillegg vansiret en betydelig del av verdens befolkning. Letaliteten var over 30 % (2). Ved sitt forsøk der han vaksinerte gutten James Phipps (fig 1), viste Jenner at kroppen kunne utvikle en motstand mot koppeinfeksjon dersom man tidligere hadde gjennomgått en immunrespons mot det nær beslektede kukoppeviruset. Uten å vite det, hadde Jenner oppdaget ervervet immunitet og immunologisk hukommelse, og tatt det første skrittet mot utryddelsen av kopper. Koppeviruset var også det første viruset som ble erklært utryddet av WHO i 1980.

I det følgende omtales immunologiske prinsipper for vaksinasjon, først ved gjennomgang av celler og ervervet immunitet, deretter beskrives igangsettelsen av immunresponser med utgangspunkt i antigenpresenterende celler, og det trekkes linjer til vaksinasjonsstrategier.

Medfødt og ervervet immunitet

Kroppens hud og slimhinner danner barrierer som utgjør første forsvarsverk i medfødt (non-adaptiv) immunitet. I tillegg har vi proteiner i sekreter og i plasma som beskytter oss mot bakterier og virus. En rekke plasmaproteiner inngår i komplementsystemet, en kaskade som er spesielt viktig i den tidlige fasen av infeksjoner. Bakterier aktiverer komplementfaktorer, og det dannes komplementfaktorfragmenter: Opsoniner (C3b) binder reseptorer på fagocytter, anafylatoksiner (C5a, C3a) aktiverer mastceller, kjemotaksiner (C5a) rekrutterer leukocytter til inflammasjonen. Det dannes også terminalt komplementkompleks (C5b-C9) som laserer bakterier (3).

Leukocytter inndeles i lymfocytter (T-celler, B-celler, NK-celler (naturlige drepeceller)), monocytter, dendrittiske celler og granulocytter (e-fig 2). Ervervet (adaptiv) infeksjonsforsvar, som utvikles som en følge av kontakt med mikroorganismer, er avhengig av lymfocyttresponser og har tre kjennetegn: spesifisitet, hukommelse og toleranse (3). En spesifikk reaksjon betegnes ved at lymfocytter reagerer med ett antigen (og ikke et annet ubeslektet antigen). Immunologisk hukommelse innebærer at lymfocytter som er spesifikke for et antigen, gjennomgår celledeling for å bli langlivede hukommelsesceller. Toleranse omtales ikke nærmere her, men krever at lymfocytter ikke reagerer på kroppens egne celler og proteiner.

Tabell 2

Cytokiner og deres virkninger

Cytokin	Utskilt av	Reseptor	Funksjon
IL-1α og IL-1β	Makrofager, epitelceller; spesielt ved virale infeksjoner	CD121a/CD121b	Proinflammatorisk, fremkaller feber, aktiverer T-celler og makrofager

IL-2	T-celler	CD25 (α)/CD122 (β)/CD132 (γ_C)	Autokrin og parakrin T-celleproliferasjon

IL-4	Th2-celler, mastceller	CD124/CD132 (γ_C)	Aktivering og differensiering av B-celler, induserer isotypeskifte til IgE. Fremmer polarisering mot Th2-celler

IL-5	Th2-celler, mastceller	CD125 (β_C)	Aktivering, proliferasjon og vekst av eosinofile granulocytter

IL-6	Th2-celler, makrofager, endotelceller	CD126/CD130	Proinflammatorisk, fremkaller feber, aktiverer T- og B-celler

IL-8	Aktiverte makrofager	CXCR1 og CXCR2 kjemokinreseptorer	Kjemokin som rekrutterer T-celler og granulocytter til betent vev

IL-10	Th2-celler, makrofager	IL-10Rα/β	Hemmer makrofagaktivering, hemmer indirekte utvikling av Th1-celler

IL-12	Aktiverte makrofager, dendrittiske celler, B-celler	IL-12Rβ1/β2	Polariserer naive T-celler mot Th1-celler, aktiverer NK-celler

IL-13	Th2-celler	IL13R/CD132 (γ_C)	Funksjon likner IL-4, aktiverer og differensierer B-celler, hemmer utvikling av Th1-celler

IL-15	T-celler	IL-15R/CD122 (β)/CD132 (γ_C)	Likner på IL-2. Stimulerer bl.a til vekst av T-celler og NK-celler

IL-18	Aktiverte makrofager	IL-1R-liknende reseptor	Fører til utskilling av IFN-γ fra T-celler og NK-celler. Favoriserer polarisering mot Th1-celler

IFNγ	Th1-celler, NK-celler	CD119/IFGR2	Aktivering av makrofager. Fører til uttrykk av MHC-klasse II-molekyler på flere celletyper. Induserer isotypeskifte av B-celler. Hemmer Th2-celler

IFN-α	Leukocytter	CD118/IFNAR2	Økt MHC-klasse I-uttrykk, antivirale effekter

IFN-β	Fibroblaster	CD118/IFNAR2	Økt MHC-klasse I-uttrykk, antivirale effekter

TNF (TNF-α)	Aktiverte makrofager, NK-celler, Th1-celler	P55/p75/CD120a/b	Proinflammatorisk effekt, lokal betennelse, aktivering av endotel

LT (TNF-β)	T-celler, B-celler	P55/p75/CD120a/b	Nødvendig for danning av kimsentre og for B-celledifferensiering

G-CSF	Fibroblaster, monocytter	G-CSFR	Fører til modning av nøytrofile granulocytter i beinmargen

GM-CSF	Makrofager, Th2-celler	CD116/CD131	Stimulerer til modning av den myeloide cellerekke

Opplasting av antigenpresenterende celler

La oss se på hvordan et moderne immunologisk perspektiv ville forklare funnene til Jenner. Gutten James Phipps (fig 1) ble immunisert subkutant med et inokulat av kukoppevirus. I huden og i subkutant vev finnes spesialiserte antigenpresenterende celler kalt dendrittiske celler. Disse er oftest hvilende og kalles da umodne. I hvilefasen tar dendrittiske celler opp ekstracellulærvæske tilsvarende flere ganger deres eget volum hvert døgn. Denne prosessen, makropinocytose, gjør at dendrittiske celler lastes opp med de antigenene som til enhver tid finnes i det aktuelle vevet (3), for eksempel kukoppeantigener etter vaksineringen. Proteinantigener brytes ned til peptider, som så binder gropen til MHC-klasse II-molekyler (ramme 1), for videre transport ut til cellens overflate (fig 3) (3, 4).

Ramme 1

Antigenpresenterende celle (APC)

Slike celler kan være profesjonelle APC, da uttrykker cellene både MHC klasse I og klasse II i tillegg til kostimulerende molekyler.

B-cellereseptor (BCR)

Membranbundet antistoff (kalles også membranbundet immunglobulin). I utskilt form: Immunglobulin, antistoff.

CD-antigener

Fra «cluster of differentiation», markører som benyttes til å karakterisere celler og vev.

CD4-koreseptor

Markør for T-hjelpeceller, CD4-positive T-celler er spesialisert til å samarbeide med monocytter/makrofager/dendrittiske celler eller B-celler.

CD8-koreseptor

Markør for cytotoksiske T-celler. CD8-positive T-celler dreper virusinfiserte celler.

Dendrittisk celle (DC)

Den mest effektive profesjonelle antigenpresenterende cellen.

MHC-komplekset (major histocompatibility complex)

Vevsforlikelighetsantigener. Disse benyttes av antigenpresenterende celler til å presentere antigene peptider til T-celler. MHC klasse I bindes av CD8, som finnes på cytotoksiske T-celler. MHC klasse II på overflaten av antigenpresenterende celler bindes av CD4 på T-hjelpeceller.

HLA (human leukocyte antigen)

MHC hos mennesket.

Mønstergjenkjennelsesreseptorer (MGR)

Samlebetegnelse på reseptorer, for eksempel TLR, som har som funksjon å binde patogene agenser, bakterier, virus og sopp. Kalles på engelsk pattern recognition receptors (PRR).

Toll-liknende reseptorer (TLR)

Mønstergjenkjennelsesreseptorer som finnes på antigenpresenterende celler hos pattedyr. Toll-reseptorer ble først oppdaget hos bananfluer, og liknende reseptorer ble siden funnet hos en rekke arter, deriblant hos mennesket.

Mønstergjenkjennelsesreseptorer

Dendrittiske celler har en lang rekke reseptorer som aktiverer cellen ved kontakt med bakterie- og virusprodukter. Slike mønstergjenkjennelsesreseptorer (MGR) (5) er helt nødvendig for det medfødte immunforsvarets gjenkjennelse av patogener. Den største gruppen av mønstergjenkjennelsesreseptorer er Toll-liknende reseptorer (TLR, en gruppe som har fått navnet sitt etter toll-reseptor oppdaget i bananflue) (5). Mønstergjenkjennelsesreseptorer aktiverer og modner monocytter, makrofager og dendrittiske celler. Tabell 1 inneholder en liste av bakterieantigener og deres MGR-ligander, med sentrale referanser (6) – (21).

Tabell 1

Antigenbinding til mønstergjenkjennelsesreseptorer (MGR)

	Mikroorganisme	Binding til MGR
Bakterieantigen
LPS	Gramnegative bakterier	LPS binder plasmaproteinet LPS-bindende protein (LBP) og deretter TLR4¹(6)

LTA, lipoproteiner Peptidoglykan	Grampositive bakterier Gruppe B-streptokokker, Staphylococcus aureus	TLR2 (7), TLR6/TLR2/TLR1 (8, 9)

CpG-DNA²	Bakterier og mykobakterier	TLR9 (10)

Flagellin	Flagellate bakterier	TLR5 (11)

Lipoarabinomannan	Mykobakterier	TLR2, Dectin-1, (TLR4) (12)

Triacylerte lipoproteiner	Mycobacterium leprae	TLR1/TLR2 (13)

Mannose	Bakterier	Mannosereseptor

Virusantigen

CpG-DNA	Virus, f.eks. HSV-1, HSV-2, og musecytomegalovirus (MCMV)	TLR9 (14, 15)

Dobbelttrådet (ds)RNA	Virus	TLR3 (16), retinoic-acid-inducible protein I (RIG-I) (17)

Enkelttrådet (ss)RNA	RNA-virus	TLR7, TLR8 (18)

F(fusjons)-protein	RSV	TLR4 (19)

Hemagglutininprotein	Meslingvirus	TLR2 (20)

YF-17D-vaksine	Gulfeber	TLR2, 7, 8 og 9 (21)
[i]

[i] ¹ Følgende toll-liknende reseptorer (TLR) uttrykkes på celleoverflaten: TLR1, 2, 4, 5, 6. TLR danner ofte heterodimerer, f.eks. TLR2/TLR6. TLR3, 7, 8, 9 uttrykkes nesten bare intracellulært, og patogene antigener må derfor endocytteres. TLR benytter felles signaleringsvei, som deles med IL-1-reseptoren

² Bakterielt DNA inneholder ofte sekvenser med kombinasjoner av C- og G-nukleotidene, som i motsetning til hos pattedyr ikke er metylert. Pattedyrceller har TLR9 som har affinitet for bestemte sekvenser av slike CpG-motiver. TLR9 uttrykkes i endosomer, og bakterielt DNA må derfor endocytteres, eller hele bakterien fagocytteres

Ved infeksjoner, eller som i gutten James Phipps’ tilfelle, etter subkutan vaksinering med virus, vil dendrittiske celler meget effektivt modnes ved hjelp av mønstergjenkjennelsesreseptorer. De vil deretter vandre til lymfeknutens paracortex, hvor de presenterer et antigent «øyeblikksbilde» til T-celler (fig 4).

For optimalisering av vaksiner er det nødvendig å simulere den aktivering som antigenpresenterende celler får fra mikroorganismer (22). Kunnskap om mønstergjenkjennelsesreseptorer og om hvordan man kan få den ønskede aktiveringen av dendrittiske celler, står derfor sentralt. Tradisjonelle vaksiner benytter gjerne svekkede eller drepte mikroorganismer og drar nytte av patogenets egne ligander for mønstergjenkjennelsesreseptorer. Eksempelvis aktiverer den levende attenuerte gulfebervirusvaksinen (YF-17D) en rekke toll-liknende reseptorer (TLR2, 7, 8 og 9) (21). En utfordring for moderne vaksineutvikling er å skreddersy vaksiner til å optimalisere igangsettingen av immunresponsen og å fremprovosere den ønskede typen av immunrespons som initieres av dendrittiske celler, jf. omtale av TLR og Th1/Th2-balansen nedenfor.

T-cellereseptor og B-cellereseptor

T-cellereseptor og B-cellereseptor er grunnlaget for immunologisk hukommelse og ervervet immunitet. Én reseptor på én dendrittisk celle er lik den som finnes på nabocellen. Dette er ikke tilfellet for lymfocytter, hvor T-cellereseptor (TCR) eller B-cellereseptor (BCR, membranbundet antistoff) kan være helt unike for den aktuelle cellen. For å forstå hvordan immunsystemet klarer å gjenkjenne et bredt repertoar av antigene determinanter, kreves det en kort gjennomgang av mekanismen for mangfold av T- og B-lymfocyttenes reseptorer.

Prinsipielt er mekanismen for danningen av lymfocyttreseptormangfold lik for B- og T-celler. B-celler gjennomgår en såkalt rearrangering av BCR-gener i utviklingen i beinmargen (23). Ett V-gensegment, ett D-gensegment (for tungkjeder) og ett J-gensegment settes tilfeldig sammen, og mellomliggende gensegmenter klippes bort (e-fig 5). Det samme skjer for T-lymfocytter og T-cellereseptor (TCR), men da i thymus. T-cellereseptor har to kjeder, rearrangeringen av TCR-α-kjedegensegmentene tilsvarer lettkjedegensegmentene, mens TCRβ-locus tilsvarer tungkjedelokus. Denne tilfeldige rearrangeringen resulterer i cirka 10⁹ – 10¹² potensielt unike reseptorer for T- og B-celler, noe som forklarer hvordan det er mulig å danne reseptorer som kan binde nesten alle tenkelige antigener (3). Merk at det ikke ligger noen antigenseleksjon i lymfocyttmodningen. B-celler som kommer fra beinmargen er altså ikke selektert for å kunne binde et antigen, og cellene har ingen viten om eksistensen av antigen (de kalles derfor naive lymfocytter). Bare tilfeldigheter avgjør om deres B-cellereseptor kan binde mikroorganismer i kroppen (3).

Figur 5 Antistoff, rearrangering av B-cellereseptoren. A. Membranbundet antistoff utgjør B-cellereseptoren (BCR). Den… — **Figur 5** Antistoff, rearrangering av B-cellereseptoren. A. Membranbundet antistoff utgjør B-cellereseptoren (BCR). Den består av to kjeder, tung (H) og lett (L), som hver har en konstant del, og en variabel del (3). Altså får man en heterodimer, H₂L₂. Den variable delen av tung- og lettkjeden danner antigenbindingsstedet. Antistoff kan uttrykkes med fem tungkjede subklasser: IgM, IgD, IgG, IgA, IgE. Det kan enten ha en lambda- eller en kappalettkjede. B. Venstre del: Båndtegning av et halvt IgG-molekyl (røntgendiffraksjonsanalyse), som viser antistoffdomener. Disse domenene er skissert til høyre. Tungkjede: VH, CH1, CH2, CH3, og lettkjede VL, CL. Antistoff deles ofte konseptuelt inn i to deler, Fab (Fragment antigen binding) og Fc (Fragment crystalizable). Fc-delen til de forskjellige klassene (IgM til IgE) bestemmer effektorfunkjonen til antistoffet, for eksempel om antistoffet kan aktivere komplement eller binde Fc-reseptorer. C-D. B-celleprogenitorer i beinmargen rearrangerer immunglobulingensegmenter, først tungkjeden, deretter lettkjeden. C. Lettkjeden er konseptuelt lettere å gjennomgå: En B-celle kan enten rearrangere en kappa (κ) eller en lambda (λ) L-kjede: I kappalokus flytter et V-gensegment seg inntil et J-gensegment. Den mellomliggende delen av DNA danner en løkke som deleteres. Det er tilfeldig hvilket V-gensegment som rearrangerer til hvilket J-gensegment. Vi får derfor en rekke mulige resultater av denne rearrangeringen. I tillegg tenderer sammenføyningen av V og J til å være unøyaktig, slik at det kan introduseres ekstra nukleotider på sammenføyningsstedet (og dermed større variabilitet). Den rearrangerte DNA-sekvensen transkriberes til RNA, som bearbeides til mRNA (RNA-spleising, som fjerner introner), og translateres til lettkjedeprotein. D. Prosessen for rearrangering av tungkjedegener er prinsipielt den samme som omtalt ovenfor for kappalokus, men tungkjeden har i tillegg ett D-gensegment. Først flyttes D inntil J før V flyttes inntil allerede rearrangert D,J. Uttrykket av tungkjedegenet blir som for lettkjeden. Antistoffmangfoldet kan foredles ved såkalt somatisk hypermutasjon, en prosess som skjer i kimsentre i perifere lymfoide organer. Merk at dette bare skjer for B-celler, T-celler kan ikke videreforedle sin TCR etter emigrasjon fra thymus. Til sammen gir mekanismene for antistoffmangfold omlag 1012 kombinasjonsmuligheter mht. generering av unike spesifisiteter. Figuren er modifisert fra (3)

Seleksjon, emigrasjon og resirkulering

I beinmargen fjernes B-celler som reagerer på kroppens egne antigener (selvantigener). Det samme skjer for T-celler i thymus. Denne prosessen kalles negativ seleksjon (3). De gjenværende lymfocyttene har reseptorer som ikke reagerer på kroppsegne proteiner.

Godkjente B-celler og T-celler emigrerer deretter ut i blodbanen som naive lymfocytter og vandrer til lymfeknuter og annet sekundært lymfoid vev. I lymfeknuter ekstravaserer både T- og B-lymfocyttene gjennom spesialiserte høyendotelvenyler i paracortex (fig 6A).

Presentasjon til hjelpeceller og cytotoksiske celler

T-celler inndeles i to hovedgrupper, etter uttrykk av enten CD4-koreseptor eller CD8-koreseptor (3). CD4-positive (CD4⁺) T-celler kalles hjelpeceller, mens CD8-positive (CD8⁺⁾ T-celler kalles cytotoksiske T-lymfocytter (CTL). I motsetning til B-celler, som med sine B-cellereseptorer kan binde konformasjonsdeterminanter på hele proteiner, gjenkjenner T-cellereseptor antigent peptid som ligger i gropen på MHC- klasse I- eller II-molekyler.

Nukleære og cytosolære proteiner brytes konstitutivt ned, og peptider fraktes over den endoplasmatiske retikulummembranen for å havne i gropen på MHC-klasse I-molekyler (3). Nedbrutte virusproteinfragmenter som uttrykkes av infiserte celler, havner altså som peptider på MHC-klasse I-molekyler. MHC klasse I/peptidkomplekset kan gjenkjennes av T-cellereseptor på cytotoksiske T-lymfocytter. CD8-koreseptoren benyttes av T-cellen til å stabilisere bindingen til MHC-klasse I-molekyler. MHC-klasse I-molekyler finnes på nesten alle kjerneholdige celler, som dermed kan presentere viruspeptidantigen til CD8-positive T-celler (3).

MHC klasse II uttrykkes bare av såkalte profesjonelle antigenpresenterende celler (dendrittiske celler, makrofager, B-celler). Proteinfragmenter derivert fra ekstracellulærvæsken, eller fra det sekretoriske apparatet, havner som peptider i gropen på MHC-klasse II-molekyler. Dermed vil de aller fleste vaksineantigener presenteres på MHC-klasse II-molekyler, via endocytose og endosomal prosessering av proteinantigener (fig 3). CD4⁺-koreseptoren binder MHC klasse II, og øker dermed aviditeten.

Attenuerte virale vaksiner vil ved transkripsjon og translasjon uttrykke cytosolære eller nukleære proteinantigener som havner i gropen på MHC klasse I. Derimot vil drepte vaksiner endocytteres og presenteres på MHC klasse II. Hvordan får man da aktivering av CD8-positive T-celler ved vaksiner som inneholder ikke-viable virus? Ved kraftig aktivering av antigenpresenterende celler skjer krysspresentasjon (cross priming) av ekstracellulære proteiner på MHC klasse I. Den nøyaktige mekanismen for dette er fortsatt uklar, men TLR3 ser ut til å spille en rolle (24).

Aktivering av T-celler

Dersom en naiv CD4-positiv T-celle tilfeldigvis har en T-cellereseptor (TCR) som kan binde et peptid presentert i gropen på MHC-klasse II-molekyler (for eksempel et peptid fra kukoppeviruset), mottar den både stimulering via T-cellereseptor og kostimulering via overflateproteiner som CD28 (som ligeres av CD80, CD86; fig 4B). Det dannes da en tett synapse mellom cellene og signaleringsapparatet polariseres inn mot synapsen (3). Etter flere timer har den naive T-cellen fått tilstrekkelig stimulering for å lage både vekstfaktoren IL-2 og IL-2-reseptorer. T-cellen gjennomgår så en kraftig celledeling som i løpet av noen uker kan resultere i titusenvis av datterceller, alle med samme spesifisitet, nå kalt effektorceller eller hukommelsesceller.

Det er to viktige forskjeller mellom den naive T-cellen og effektorcellen. For det første har effektorceller et annet sett med kjemokinreseptorer (fig 6B) som lokker cellen ut i betent vev – og ikke bare til lymfeknuter. Effekten av en vaksine er dermed å mangfoldiggjøre spesifikke hukommelsesceller, som umiddelbart kan dra til det infiserte stedet ved en infeksjon (fig 6B). Effektorceller utskiller dessuten inflammatoriske cytokiner som aktiverer en rekke celler, slik som monocytter, makrofager og dendrittiske celler (fig 6B, e-tab 2). Effektorcellen kan drepe virusinfiserte celler (og for eksempel kreftceller) ved å indusere aktivert celledød (apoptose) i målcellene. Alternativt kan effektorceller gi hjelp til B-celler og aktivere dem til å utskille antistoff.

Polarisering av effektorfunksjon

CD4-positive T-hjelperceller kan inndeles i to grupper med vidt forskjellige effektorfunksjoner, Th1- og Th2-celler. CD4-positive Th1-celler, som ofte kalles inflammatoriske hjelperceller, utskiller interferon-γ (IFN-γ, i tillegg til for eksempel IL-2 og TNF) (e-tab 2). Th1-celler er meget potente til å aktivere monocytter, makrofager og dendrittiske celler. Th1-celler er også helt nødvendige for eliminering av intracellulære bakterier som Mycobacterium leprae og Mycobacterium tuberculosis. I tillegg er Th1-celler spesielt effektive i kampen mot virusinfeksjoner. Videre er det vist at Th1-celler effektivt kan eliminere kreftceller (25, 26). Th1-celler kan også indusere apoptose i målceller ved at Fas-ligand (FasL) på Th1-cellens overflate binder Fas (CD95) på målcellen (26). For de fleste formål er det derfor ønskelig å indusere Th1-responser ved vaksinering.

CD4-positive Th2-celler er dårlige hjelpere av dendrittiske celler og makrofager, men er meget gode hjelpere av B-celler, utskiller IL-4 og IL-13 og er nødvendig for bekjempelse av helmintinfeksjoner. Et viktig poeng er at Th1- og Th2-celler gjensidig hemmer hverandre (tab 2). Dessuten kan dendrittiske celler aktiveres av patogener til å favorisere den ene eller andre responstypen. Lipopolysakkarid (LPS) fra patogene og mindre patogene bakterier induserer henholdsvis Th1- og Th2-responser, sannsynligvis grunnet forskjellig TLR4-signalering (27).

Det er vist at selekterte TLR-ligander kan polarisere responsen mot Th1-celler ved stimulering av humane dendrittiske celler (28, 29). Legering av TLR2 kan indusere Th2-responser (30) – (32). En effektiv virusvaksine mot gulfeber (YF-17D) resulterer i både Th1- og Th2-responser (med Th1-overvekt) (21). Dersom YF-17D-vaksinerte mus mangler TLR2, utvikles en kraftig Th1-respons (21). I lys av slike resultater, pågår en aktiv forskning for å utvikle vaksiner som favoriserer Th1-responser. Eksempelvis induserer Hiv-Gag-protein koblet til TLR7/9-agonister en kraftig og vedvarende Th1-respons i tillegg til CD8-positiv T-cellerespons hos aper (33).

Lisensiering av dendrittiske celler

CD4-positive T-celler potenserer antigenpresentasjonsfunksjonen av dendrittiske celler ved hjelp av membranbundet CD40-ligand (CD40L), som binder CD40 på de dendrittiske cellene. Dermed bedres cellens evne til å presentere til naive CD8-positve T-celler, en mekanisme som kalles lisensiering av dendrittiske celler (34). I tillegg utskiller CD4-positive T-celler cytokiner, for eksempel IL-2 og IL-15, som parakrint tilfører vekstfaktorer for CD8-positive T-celler (e-tab 2). CD8-positive cytotoksiske T-lymfocytter (CTL) har som hovedfunksjon å drepe virusinfiserte celler. Det er altså en stor fordel for virale vaksineantigener at det finnes epitoper som aktiverer både CD4-positive (med lisensiering av dendrittiske celler) og CD8-positive celler.

Etter aktivering vil virusspesifikke CD4-positiveT-celler og CD8-positive T-celler endre sine kjemokinreseptorer på overflaten og erverve evnen til å vandre til betent vev (fig 6B). Når gutten James Phipps igjen fikk en inokulering, denne gangen med koppevirus, hadde han T-celler som kunne dra direkte til det aktuelle virusinfiserte vevet. Koppevirusinfiserte celler ble dermed angrepet av koppespesifikke CD8-positive T-celler, som induserte apoptose i målcellene. Som støtte til CD8-positive T-celleresponser vil Th1-celler utskille cytokiner, som så aktiverer makrofager og bidrar til drap av virusinfiserte celler. Når virusinfiserte celler drepes, hindres videre mangfoldiggjøring av viruset.

CD4-positive T-celler hjelper B-celler

T- og B-celler samarbeider ved å gjensidig stimulere hverandre. T-cellen hjelper B-cellen til å differensiere til hukommelsesceller eller plasmaceller. Ved en infeksjon eller ved vaksinasjon vil antigener drenere fra vevet til lymfeknuter med den efferente lymfen. B-celler, som hovedsakelig befinner seg i lymfeknutens kortikale follikler, har derfor mulighet til å binde antigener fra et infeksjonsfokus. Dersom en B-celle har en egnet B-cellereseptor med spesifisitet for antigen, binder denne reseptoren antigenet, komplekset internaliseres og antigenet brytes ned til peptidfragmenter. Peptidene lastes deretter opp i gropen på MHC-klasse II-molekyler og fraktes til overflaten av B-cellen.

En slik BCR-ligering aktiverer B-cellen til å dra dypere inn i lymfeknuten, hvor den vil kunne treffe CD4-positive T-celler i randsonen rundt follikkelen (3). Dersom B-cellen i utkanten av folliklene finner en CD4-positiv T-celle som gjenkjenner det samme antigenet (nå presentert i form av peptid/MHC klasse II kompleks), aktiveres T-cellen. T-cellen stimulerer B-cellen både med cytokiner (for eksempel IL-2, IL-4, IL-5, IL-6, eller IFN-γ (tab 2), og ved CD40L-ligering av B-cellens CD40 (3). Avhengig av kvaliteten og kvantiteten av de mottatte signalene, vil B-cellen enten dele seg utenfor follikkelen og så differensiere til kortlivede IgM-utskillende plasmaceller (primærrespons), eller vende tilbake til follikkelen for å danne et kimsenter og gjennomgå såkalt somatisk hypermutasjon (sekundærrespons) (3).

De kortlivede plasmacellene står for den såkalte primærresponsen, hvor lavaffinitets IgM-antistoffer utskilles. IgM består av fem (eller seks) antistoffmonomerer (H₂L₂)_5/(6) (35) og er en meget effektiv komplementaktivator. På tross av en lav affinitet finnes ti (eller 12) antigenbindingssteder. Man sier derfor at IgM har høy bindingsaviditet.

Kimsenterreaksjonen er grunnlaget for den såkalte sekundærresponsen. I B-cellefollikler finnes en spesialisert celle kalt follikulærdendrittisk celle (FDC). Denne celletypen har et annet opphav enn dendrittiske celler og mangler MHC-klasse II-molekyler, men har rikelig med komplementreseptorer og Fc-reseptorer (3). Antigener som aktiverer komplement eller som binder IgG, dekker derfor follikulærdendrittiske celler. B-celler som aktiveres, gjennomgår en meget kraftig celledeling hvor deres antistoffreseptorgener muteres i en aktiv prosess der AID-proteinet (activation-induced deaminase) er sentralt (36). B-celler med hensiktsmessige mutasjoner binder bedre antigen på overflaten av follikulærdendrittisk celler. De klarer derfor mer effektivt å ta opp antigenet og presentere til CD4-positive T-celler og selekteres dermed for videre overlevelse. T-celle CD40L ligerer CD40 på B-cellens overflate og induserer isotypeskifte, for eksempel fra IgM til IgG. Det er deretter to differensieringsmuligheter: B-cellen kan enten vandre til beinmargen og bli langlivede plasmaceller, eller bli hukommelsesceller klare til å reagere på en reinfeksjon (3).

Plasmaceller utskiller 100 millioner antistoffmolekyler per sekund og overlever flere år i beinmargen. På denne måten får man en langvarig humoral immunitet der høyaffinitets isotypeskiftede antistoffer er ferdig fremstilt til neste smitteeksponering (3). Den vaksinerte James hadde altså sannsynligvis høyaffinitets IgG-antistoffer med spesifisitet for kukoppevirus i plasma og ekstracellulærvæsken. Når han så ble eksponert for koppevirus, kunne slike antistoffer kryssreagere med viruset og hindre videre spredning.

I forhold til moderne vaksinestrategier er det mulig at B-celler er sekundære i forhold til hensynet til optimal DC-aktivering. Det er likevel vist at B-celler reagerer meget godt på MGR-ligander som CpG og LPS, og at B-celler uttrykker en rekke TLR. Antigener som aktiverer komplement er også 1 000 ganger mer effektive til å fremkalle antistoffer i sekundærresponsen enn antigen som ikke er bundet til komplementfaktorer. Denne kraftige effekten forklares ved at B-celler har reseptor for komplementfaktor C3d og interaksjon med antigen-C3d komplekser på follikulærdendrittiske celler (3). Altså er det slik at B-celleresponser optimaliseres i nærvær av patogener eller deres produkter (CpG, o.l.), et fenomen som det er mulig å simulere ved vaksinering.

Antistoffeffektorfunksjoner

Antistoffisotyper varierer i evne til å igangsette biologiske effektorfunksjoner. Dette gjelder komplementaktivering, opsonisering (via Fc-reseptorer) og antistoffavhengig cellulær cytotoksisitet. Som en grov hovedregel kan man si at CD4-positive Th1-celler hjelper B-celler til å gjennomgå isotypeskifte til isotyper som er mer effektive ved disse tre prosessene. CD4-positive Th2-celler induserer IgE, som er nødvendig for immunresponser mot helminter. I tillegg induseres andre isotyper og subklasser av IgG. Også for B-celleresponser er det altså hensiktsmessig at dendrittiske celler igangsetter Th1-responser.

Virussmittede celler vil også kunne uttrykke enkelte virusproteiner på sin overflate som antistoffer kan binde. Antistoffbinding til celleoverflater resulterer både i komplementaktivering og i antistoffavhengig cellulær cytotoksisitet. I dette siste angripes antistoffmerkede celler av Fc-reseptorbærende celler som NK-celler (3).

MHC-peptidbindingslommer

MHC-molekyler har meget stor interindividuell variasjon (3). Dette har konsekvenser for vaksinasjonsstrategier da MHC-molekyler varierer sterkt i evnen til å binde definerte peptider.

I den peptidbindende gropen finnes lommer hvor bestemte aminosyrer eller sidekjeder kan feste seg. Slike lommer varierer i stor grad mellom personers HLA-molekyler. Det er derfor også oftest forskjellige peptider som presenteres fra et antigent protein hos forskjellige personer. På befolkningsnivå er det dermed som regel mer effektivt å vaksinere med preparater som inneholder hele proteiner, for å sikre at hver enkelt vaksinerte person blir immunisert med et protein som inneholder peptider det er mulig å binde og presentere.

Immunitet i slimhinner

Slimhinner og mucosaassosiert lymfoid vev (MALV) er meget viktig i vårt forsvar mot patogener (fig 7) (3, 37, 38). Det er ikke hensiktsmessig å reagere immunologisk mot matantigener, kroppen må altså klare å skille bakterier/virus fra for eksempel hveteproteiner (39). Dette kalles oral toleranse. Vaksiner som leveres gjennom slimhinner må altså fremstå som patogent. Mye tyder på at mønstergjenkjennelsesreseptorer har stor betydning for effektiviteten av slike vaksiner.

Terapeutiske vaksiner og kreft

Kreftceller kan overuttrykke proteiner, uttrykke muterte eller posttranslasjonelt modifiserte proteiner eller uttrykke helt unike tumor spesifikke proteiner, for eksempel hos kreftceller i B-cellerekken, som kan presentere BCR V-region- peptidsekvenser på MHC klasse II. Det er vist at både CD4-positiveT-celler og CD8-positive T-celler kan spesifikt angripe kreftceller, et konsept som kalles immunovervåking (25, 26). På samme måte som for mikroorganismer, er optimal immunaktivering nødvendig for adekvate immunresponser mot kreftcellen. Resultater fra vaksineringsforsøk og immunterapi er noe blandet, men lovende. Det pågår en utstrakt internasjonal forskning for å utvikle og optimalisere effektive terapeutiske vaksiner.

Jeg takker Hilde Omholt, Gro Tunheim og Hege Bunkholt Elstrand for kommentarer til manuskriptet.

Oppgitte interessekonflikter: Ingen

Litteratur

1.
Jenner E. An inquiry into the causes and effects of the variolae vaccinae. London, 1798.
2.
Stewart AJ, Devlin PM. The history of the smallpox vaccine. J Infect 2005; 52: 329 – 34.
3.
Bogen B, Munthe LA. Immunologi. Oslo: Universitetsforlaget, 2002.
4.
Brown JH, Jardetzky TS, Gorga JC et al. Three-dimensional structure of the human class II histocompatibility antigen HLA-DR1. Nature 1993; 364: 33 – 9.
5.
Akira S, Uematsu S, Takeuchi O. Pathogen recognition and innate immunity. Cell 2006; 124: 783 – 801.
6.
Poltorak A, He X, Smirnova I et al. Defective LPS signaling in C3H/HeJ and C57BL/10ScCr mice: mutations in Tlr4 gene. Science 1998; 282: 2085 – 8.
7.
Ozinsky A, Underhill DM, Fontenot JD et al. The repertoire for pattern recognition of pathogens by the innate immune system is defined by cooperation between toll-like receptors. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000; 97: 13766 – 71.
8.
Takeuchi O, Hoshino K, Akira S. Cutting edge: TLR2-deficient and MyD88-deficient mice are highly susceptible to Staphylococcus aureus infection. J Immunol 2000; 165: 5392 – 6.
9.
Takeuchi O, Kawai T, Muhlradt PF et al. Discrimination of bacterial lipoproteins by Toll-like receptor 6. Int Immunol 2001; 13: 933 – 40.
10.
Hemmi H, Takeuchi O, Kawai T et al. A Toll-like receptor recognizes bacterial DNA. Nature 2000; 408: 740 – 5.
11.
Alexopoulou L, Holt AC, Medzhitov R et al. Recognition of double-stranded RNA and activation of NF-kappaB by Toll-like receptor 3. Nature 2001; 413: 732 – 8.
12.
Hayashi F, Smith KD, Ozinsky A et al. The innate immune response to bacterial flagellin is mediated by Toll-like receptor 5. Nature. 2001 410: 1099 – 103.
13.
Gantner BN, Simmons RM, Canavera SJ et al. Collaborative induction of inflammatory responses by dectin-1 and Toll-like receptor 2. J Exp Med 2003; 197: 1107 – 17.
14.
Krutzik SR, Ochoa MT, Sieling PA et al. Activation and regulation of Toll-like receptors 2 and 1 in human leprosy. Nat Med 2003; 9: 525 – 32.
15.
Hochrein H, Schlatter B, O’Keeffe M et al. Herpes simplex virus type-1 induces IFN-alpha production via Toll-like receptor 9-dependent and -independent pathways. Proc Natl Acad Sci USA. 2004; 101: 11416 – 21.
16.
Krug A, French AR, Barchet W et al. TLR9-dependent recognition of MCMV by IPC and DC generates coordinated cytokine responses that activate antiviral NK cell function. Immunity 2004; 21: 107 – 19.
17.
Yoneyama M, Kikuchi M, Matsumoto K et al. Shared and unique functions of the DExD/H-box helicases RIG-I, MDA5, and LGP2 in antiviral innate immunity. J Immunol 2005; 175: 2851 – 8.
18.
Heil F, Hemmi H, Hochrein H et al. Species-specific recognition of single-stranded RNA via toll-like receptor 7 and 8. Science 2004; 303: 1526 – 9.
19.
Kurt-Jones EA, Popova L, Kwinn L et al. Pattern recognition receptors TLR4 and CD14 mediate response to respiratory syncytial virus. Nat Immunol 2000; 1: 398 – 401.
20.
Bieback K, Lien E, Klagge IM et al. Hemagglutinin protein of wild-type measles virus activates toll-like receptor 2 signaling. J Virol 2002; 76: 8729 – 36.
21.
Querec T, Bennouna S, Alkan S et al. Yellow fever vaccine YF-17D activates multiple dendritic cell subsets via TLR2, 7, 8, and 9 to stimulate poly-valent immunity. J Exp Med 2006; 203: 413 – 24.
22.
Pulendran B, Ahmed R. Translating innate immunity into immunological memory: implications for vaccine development. Cell 2006; 124: 849 – 63.
23.
Tonegawa S. Somatic generation of antibody diversity. Nature 1983; 302: 575 – 81.
24.
Schulz O, Diebold SS, Chen M et al. Toll-like receptor 3 promotes cross-priming to virus-infected cells. Nature 2005; 433: 887 – 92.
25.
Corthay A, Skovseth DK, Lundin KU et al. Primary antitumor immune response mediated by CD4+ T cells. Immunity 2005; 22: 371 – 83.
26.
Dunn GP, Old LJ, Schreiber RD. The three Es of cancer immunoediting. Annu Rev Immunol 2004; 22: 329 – 60.
27.
Pulendran B, Kumar P, Cutler CW et al. Lipopolysaccharides from distinct pathogens induce different classes of immune responses in vivo. J Immunol 2001; 167: 5067 – 76.
28.
Napolitani G, Rinaldi A, Bertoni F et al. Selected Toll-like receptor agonist combinations synergistically trigger a T helper type 1-polarizing program in dendritic cells. Nat Immunol 2005; 6: 769 – 76.
29.
Roelofs MF, Joosten LA, Bdollahi-Roodsaz S et al. The expression of toll-like receptors 3 and 7 in rheumatoid arthritis synovium is increased and costimulation of toll-like receptors 3, 4, and 7/8 results in synergistic cytokine production by dendritic cells. Arthritis Rheum 2005; 52: 2313 – 22.
30.
Pulendran B, Kumar P, Cutler CW et al. Lipopolysaccharides from distinct pathogens induce different classes of immune responses in vivo. J Immunol 2001; 167: 5067 – 76.
31.
Dillon S, Agrawal A, Van Dyke T et al. A Toll-like receptor 2 ligand stimulates Th2 responses in vivo, via induction of extracellular signal-regulated kinase mitogen-activated protein kinase and c-Fos in dendritic cells. J Immunol 2004; 172: 4733 – 43.
32.
Netea MG, Sutmuller R, Hermann C et al. Toll-like receptor 2 suppresses immunity against candida albicans through induction of IL-10 and regulatory T cells. J Immunol 2004; 172: 3712 – 8.
33.
Wille-Reece U, Flynn BJ, Lore K et al. HIV Gag protein conjugated to a Toll-like receptor 7/8 agonist improves the magnitude and quality of Th1 and CD8+ T cell responses in nonhuman primates. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102: 15190 – 4.
34.
Ridge JP, Di RF, Matzinger P. A conditioned dendritic cell can be a temporal bridge between a CD4+ T-helper and a T-killer cell. Nature 1998; 393: 474 – 8.
35.
Sorensen V, Rasmussen IB, Sundvold V et al. Structural requirements for incorporation of J chain into human IgM and IgA. Int Immunol 2000; 12: 19 – 27.
36.
Honjo T, Nagaoka H, Shinkura R et al. AID to overcome the limitations of genomic information. Nat Immunol 2005; 6: 655 – 61.
37.
Brandtzaeg P, Johansen FE. Mucosal B cells: phenotypic characteristics, transcriptional regulation, and homing properties. Immunol Rev 2005; 206: 32 – 63.
38.
Schneeman TA, Bruno ME, Schjerven H et al. Regulation of the polymeric Ig receptor by signaling through TLRs 3 and 4: linking innate and adaptive immune responses. J Immunol 2005; 175: 376 – 84.
39.
Sollid LM, Jabri B. Is celiac disease an autoimmune disorder? Curr Opin Immunol 2005; 17: 595 – 600.

Kommentarer ( 0 )

Dette kommentarfeltet modereres, men kommentarer blir ikke redaksjonelt behandlet ut over å sikre at de følger retningslinjer for vårt kommentarfelt.

Denne artikkelen ble publisert for mer enn 12 måneder siden, og vi har derfor stengt for nye kommentarer.

Publisert: 5. oktober 2006

Utgave 19, 5. oktober 2006

Tidsskr Nor Lægeforen 5. oktober 2006

Manuskriptet ble mottatt 26.4. 2006 og godkjent 25.8. 2006. Medisinsk redaktør Petter Gjersvik.

126

:

2532-7

Publisert: 5. oktober 2006

Utgave 19, 5. oktober 2006

Tidsskr Nor Lægeforen 2006

126

:

2532-7

Manuskriptet ble mottatt 26.4. 2006 og godkjent 25.8. 2006. Medisinsk redaktør Petter Gjersvik.

PDF

Skriv ut

Kua, gutten og lymfeknuten – immunologiske prinsipper for vaksinasjon

Medfødt og ervervet immunitet

Tabell 2

Opplasting av antigenpresenterende celler

Mønstergjenkjennelsesreseptorer

Tabell 1

T-cellereseptor og B-cellereseptor

Seleksjon, emigrasjon og resirkulering

Presentasjon til hjelpeceller og cytotoksiske celler

Aktivering av T-celler

Polarisering av effektorfunksjon

Lisensiering av dendrittiske celler

CD4-positive T-celler hjelper B-celler

Antistoffeffektorfunksjoner

MHC-peptidbindingslommer

Immunitet i slimhinner

Terapeutiske vaksiner og kreft

Anbefalte artikler