INTRODUÇÃO À IMUNOBIOLOGIA E À IMUNIDADE INATA PARTE I. Conceitos Básicos em Imunologia. Os componentes do sistema imune

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1 PARTE I INTRODUÇÃO À IMUNOBIOLOGIA E À IMUNIDADE INATA Capítulo 1 Conceitos Básicos em Imunologia Os componentes do sistema imune Princípios da imunidade inata e da imunidade adaptativa Mecanismos de reconhecimento e efetores da imunidade adaptativa Capítulo 2 Imunidade Inata A linha de frente de defesa do hospedeiro Reconhecimento de padrões no sistema imune inato O sistema do complemento e a imunidade inata Respostas inatas induzidas por infecção

2 1 Conceitos Básicos em Imunologia 1 A imunologia é uma ciência relativamente nova. Sua origem tem sido usualmente atribuída a Edward Jenner (Figura 1.1), que descobriu, em 1796, que a vacínia ou varíola induzia proteção contra a varíola humana, uma doença freqüentemente fatal. Jenner deu a esse procedimento o nome de vacinação, termo que ainda hoje é usado para descrever a inoculação de amostras enfraquecidas ou atenuadas de agentes patológicos em indivíduos sadios, a fim de obter proteção contra doenças. Embora o audacioso experimento de Jenner tenha tido sucesso, passaram-se quase dois séculos até que a vacinação contra a varíola se tornasse universal. Esse progresso permitiu à Organização Mundial da Saúde (OMS) anunciar, em 1979, (Figura 1.2), a erradicação da varíola, possivelmente o maior triunfo da medicina moderna. Quando introduziu a vacinação, Jenner nada sabia a respeito dos agentes infecciosos que causam doenças. Foi apenas no final do século XIX que Robert Koch provou que as doenças infecciosas eram causadas por microrganismos patogênicos, cada um responsável por uma determinada enfermidade ou patologia. Atualmente, reconhecemos quatro grandes categorias de microrganismos, ou patógenos, causadores de doença: os vírus, as bactérias, os fungos patogênicos e outros organismos eucarióticos, relativamente grandes e complexos, coletivamente chamados de parasitas. As descobertas de Koch e de outros grandes microbiologistas do século XIX estimularam a expansão da estratégia de vacinação de Jenner para outras doenças. Em 1880, Louis Pasteur projetou uma vacina contra a cólera aviária e desenvolveu uma vacina anti-rábica que obteve um sucesso espetacular em sua primeira aplicação em um rapaz mordido por um cão raivoso. Tantos triunfos práticos levaram à busca dos mecanismos de proteção imune. No início da década de 1890, Emil von Behring e Shibasaburo Kitasato descobriram que o soro de animais imunes à difteria ou ao tétano continha uma atividade antitóxica específica mais tarde denominada de anticorpos que podia conferir imunidade a indivíduos não-imunizados. Uma resposta imune específica, como a produção de anticorpos contra um determinado patógeno, é conhecida como resposta imune adaptativa, porque ocorre durante a vida de um indivíduo como uma adaptação à infecção por esse patógeno. Em muitos casos, a resposta imune adaptativa confere imunidade protetora por toda a vida contra reinfecções pelo mesmo patógeno. Isso diferencia essas respostas da imunidade inata, já conhecida na época em que von Behring e Kitasato estavam desenvolvendo a soroterapia, principalmente pelos trabalhos Figura 1.1 Edward Jenner. Retrato feito por John Raphael Smith. Reprodução: cortesia da Yale University, Harvey Cushing/John Hay Whitney Medical Library.

3 2 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Número de países com um ou mais casos por mês Varíola oficialmente erradicada Ano Figura 1.2 Erradicação da varíola por vacinação. Após um período de três anos, durante os quais nenhum caso de varíola foi comunicado, a Organização Mundial da Saúde pôde anunciar em 1979 que a varíola havia sido erradicada. Infelizmente, os estoques de alguns laboratórios foram preservados, e há receio de que o vírus possa cair nas mãos de terroristas. do grande imunologista russo Elie Metchnikoff. Metchnikoff descobriu que muitos microrganismos poderiam ser engolfados e digeridos por células fagocitárias, que ele denominou de macrófagos. Essas células estão imediatamente disponíveis para o combate a uma ampla variedade de patógenos, sem requerer exposição prévia, e são os componentes essenciais do sistema imune inato. Por outro lado, os anticorpos são produzidos somente após a infecção e são específicos para o patógeno infectante. Os anticorpos presentes em um indivíduo refletem diretamente as infecções as quais a pessoa foi exposta. Na verdade, logo ficou claro que anticorpos específicos podiam ser induzidos contra uma ampla gama de substâncias. Tais substâncias são conhecidas como antígenos, porque estimulam a produção de anticorpos (anti = contra; gen = gerar). No entanto, nem todas as respostas imunes adaptativas envolvem a produção de anticorpos, e o termo antígeno é hoje usado em um sentido mais amplo para descrever qualquer substância capaz de ser reconhecida pelo sistema imune adaptativo. Tanto a imunidade inata quanto as respostas imunes adaptativas dependem da atividade de células brancas do sangue, os leucócitos. A imunidade inata envolve granulócitos e macrófagos. Os granulócitos, também denominados leucócitos polimorfonucleares, são um grupo especial de células brancas do sangue cujos grânulos proeminentes lhes conferem um padrão de coloração característico; entre eles, incluem-se os neutrófilos, que são fagocíticos. Os macrófagos humanos e de outros vertebrados parecem ser uma evolução direta das células fagocitárias observadas em animais mais simples, como aquelas que Metchnikoff observou nas estrelas-do-mar. As respostas adaptativas dependem dos linfócitos, que proporcionam imunidade duradoura após exposição à doença ou à vacinação. Os sistemas imunes inato e adaptativo conferem um sistema de defesa notavelmente efetivo. Isso garante que, embora passemos nossas vidas cercados por microrganismos potencialmente patogênicos, raramente desenvolvemos enfermidades. Muitas infecções são controladas com eficácia pelo sistema imune inato e não causam doença; outras, que não podem ser combatidas pela imunidade inata, estimulam uma resposta adaptativa e, em geral, também são resolvidas de forma adequada, gerando uma memória imunológica duradoura. O principal foco deste livro será os variados mecanismos de imunidade adaptativa, por meio dos quais classes especializadas de linfócitos reconhecem e atacam microrganismos patogênicos ou células por eles infectadas. Veremos, contudo, que as ações do sistema imune inato são pré-requisitos para o desenvolvimento da imunidade adaptativa e que as células envolvidas na imunidade inata também participam das respostas imunes adaptativas. De fato, a maioria das ações efetoras que o sistema imune adaptativo usa para destruir os microrganismos invasores depende do reconhecimento antígeno-anticorpo para a ativação de mecanismos efetores que são também usados na defesa inata do hospedeiro. Neste capítulo, apresentamos, em primeiro lugar, as células do sistema imune e os tecidos nos quais elas se desenvolvem, circulam ou migram. Nas seções posteriores, são descritas as funções especializadas dos diferentes tipos celulares e os mecanismos pelos quais as células eliminam a infecção. Os componentes do sistema imune As células do sistema imune se originam na medula óssea, onde muitas delas maturam. Elas, então, migram para proteger os técidos periféricos, circulando no sangue e em um sistema especializado de vasos, denominado sistema linfático. Durante essa recircularização, elas recebem, através de seus receptores, os chamados sinais tônicos, que contribuem para sua sobrevivência.

4 Imunobiologia As células brancas do sangue derivam de precursores presentes na medula óssea Todos os elementos celulares do sangue, incluindo as células vermelhas que transportam o oxigênio, as plaquetas que deflagram a coagulação sangüínea nos tecidos lesados e as células brancas do sistema imune, derivam das mesmas células as células-tronco hematopoiéticas da medula óssea. Uma vez que essas células-tronco podem dar origem a todos os diferentes tipos de células sangüíneas, também são conhecidas como células-tronco hematopoiéticas pluripotentes. Inicialmente, elas originam células-tronco com potencial mais limitado, as quais são as progenitoras imediatas dos eritrócitos, das plaquetas e das duas principais categorias de células brancas. Os diferentes tipos de células sangüíneas e o relacionamento de suas linhagens estão resumidos na Figura 1.3. Veremos todas as células derivadas do progenitor mielóide e do progenitor linfóide comum, não considerando os megacariócitos e os eritrócitos. O progenitor mielóide é o precursor de granulócitos, macrófagos, células dendríticas e mastócitos do sistema imune inato. Os macrófagos são um dos três tipos de fagócitos do sistema imune e estão amplamente distribuídos nos tecidos, onde desempenham um papel crucial na imunidade inata. Tais células são a forma madura dos monócitos, que circulam no sangue e se diferenciam continuamente em macrófagos, após migrarem para os tecidos. As células dendríticas são especializadas na captura do antígeno e na sua exposição para o reconhecimento pelos linfócitos. Quando imaturas, migram do sangue para residir nos tecidos, onde realizam tanto a fagocitose quanto a macropinocitose, ingerindo grandes quantidades do fluido extracelular que as rodeia. As células dendríticas migram continuamente dos tecidos portando auto-antígenos e induzem tolerância por não possuírem as moléculas co-estimuladoras necessárias. Após o encontro com um patógeno, maturam rapidamente e migram para os linfonodos. Os mastócitos, cujo precursor circulante não está ainda bem definido, também se diferenciam ao chegar aos tecidos. Eles se localizam principalmente junto aos pequenos vasos sangüíneos e liberam substâncias que afetam a permeabilidade vascular quando ativados. Embora sejam mais conhecidos por orquestrar respostas alérgicas, acredita-se que os mastócitos tenham um papel na proteção das superfícies das mucosas contra os patógenos. Os granulócitos recebem essa denominação por possuírem grânulos densamente coráveis em seu citoplasma, sendo algumas vezes referidos como leucócitos polimorfonucleares, devido às formas de seus núcleos. Há três tipos de granulócitos, todos com duração relativamente curta e produzidos em grande número durante as respostas imunes, quando abandonam a circulação para os locais de infecção ou inflamação. Os neutrófilos, que representam a terceira célula fagocitária do sistema imune, são os elementos celulares mais numerosos e importantes da resposta inata. Deficiências hereditárias na função dos neutrófilos levam a sérias infecções bacterianas, fatais se não tratadas adequadamente. Os eosinófilos são importantes principalmente na defesa contra infecções por parasitas. A função dos basófilos provavelmente seja similar e complementar à dos mastócitos. Discutiremos as funções dessas células no Capítulo 9 e seu papel na inflamação alérgica no Capítulo 12. As células da linhagem mielóide estão descritas na Figura 1.4. O progenitor linfóide comum dá origem aos linfócitos, nos quais se detém a maior parte deste texto, e às células matadoras naturais ou células NK (natural killers) da imunidade inata. Além disso, é capaz também de originar células dendríticas, indistinguíveis daquelas derivadas do progenitor mielóide comum. Entretanto, como há mais progenitores mielóides comuns do que progenitores linfóides, a maioria das células dendríticas do organismo se desenvolve a partir de progenitores mielóides.

5 4 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Medula óssea Célula-tronco hematopoiética pluripotente Medula óssea Progenitor linfóide comum Progenitor mielóide comum Progenitor de granulócitos/ macrófagos Progenitor de eritrócitos/ megacariócitos Megacariócito Eritroblasto Sangue Granulócitos ou leucócitos polimorfonucleares Célula B Célula T Célula NK Célula dendrítica imatura Neutrófilo Eosinófilo Basófilo Precursor desconhecido Monócito Plaquetas Eritrócito Linfonodos Tecidos Célula B Célula T Célula NK Célula dendrítica madura Célula dendrítica imatura Mastócito Macrófago Plasmócito Células efetoras Célula T ativada Célula NK ativada Figura 1.3 Todos os elementos celulares do sangue, incluindo as células do sistema imune, são derivadas das células-tronco hematopoiéticas pluripotentes da medula óssea. Essas células pluripotentes dividem-se para produzir dois tipos de células-tronco: um progenitor linfóide comum, que dá origem às células NK e aos linfócitos T e B, e um progenitor mielóide comum, que dá origem aos diferentes tipos de leucócitos, eritrócitos (células vermelhas) e megacariócitos, que produzem as plaquetas, importantes na coagulação sangüínea. Os linfócitos T e B podem ser distinguidos pelos seus locais de diferenciação, o timo e a medula óssea, respectivamente, e por seus receptores de antígenos. Os linfócitos T e B maduros circulam entre o sangue e os tecidos linfóides periféricos. Após o encontro com o antígeno, as células B se diferenciam em células plasmáticas secretoras de anticorpos, e as células T se diferenciam em células efetoras com diferentes funções. Ao contrário das células T e B, as células NK não possuem especificidade a antígenos. Os leucócitos são os monócitos, as células dendríticas mielóides e os neutrófilos, eosinófilos e basófilos. Os três últimos podem também ser chamados de granulócitos, devido aos seus grânulos citoplasmáticos, cuja coloração característica confere uma aparência distinta em esfregaços sangüíneos, ou leucócitos polimorfonucleados, devido à forma irregular de seus núcleos. Eles circulam no sangue e entram nos tecidos somente nos locais de infecção e inflamação, para onde os neutrófilos são recrutados para fagocitar bactérias. Os eosinófilos e os basófilos são recrutados para os locais de inflamação alérgica e parecem estar envolvidos na defesa contra alguns parasitas. As células dendríticas imaturas passam pelo sangue para entrar nos tecidos periféricos. Quando encontram um patógeno potencial, elas maturam e migram para os tecidos linfóides, onde ativam linfócitos T antígeno-específicos. O progenitor linfóide comum também dá origem a algumas células dendríticas, mas, como essas são uma pequena subpopulação, para manter a clareza, esta via de desenvolvimento não será ilustrada. Os monócitos também entram nos tecidos, onde se diferenciam em macrófagos fagocíticos. Os mastócitos também completam sua maturação nos tecidos e são importantes, principalmente, nas respostas alérgicas.

6 Imunobiologia 5 Célula Macrófago Célula dendrítica Neutrófilo Função quando ativadas Fagocitose e ativação de mecanismos bactericidas Apresentação de antígenos Captura do antígeno em sítios periféricos Apresentação de antígenos nos linfonodos Fagocitose e ativação de mecanismos bactericidas Figura 1.4 Célula mielóides da imunidade inata e adaptativa. As células da linhagem mielóide desempenham diversas funções importantes na resposta imune. As células são mostradas esquematicamente à esquerda com a forma na qual estarão representadas ao longo deste livro. No quadro central, estão as fotomicrografias de cada tipo celular. Macrófagos e neutrófilos são primariamente células fagocíticas que engolfam patógenos para sua destruição dentro das vesículas intracelulares, uma função que essas células desempenham tanto na resposta imune inata quanto na adaptativa. As células dendríticas são fagocíticas quando imaturas e podem aprisionar patógenos; após a maturação, elas atuam como células apresentadoras de antígenos para as células T, iniciando a resposta imune adaptativa. Os macrófagos também podem apresentar antígenos às células T, ativando-as. As outras células mielóides são primariamente células secretoras, que liberam o conteúdo dos grânulos citoplasmáticos quando ativadas por anticorpos durante a resposta imune adaptativa. Acredita-se que os eosinófilos estejam envolvidos no ataque a grandes parasitas recobertos por anticorpos, tais como os vermes, ao passo que a função dos basófilos ainda não está bem esclarecida. Os mastócitos são células dos tecidos que desencadeiam a resposta inflamatória local contra um antígeno pela liberação de substâncias que atuam nos vasos sangüíneos locais. Eosinófilo Morte de parasitas recobertos por anticorpos Basófilo Desconhecida Mastócito Liberação de grânulos contendo histamina e agentes ativos

7 6 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Figura 1.5 Linfócitos são principalmente células pequenas e inativas. O quadro à esquerda mostra uma fotomicrografia óptica de um pequeno linfócito cercado por hemácias. Observe a cromatina condensada do núcleo, indicando pouca atividade transcricional, a ausência relativa de citoplasma e o tamanho pequeno. O quadro à direita mostra uma fotomicrografia de microscopia eletrônica de transmissão de um pequeno linfócito. Note a cromatina condensada, o citoplasma escasso, a ausência de retículo endoplasmático rugoso e outras evidências de atividade funcional. Célula NK Libera grânulos líticos que matam algumas células infectadas por vírus Figura 1.6 Células NK. Estas células são grandes, granulares e semelhantes aos linfócitos, com importantes funções na imunidade inata. Embora não possuam receptores antígeno-específicos, podem detectar e atacar células infectadas pelo vírus do herpes. Há dois tipos principais de linfócitos: linfócitos B ou células B, que, quando ativados, diferenciam-se em células plasmáticas secretoras de anticorpos, e linfócitos T ou células T, dos quais há duas classes principais. Uma classe se diferencia, quando ativada, em células T citotóxicas, que matam as células infectadas por vírus; a segunda classe de células T diferencia-se em células que ativam outras células, como os linfócitos B e os macrófagos. Os linfócitos são, em sua maioria, células pequenas, sem forma característica, com poucas organelas citoplasmáticas e com muito de sua cromatina nuclear em estado condensado (Figura 1.5). Esse aspecto é típico de células inativas, não surpreendendo que livros-texto editados no início dos anos 1960 descrevessem essas células, que atualmente representam o foco central da imunologia, como destituídas de função conhecida. Na realidade, esses pequenos linfócitos não exibem atividade funcional até encontrarem um antígeno, bem como as moléculas induzidas pela imunidade inata conhecidas como moléculas co-estimuladoras, as quais fornecem os sinais necessários para a ativação de sua proliferação e diferenciação de características funcionais especializadas. Os linfócitos são surpreendentes por serem capazes de exercer uma resposta específica contra virtualmente qualquer antígeno estranho. Isso é possível porque cada linfócito individual matura portando uma variante única de um protótipo de receptor de antígeno, de modo que a população de linfócitos T e B apresenta um grande repertório de receptores que são altamente diversos em seus locais de ligação do antígeno. O receptor de antígeno da célula B (BCR) ou receptor de célula B é uma forma especial do anticorpo, ligado à membrana, que será secretado quando a célula for ativada e diferenciada em célula plasmática. Os anticorpos são moléculas agrupadas em uma classe de substâncias conhecidas como imunoglobulinas, em geral abreviadas como Ig, e o receptor de antígeno do linfócito B é conhecido como imunoglobulina de membrana (mig). O receptor de antígeno da célula T (TCR), ou simplesmente receptor de célula T, embora relacionado com as imunoglobulinas, é diferente das mesmas, já que está especialmente adaptado para detectar antígenos derivados de proteínas estranhas ou patógenos encontrados nas células do hospedeiro. Descreveremos a estrutura desses receptores em detalhes nos Capítulos 3 e 4 e a forma como a diversidade dos sítios de ligação é criada à medida que o linfócito se desenvolve no Capítulo 7. Uma terceira linhagem de células linfóides, as células NK, não possui receptores antígeno-específicos, sendo parte do sistema imune inato. Essas células circulam no sangue como grandes linfócitos com grânulos distintos (Figura 1.6). Elas são capazes de reconhecer e matar algumas células anormais, por exemplo, algumas células tumorais e células infectadas pelo vírus do herpes.

8 Imunobiologia 7 Adenóides Amígdalas Veia subclávia direita Linfonodo Rim Apêndice Linfáticos Veia subclávia esquerda Timo Coração Ducto torácico Baço Placas de Peyer no intestino delgado Intestino grosso Medula óssea Figura 1.7 Distribuição dos tecidos linfóides no organismo. Os linfócitos são derivados das célulastronco da medula óssea e se diferenciam nos órgãos linfóides centrais (amarelo), com células B na medula óssea e células T no timo. Essas células migram desses tecidos e são levadas pela circulação sangüínea até os órgãos linfóides periféricos, ou secundários (azul), os linfonodos, o baço e os tecidos linfóides associados às mucosas, como amígdalas, placas de Peyer e apêndice. Os órgãos linfóides periféricos são os locais de ativação dos linfócitos pelo antígeno, e os linfócitos circulam entre o sangue e esses órgãos até encontrar seu antígeno específico. As células T recebem sinais de sobrevivência das células dendríticas na periferia, e se acredita que a fonte de sinais de sobrevivência para as células B esteja localizada nos folículos linfóides. Os linfáticos drenam o fluido extracelular dos tecidos periféricos, como linfa, através dos linfonodos para o ducto torácico, desembocando na veia subclávia esquerda. Essa linfa leva o antígeno capturado pelas células dendríticas e macrófagos para os linfonodos e recirculam os linfócitos dos linfonodos para o sangue. Os tecidos linfóides estão também associados a outras mucosas, como as que revestem os brônquios (não-apresentado). 1-2 Os linfócitos maturam na medula óssea ou no timo Os órgãos linfóides são tecidos organizados que contêm um grande número de linfócitos em uma rede de células não-linfóides. Nesses órgãos, os linfócitos interagem com células não-linfóides importantes para seu processo de maturação, para iniciar a resposta imune adaptativa ou para sua sobrevivência e manutenção. Os órgãos linfóides podem ser divididos, de modo geral, em órgãos linfóides centrais ou primários, nos quais os linfócitos são produzidos, e órgãos linfóides periféricos ou secundários, onde se iniciam as respostas adaptativas e são mantidos os linfócitos. Os órgãos linfóides centrais são a medula óssea e o timo, um órgão localizado na porção superior do tórax; a localização anatômica do timo e dos outros órgãos linfóides é apresentada esquematicamente na Figura 1.7. Tanto os linfócitos B quanto os T se originam na medula óssea, mas apenas os linfócitos B maturam nessa localização. Os precursores de linfócitos T migram para o timo, onde sofrem o processo de maturação. Portanto, os linfócitos B (bone morrow) são assim denominados por terem sua origem na medula óssea, enquanto os linfócitos T se originam do timo. Uma vez completada sua maturação celular, os dois tipos de linfócitos entram na corrente sangüínea, migrando para os órgãos linfóides periféricos.

9 8 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik 1-3 Os órgãos linfóides periféricos são especializados na captura de células dendríticas portadoras do antígeno para permitir o início da resposta imune adaptativa e fornecer os sinais que mantêm a recirculação dos linfócitos Os microrganismos patogênicos podem penetrar no hospedeiro por diversas vias, instalando o processo infeccioso em qualquer local, mas o encontro do antígeno com os linfócitos acontecerá nos órgãos linfóides periféricos: os linfonodos, o baço e os vários tecidos linfóides associados com superfícies mucosas (ver Figura 1.7). Os linfócitos estão em contínua recirculação entre esses tecidos, para os quais o antígeno é também levado dos locais de infecção, principalmente por macrófagos e células dendríticas. Nos órgãos linfóides, as células especializadas, como, por exemplo, as células dendríticas maduras, apresentam o antígeno aos linfócitos. Os linfonodos são estruturas linfóides altamente organizadas, localizadas nos pontos de convergência de vasos do sistema linfático, um extenso sistema que coleta o fluido extracelular dos tecidos, retornando-o para o sangue. Esse fluido extracelular é produzido continuamente por filtração do sangue, sendo denominado linfa, e os vasos nos quais circula são os vasos linfáticos, ou simplesmente linfáticos (ver Figura 1.7). Os vasos linfáticos aferentes drenam o líquido dos tecidos e também carregam as células portadoras de antígenos dos tecidos infectados para os linfonodos, onde são capturadas. Nos linfonodos, os linfócitos B se localizam nos folículos, e as células T estão mais difusamente distribuídas em torno das áreas paracorticais, também conhecidas como zonas de células T. Alguns dos folículos de células B incluem os centros germinativos, onde ocorre intensa proliferação dos linfócitos B após o encontro com o antígeno específico e as células T cooperadoras (Figura 1.8). Os linfócitos B e T são segregados de modo similar em outros tecidos linfóides periféricos, e veremos que essa organização promove as interações cruciais entre as células T e as células apresentadoras de antígeno e entre os linfócitos ativados e as células B por ocasião do encontro com o antígeno. Um linfonodo Folículo linfóide Secundário (com Centro germinativo) Vaso linfático aferente Área paracortical (principalmente células T) Centro germinativo Folículo linfóide primário (principalmente células B) Cordões medulares (macrófagos e plasmócitos) Seio medular Artéria Veia Vaso linfático eferente Centro germinativo senescente Seio marginativo Figura 1.8 Organização de um linfonodo. Como demonstrado no diagrama da esquerda, o linfonodo consiste em um córtex externo e uma medula interna. O córtex é composto por uma camada externa de células B, organizadas em folículos linfóides, e áreas profundas, ou paracorticais, compostas principalmente por células T e células dendríticas. Alguns dos folículos de células B, conhecidos como folículos linfóides secundários, contêm áreas centrais de intensa proliferação de células B, denominadas de centros germinativos. Essas reações são marcantes, mas eventualmente cessam com a senescência dos centros germinativos. A linfa, drenando os espaços extracelulares do organismo, leva os antígenos das células dendríticas fagocíticas e macrófagos fagocíticos dos tecidos para os linfonodos através dos vasos linfáticos aferentes. A linfa sai pelos linfáticos eferentes na medula. A medula consiste em faixas de macrófagos e células plasmáticas secretoras de anticorpos, conhecidas como cordões medulares. Linfócitos virgens entram no linfonodo vindos da corrente sangüínea através de vênulas pós-capilares (não demonstradas) e saem com a linfa pelos linfáticos eferentes. A fotomicrografia óptica mostra uma secção de um linfonodo, com folículos proeminentes contendo centros germinativos. Aumento de 7. Fotografia: cortesia de N. Rooney.

10 Imunobiologia 9 O baço é um órgão do tamanho de um punho, situado atrás do estômago (ver Figura 1.7), que coleta antígenos do sangue, além de coletar e descartar células vermelhas senescentes. A Figura 1.9 mostra esquematicamente a organização do baço. A massa principal desse órgão é composta pela polpa vermelha, local de destruição dos eritrócitos. Os linfócitos circundam as arteríolas que penetram no ba- O baço Cápsula Polpa vermelha Polpa branca Veia trabecular Seio venoso PV Secção transversal da polpa branca Artéria trabecular Secção longitudinal da polpa branca ZPF ZM Co Zona marginal PALS CG ZPF Coroa de células B Centro germinativo PALS (maioria células T) Arteríola central Seio marginal Polpa vermelha Figura 1.9 Organização dos tecidos linfóides no baço. O desenho acima mostra que o baço é formado pela polpa vermelha (áreas em rosa no quadro superior), onde ocorre a destruição das hemácias, entremeado com a polpa branca de tecido linfóide. O quadro central exibe uma ampliação de uma pequena secção do baço de camundongo, mostrando o arranjo de discretas zonas de polpa branca (amarelo e azul) ao redor de arteríolas centrais. Os linfócitos e as células dendríticas contendo antígenos situam-se ao redor da camada linfóide periarteriolar. A maioria da polpa branca pode ser vista na secção transversal, com duas porções ilustradas em secção longitudinal. Os dois diagramas inferiores esquemáticos mostram ampliação de um corte transversal (quadro inferior à esquerda) e longitudinal (quadro inferior à direita) da polpa branca. Em cada área da polpa branca, o sangue, contendo linfócitos e antígenos, flui de uma artéria trabecular para uma arteríola central. As células e os antígenos passam para o seio marginal saindo pela veia trabecular. O seio marginal é circundado por uma zona marginal de linfócitos. Dentro do seio marginal e circundando a arteríola central, encontra-se a camada linfóide periarteriolar (PALS = periarteriolar lymphoid sheath) constituída por células T. Os folículos consistem, principalmente, em células B. Nos folículos secundários, o centro germinativo é circundado por uma coroa de células B. Embora a organização do baço seja similar a dos linfonodos, o antígeno entra no baço através do sangue, e não pela linfa. A fotomicrografia ótica de uma imunoistoquímica (quadro inferior à esquerda) mostra uma secção transversal da polpa branca de um baço humano marcado para células B maduras. A principal diferença estrutural entre o baço humano e o de camundongos é que não há seio marginal entre a coroa de células B foliculares (Co) e a zona marginal (ZM); a zona marginal circunda somente o folículo linfóide e não a camada de linfócitos periarteriolares (PALS), e os dois folículos e a PALS estão circundados por uma zona perifolicular (ZPF). A arteríola folicular emerge da PALS (seta inferior), atravessa o folículo, passa pela zona marginal e desemboca na zona perifolicular (setas superiores). CG, centro germinativo; PV, polpa vermelha; setas, arteríola central.

11 10 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Luz intestinal Epitélio (células M) Área das células T Cúpula Centro germinativo Área das células T Folículo (área de células B) Parede do intestino Figura 1.10 Organização típica de um tecido linfóide associado ao intestino. Como demonstrado no diagrama à esquerda, a maioria do tecido linfóide é composto por células B, organizadas em um grande folículo extremamente ativo. As células T ocupam as áreas entre os folículos. Os antígenos entram através de um epitélio especializado constituído das chamadas células M. Embora esse tecido pareça bastante diferente dos outros órgãos linfóides, as divisões básicas estão mantidas. A fotomicrografia ótica (centro) mostra um corte da parede intestinal. A cúpula do tecido linfóide associado ao intestino pode ser vista logo abaixo dos tecidos epiteliais. Manchas circulares de células epiteliais especializadas, denominadas tecido epitelial associado ao folículo, podem ser observadas em maior aumento na fotomicrografia abaixo à direita, contendo as células M onde passam os antígenos para os tecidos linfóides associados ao intestino. As células M podem apresentar uma morfologia com microvilos (marcado em M) ou apresentar uma membrana mais rugosa (seta). Fotografias: cortesia de N. Rooney. Aumento de 16x. ço, formando as áreas da polpa branca, cuja região mais interna é dividida em u- ma camada linfóide periarteriolar (PALS = periarteriolar lymphoid sheath), contendo principalmente células T, revestidas por uma coroa de células B. Os tecidos linfóides associados ao intestino (GALT = gut-associated lymphoid tissues), que incluem as amígdalas, as adenóides e o apêndice cecal, além de estruturas especializadas do intestino delgado chamadas placas de Peyer, coletam antígenos das superfícies epiteliais do trato gastrintestinal. Nas placas de Peyer as estruturas mais importantes e mais organizadas do GALT, o antígeno é capturado por células epiteliais especializadas, chamadas células M ou células multifenestradas (Figura 1.10). Os linfócitos formam um folículo consistindo em uma grande cúpula central de linfócitos B, cercada por uma menor quantidade de linfócitos T. Agregados linfocitários semelhantes, mas organizados mais difusamente, protegem o epitélio respiratório, onde são conhecidos como tecido linfóide associado aos brônquios (BALT = bronchial-associated lymphoid tissue), e outras mucosas, onde são conhecidos como tecido linfóide associado à mucosa (MALT = mucosal-associated lymphoid tissue). Coletivamente, estima-se que o sistema imune de mucosa contém tantos linfócitos quanto o restante do organismo e que eles formam um grupo de células especializadas que segue regras distintas daquelas dos órgãos linfóides periféricos. Os linfonodos, o baço e os tecidos linfóides associados à mucosa, embora notavelmente diferentes em sua aparência, compartilham a mesma arquitetura básica. Cada um desses tecidos atua segundo o mesmo princípio, capturando o antígeno ingerido pelas células dendríticas ou pelos macrófagos dos locais de infecção e apresentando-o aos pequenos linfócitos migratórios para, assim, induzir as respostas imunes adaptativas. Os tecidos linfóides periféricos também fornecem sinais de sustentação para os linfócitos que não encontram seus antígenos específicos, a fim de que sobrevivam e recirculem até que os encontrem ou sofram apoptose. Esse processo é importante na manutenção do número correto de linfócitos B e T circulantes e assegura que permaneçam somente aqueles linfócitos com potencial para responder a antígenos estranhos. 1-4 Os linfócitos circulam entre o sangue e a linfa Os pequenos linfócitos B e T que maturaram na medula óssea e no timo, mas que ainda não encontraram o antígeno específico, são referidos como linfócitos virgens. Essas células circulam continuamente do sangue para os tecidos linfóides

12 Imunobiologia 11 periféricos, nos quais penetram passando por entre células endoteliais especializadas que parecem ser maiores do que aquelas encontradas em outras regiões do organismo e são denominadas vênulas endoteliais altas (HEV= high endothelial venules). Elas, então, retornam para o sangue através dos vasos linfáticos (Fig. 1.11) ou, no caso do baço, retornam diretamente para a circulação sangüínea. Na presença de uma infecção, os linfócitos que reconhecem o agente infeccioso são retidos no tecido linfóide, onde proliferam e se diferenciam em células efetoras, capazes de combater a infecção. Quando ocorre uma infecção na periferia, por exemplo, grandes quantidades de antígeno são captadas por células fagocitárias, que se deslocam do sítio da infecção pelos vasos linfáticos aferentes para os linfonodos drenantes (Fig. 1.11). Nos linfonodos, essas células apresentam o antígeno aos linfócitos T que estão recirculando e também auxiliam na ativação das células T específicas para o antígeno. As células B, quando migram pelos linfonodos e encontram o antígeno, são também aprisionadas e ativadas com o auxílio de algumas células T ativadas. Tendo passado por um período de proliferação e diferenciação, esses linfócitos específicos para o antígeno deixam os linfonodos como células efetoras através dos vasos linfáticos eferentes (ver Fig. 1.8). Os tecidos linfóides periféricos, por estarem envolvidos no início da resposta imune adaptativa, não são estruturas estáticas, mas variam dramaticamente dependendo da presença ou não de uma infecção. Os tecidos linfóides difusos de mucosa podem aparecer em resposta à uma infecção e desaparecer, enquanto a arquitetura dos tecidos organizados sofre mudanças mais evidentes durante uma infecção. Os folículos de células B dos linfonodos, por exemplo, aumentam à medida que os linfócitos B proliferam para formar os centros germinativos (ver Figura 1.8), e o linfonodo inteiro aumenta de volume, fenômeno conhecido como gânglios inchados. Resumo As respostas imunes são mediadas por leucócitos, que derivam de precursores na medula óssea. As células-tronco hematopoiéticas dão origem aos linfócitos, responsáveis pela imunidade adaptativa, e também à linhagem mielóide, que participa tanto da resposta imune inata quanto da adaptativa. Neutrófilos, eosinófilos e basófilos são conhecidos como granulócitos, os quais circulam no sangue a menos que sejam recrutados para atuarem como células efetoras nos locais de infecção e inflamação. Os macrófagos e os mastócitos completam sua diferenciação nos tecidos onde atuam como células efetoras, na linha de frente da defesa do hospedeiro, e iniciam a inflamação. Os macrófagos fagocitam as bactérias e recrutam outras células fagocíticas, do sangue, os neutrófilos. Os mastócitos são exocíticos, e acredita-se que estas células coordenem a defesa contra parasitas, bem como a ativação da inflamação alérgica. Elas recrutam os eosinófilos e os basófilos, os quais são também exocíticos. As células dendríticas entram nos tecidos como fagócitos imaturos e se especializam na ingestão de antígenos. Essas células apresentadoras de antígenos subseqüentemente migram para os tecidos linfóides e coletivamente são peças-chave na imunidade inata. Existem dois principais tipos de linfócitos: os linfócitos B, que maturam na medula óssea, e os linfócitos T, que maturam no timo. A medula óssea e o timo são, pois, conhecidos como órgãos linfóides centrais ou primários. Os linfócitos maduros portadores de receptores de antígenos específicos recirculam continuamente da corrente sangüínea através dos órgãos linfóides periféricos ou órgãos linfóides secundários, retornando à circulação pelos vasos linfáticos. A maioria das respostas imunes adaptativas é ativada quando uma célula T circulante reconhece seu antígeno específico na superfície de uma célula dendrítica ativada. Os três principais tipos de tecido linfóide periférico são o baço, que coleta antígenos do sangue, os linfonodos, que coletam o antígeno dos sítios de infecção nos teci- Os linfócitos e a linfa retornam para a circulação através do ducto torácico Coração Os antígenos dos sítios de infecção chegam aos linfonodos via linfáticos Os linfócitos virgens entram nos linfonodos através do sangue Linfonodo Tecido periférico infectado Figura 1.11 Os linfócitos circulantes encontram o antígeno nos órgãos linfóides periféricos. Os linfócitos virgens recirculam constantemente através dos tecidos linfóides periféricos, aqui ilustrados como um linfonodo atrás do joelho ou linfonodo poplíteo. Neste, os linfócitos podem encontrar o antígeno especifico, drenado do sítio infectado no pé. Esses chamados órgãos linfóides de drenagem são os locais nos quais os linfócitos podem se tornar ativados quando encontram seu ligante específico.

13 12 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik dos, e os tecidos linfóides associados à mucosa (MALT), que coletam antígenos das superfícies epiteliais do organismo. As respostas imunes adaptativas são iniciadas nesses tecidos linfóides periféricos: as células T que encontram o antígeno proliferam e se diferenciam em células efetoras específicas para o antígeno; as células B, com o auxílio das células T, proliferam e se diferenciam em células secretoras de anticorpos. Princípios da imunidade inata e da imunidade adaptativa Os macrófagos e os neutrófilos do sistema imune inato fornecem a primeira linha de defesa contra muitos microrganismos e são essenciais no controle de infecções comuns. Entretanto, nem sempre eles são capazes de eliminar o microrganismo infeccioso. Os linfócitos do sistema imune adaptativo evoluíram para proporcionar meios mais versáteis de defesa e um maior nível de proteção contra reinfecções pelo mesmo agente. As células do sistema imune inato desempenham um papel crucial na ativação e no posterior direcionamento das respostas imunes adaptativas e participam da remoção de patógenos-alvo da resposta imune adaptativa. Acima de tudo, uma vez que há uma demora de quatro a sete dias para que a resposta imune adaptativa exerça seus efeitos, a resposta imune inata apresenta papel crucial no controle das infecções durante esse período. 1-5 A maioria dos agentes infecciosos induz respostas inflamatórias pela atuação da imunidade inata Microrganismos, tais como as bactérias, que penetram nas superfícies epiteliais pela primeira vez são imediatamente reconhecidos por células e moléculas responsáveis pela reposta imune inata. Os macrófagos fagocíticos conduzem a defesa contra as bactérias por meio de seus receptores de superfície, que são capazes de reconhecer e se ligar a constituintes comuns de muitas superfícies bacterianas. O mesmo é verdade para infecções virais, fúngicas e parasitárias. A parede celular das bactérias, por exemplo, liga-se a tais receptores e estimula os macrófagos a englobar a bactéria e a induzir a secreção de moléculas biologicamente ativas. Os macrófagos ativados secretam citocinas, as quais são definidas como proteínas liberadas por células que afetam o comportamento de outras células portadoras de receptores para essas moléculas. Eles também liberam proteínas conhecidas como quimiocinas, que atraem células com receptores de quimiocina específicos, tais como neutrófilos e monócitos da circulação sangüínea (Figura 1.12). As citocinas e quimiocinas liberadas pelos macrófagos em resposta a antígenos bacterianos, virais, fúngicos ou parasitários iniciam o processo conhecido como inflamação. A inflamação local e a fagocitose de bactérias invasoras podem também ser ativadas como resultado da ativação do complemento na superfície da célula bacteriana. O complemento é um sistema de proteínas plasmáticas que ativa uma cascata de reações proteolíticas na superfície microbiana, mas não nas células do hospedeiro, recobrindo essas superfícies com fragmentos que são reconhecidos e ligados pelos receptores fagocíticos dos macrófagos. Essa cascata de reações também libera pequenos peptídeos que contribuem para a inflamação. A inflamação é tradicionalmente definida pelas quatro palavras latinas dolor, rubor, calor e tumor, significando dor, vermelhidão, calor e edema, refletindo os efeitos das citocinas e de outros mediadores inflamatórios nos vasos sangüíneos locais. A dilatação e o aumento da permeabilidade dos vasos sangüíneos durante a inflamação levam ao aumento do fluxo de sangue local e ao vazamento de fluidos, sendo responsáveis pelo calor, vermelhidão e edema. As citocinas e os frag-

14 Imunobiologia 13 As bactérias ativam os macrófagos a liberar citocinas e quimiocinas Quimiocinas Citocinas A vasodilatação e o aumento da permeabilidade vascular causam vermelhidão, aquecimento e inchaço Proteínas Fluidos As células inflamatórias migram para os tecidos, liberando os mediadores inflamatórios que causam dor Neutrófilos mentos do complemento também têm importantes efeitos sobre as propriedades adesivas do endotélio, possibilitando a adesão dos leucócitos circulantes às células endoteliais da parede dos vasos sangüíneos e a sua migração entre elas para o local da infecção, ao qual são atraídas por quimiocinas. A migração celular para os tecidos e suas ações locais determinam a dor. Os principais tipos celulares encontrados nas fases iniciais da resposta inflamatória são os neutrófilos, que são recrutados em grande número para o tecido infectado e inflamado. Como os macrófagos, eles possuem receptores de superfície para os constituintes bacterianos comuns e para o complemento e são as principais células que engolfam e destroem os microrganismos invasores. O influxo de neutrófilos é logo seguido pelos monócitos, que se diferenciam rapidamente em macrófagos. Os macrófagos e os neutrófilos são, então, também conhecidos como células inflamatórias. Posteriormente, a resposta inflamatória durante uma infecção também envolve os linfócitos, os quais, nesse meio tempo, foram ativados por antígenos microbianos gerados pelas células dendríticas que os retiraram dos locais de infecção, levando-os aos linfonodos locais através dos linfáticos aferentes. A resposta imune inata exerce um papel crucial na ativação da resposta adaptativa. A resposta inflamatória aumenta o fluxo de linfa contendo antígeno e células portadoras de antígeno para os tecidos linfóides, enquanto os fragmentos do complemento na superfície microbiana e as mudanças induzidas nas células que capturaram microrganismos fornecem sinais que sinergizam na ativação dos linfócitos, cujos receptores se ligam aos antígenos microbianos específicos. Os macrófagos que fagocitaram bactérias tornam-se subseqüentemente ativados e podem também ativar os linfócitos. No entanto, as células que se especializam na apresentação de antígenos aos linfócitos T e que iniciam as respostas imunes adaptativas são as células dendríticas. Figura 1.12 A infecção ativa uma resposta inflamatória. Os macrófagos que encontram bactérias ou outros patógenos nos tecidos ativam a liberação de citocinas, aumentando a permeabilidade vascular e permitindo que fluidos e proteínas passem para os tecidos. Essas células também produzem quimiocinas que direcionam a migração de neutrófilos para o local de infecção. A adesividade das células endoteliais também é alterada de modo que as células aderem à parede e são capazes de passar por ela. Primeiro os neutrófilos e depois os monócitos passam do sangue para os tecidos, como mostra a figura. O acúmulo de fluidos e de células no local de infecção causa vermelhidão, inchaço, aquecimento e dor, coletivamente denominados inflamação. Os neutrófilos e os macrófagos são as principais células inflamatórias. Mais tarde, durante a resposta imune, os linfócitos podem também contribuir para a inflamação. 1-6 A ativação de células apresentadoras de antígenos especializadas é o primeiro passo necessário para a indução da imunidade adaptativa A indução de uma resposta imune adaptativa inicia quando o patógeno é ingerido por uma célula dendrítica imatura no tecido infectado. Essas células fagocíticas especializadas residem na maioria dos tecidos e são de longa duração quando comparadas com outros tipos de células sangüíneas, como os neutrófilos, os quais vivem por poucos dias. A maioria dessas células é derivada dos mesmos precursores mielóides, como os macrófagos, e migram da medula óssea para suas localizações periféricas, onde inspecionam cuidadosamente o ambiente local para a presença de patógenos. Eventualmente, essas células dendríticas residentes nos tecidos migram através da linfa para os linfonodos regionais, onde interagem com linfócitos virgens recirculantes.

15 14 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Figura 1.13 Células dendríticas iniciam as respostas imunes adaptativas. As células dendríticas imaturas residentes nos tecidos infectados engolfam os patógenos e seus antígenos por macropinocitose e por endocitose mediada por receptor. Elas são estimuladas pelo reconhecimento da presença dos patógenos a migrar para os linfonodos regionais, via vasos linfáticos, aonde chegam como células dendríticas não-fagocíticas completamente maduras, que expressam o antígeno e as moléculas de superfície necessárias para estimular a expansão clonal. Nos linfonodos, as células dendríticas maduras encontram e ativam linfócitos T virgens específicos para o antígeno, os quais entram nos linfonodos, a partir do sangue, através de vasos sangüíneos especializados, conhecidos por suas células endoteliais em forma cuboidal como vênulas endoteliais altas (HEV). As células dendríticas imaturas localizam-se nos tecidos periféricos Macropinocitose As células dendríticas migram para os linfonodos pelos aferentes linfáticos Linfonodo regional As células dendríticas maduras no interior do córtex Linfócito antígeno-especifico Célula dendrítica madura HEV Linfócito virgem Folículo linfóide Interior do córtex Medula As células dendríticas imaturas possuem receptores em sua superfície que reconhecem características comuns a muitos patógenos, tais como os peptidoglicanos da parede celular bacteriana. Assim como os macrófagos e os neutrófilos, a ligação de uma bactéria a esses receptores estimula as células dendríticas a engolfar o patógeno e degradá-lo intracelularmente. As células dendríticas imaturas estão continuamente capturando material extracelular, incluindo partículas virais ou bacterianas, por um mecanismo independente de receptores denominado macropinocitose. Entretanto, a função das células dendríticas não é destruir os patógenos, mas sim levar os antígenos dos patógenos até os órgãos linfóides periféricos e ali apresentá-los aos linfócitos T. Quando uma célula dendrítica captura um patógeno no tecido infectado, ela torna-se ativada e se dirige ao linfonodo mais próximo. Quando ativadas, as células dendríticas maturam em células apresentadoras de antígeno (APC) altamente eficazes e sofrem mudanças que permitem as mesmas ativar os linfócitos específicos para os patógenos encontrados nos linfonodos (Figura 1.13). As células dendrítica ativadas secretam citocinas, que influenciam as respostas imune inata e adaptativa, tornando-as sentinelas essenciais que irão determinar se e como o sistema imune irá responder a presença de um agente infeccioso. Examinaremos com maior detalhe a maturação das células dendríticas e seu papel central na apresentação de antígenos aos linfócitos no Capítulo O sistema imune inato confere inicialmente uma discriminação entre o próprio e o não-próprio Como descrito nas seções anteriores, a ativação das células dendríticas para se tornarem células apresentadoras de antígenos é um passo crucial na ativação dos linfócitos para a produção da resposta imune adaptativa. As células dendríticas, sejam da linhagem mielóide, sejam na linfóide, formam parte do sistema imune inato e compartilham com outras células da imunidade inata famílias de receptores que reconhecem moléculas simples e padrões moleculares expressos por patógenos bacterianos e fungos, os quais estimulam a fagocitose pelas células dendríticas imaturas. A sinalização, através desses receptores imunes inatos, ativa as células dendríticas, capacitando-as, por sua vez, a ativarem os linfócitos T virgens do sistema imune adaptativo. Assim, a resposta imune adaptativa é iniciada essencialmente pelo reconhecimento explícito do não-próprio pelo sistema imune inato. Esses requisitos foram reconhecidos experimentalmente muito antes da descoberta das células dendríticas e de suas propriedades de ativação e de sinalização. Observou-se que, para obter uma resposta imune adaptativa a antígenos purificados, era essencial adicionar bactérias mortas ou extratos bacteria-

16 Imunobiologia 15 nos ao antígeno purificado. Esse material adicional foi denominado de adjuvante (do latim adjuvare, auxiliar), pois auxilia na resposta ao antígeno imunizante.a determinação do adjuvante apropriado é ainda uma parte importante no desenvolvimento de vacinas, e descreveremos a formulação dos adjuvantes mais modernos no Apêndice I. Uma única célula progenitora dá origem a um grande número de linfócitos, cada um com uma especificidade diferente 1-8 Os linfócitos ativados pelo antígeno dão origem aos clones de células antígeno-específicas, mediadoras da imunidade adaptativa Os sistemas de defesa da imunidade inata são eficazes no combate a muitos patógenos. Entretanto, ainda há limitações, pois a imunidade inata baseia-se em receptores codificados pela linhagem germinal, que reconhecem microrganismos capazes de evoluir muito mais rápido do que os hospedeiros que eles infectam. Isso explica por que as células e as moléculas do sistema imune inato reconhecem somente microrganismos que portam moléculas superficiais ou estruturas internas, tais como CpG de DNA não-metilado, comuns a muitas bactérias e que permaneceram invariáveis no curso da evolução. Não surpreende, portanto, que muitas bactérias patogênicas tenham desenvolvido uma cápsula protetora, que lhes permite esconder essas moléculas e evitar o seu reconhecimento e fagocitose. Os vírus quase sempre passam por uma fase em seu ciclo de vida, na qual seu genoma é expresso como RNA de fita dupla, o qual é reconhecido por diferentes receptores herdados. Os vírus e as bactérias encapsulados podem, ainda, ser capturados pelas células dendríticas por um processo de macropinocitose independente de receptores. As moléculas que revelam sua natureza infecciosa podem ser desmascaradas, e as células dendríticas podem ser ativadas para apresentar seus antígenos aos linfócitos. O mecanismo de reconhecimento usado pelos linfócitos na resposta imune adaptativa evoluiu para superar essas restrições do sistema imune inato, permitindo o reconhecimento de uma diversidade quase infinita de antígenos, de modo que cada patógeno possa ser um alvo específico. Em vez de portar vários receptores, cada um capaz de reconhecer uma característica diferente compartilhada por muitos patógenos, cada linfócito virgem que entra na corrente circulatória apresenta receptores de antígeno com especificidade única. A especificidade desses receptores é determinada por um mecanismo genético especial, que atua durante o desenvolvimento dos linfócitos na medula óssea e no timo, para produzir milhões de diferentes variantes dos genes que codificam as moléculas dos receptores. Assim, embora cada linfócito seja portador de um receptor de especificidade única, a especificidade de cada linfócito é diferente. Isso assegura que os milhões de linfócitos do organismo possam possuir milhões de receptores de antígenos de especificidades diferentes, o repertório de receptores de linfócitos do indivíduo. Esses linfócitos sofrem, então, um processo parecido com a seleção natural durante a vida de um indivíduo: somente os linfócitos que encontram um antígeno com o qual seu receptor possa interagir são ativados para proliferar e se diferenciar em células efetoras. O mecanismo seletivo foi proposto primeiramente na década de 1950 por Mac- Farlane Burnet para explicar por que os anticorpos, que podem ser induzidos em resposta a praticamente qualquer antígeno, são produzidos em cada indivíduo apenas contra aqueles antígenos aos quais ele foi exposto. O autor postulou a preexistência, no organismo, de muitas células potencialmente produtoras de anticorpo diferentes, cada uma tendo a capacidade de produzir anticorpos de diferentes especificidades e exibindo, em sua superfície, uma versão do anticorpo ligada à membrana, que atua como receptor de antígeno. Após a ligação do antígeno, a célula é ativada para proliferar e produzir uma numerosa progênie idêntica, conhecida como clone. Essas células podem agora secretar anticorpos clonotípicos com uma especificidade idêntica à do receptor de superfície que inicialmente desencadeou a ativação e a expansão clonal (Figura 1.14). Burnet deu à sua proposição o nome de teoria da seleção clonal da produção de anticorpo. A deleção clonal remove os linfócitos imaturos potencialmente auto-reativos Auto-antígenos Conjunto de linfócitos virgens maduros Antígenos estranhos Auto-antígenos Proliferação e diferenciação de linfócitos específicos ativados, levando à formação de um clone de células efetoras Células efetoras eliminam os antígenos Figura 1.14 Seleção clonal. Cada progenitor linfóide dá origem a um grande número de linfócitos, cada um portador de um receptor de antígeno distinto. Os linfócitos com receptores que se ligam a diversos auto-antígenos são eliminados antes de se tornarem completamente maduros, assegurando tolerância aos autoantígenos. Quando um antígeno estranho interage com o receptor de um linfócito virgem maduro, esta célula é ativada e inicia a divisão. Ela dá origem a um clone de uma progênie idêntica com receptores que se ligam ao mesmo antígeno. A especificidade do antígeno é assim mantida com a proliferação da progênie e sua diferenciação em células efetoras. Uma vez eliminado o antígeno por essas células efetoras, a resposta imune é finalizada, embora alguns linfócitos sejam mantidos para mediar a memória imunológica.

17 16 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Figura 1.15 Os quatro princípios básicos da seleção clonal Postulados da hipótese da seleção clonal Cada linfócito possui um único tipo de receptor com especificidade única A interação entre uma molécula estranha e um receptor de linfócitos capaz de se ligar a esta molécula com alta afinidade leva à ativação do linfócito As células efetoras diferenciadas derivadas de um linfócito ativado portarão receptores de especificidade idêntica àquela da célula parental da qual se originou o linfócito Os linfócitos portadores de receptores específicos para moléculas próprias ubíquas são destruídos nos estágios iniciais do desenvolvimento das células linfóides e estão, portanto, ausentes do repertório de linfócitos maduros 1-9 A seleção clonal dos linfócitos é o princípio central da imunidade adaptativa É interessante observar que, na época em que Burnet formulou sua teoria, nada era conhecido a respeito dos receptores de antígenos dos linfócitos, e, na verdade, a própria função dos linfócitos ainda era obscura. Os linfócitos não ocuparam seu lugar de destaque até o início dos anos 1960, quando James Gowans descobriu que a remoção dos pequenos linfócitos de ratos resultava na perda de todas as respostas imunes adaptativas. Essas respostas imune eram restauradas quando os linfócitos eram substituídos, levando à conclusão de que os linfócitos deviam ser as unidades da seleção clonal, e sua biologia tornou-se o foco de um novo campo a imunologia celular. A seleção clonal dos linfócitos com diversos receptores explicava de forma elegante a imunidade adaptativa, mas fazia emergir um significativo problema conceitual. Se os receptores de antígenos dos linfócitos são gerados de forma aleatória durante a vida de um indivíduo, como os linfócitos são impedidos de reconhecer antígenos nos tecidos do corpo e de, posteriormente, atacá-los? Ray Owen mostrou, no final dos anos 1940, que bezerros gêmeos geneticamente diferentes, mas com uma placenta comum, isto é, que compartilhavam a circulação placentária, eram imunologicamente tolerantes aos tecidos um do outro. Essa é a razão pela qual eles não produzem uma resposta imune um contra o outro. Em 1953, Peter Medawar mostrou que camundongos expostos a tecidos estranhos durante o desenvolvimento embrionário tornavam-se imunologicamente irresponsivos ou tolerantes a esses tecidos. Burnet propôs que os linfócitos em desenvolvimento, potencialmente auto-reativos, eram removidos antes da maturação um processo conhecido como deleção clonal. Provou-se, mais tarde, que o autor estava certo também sob esse aspecto, embora os mecanismos de tolerância ainda estejam sendo pesquisados, como veremos ao discutir o desenvolvimento dos linfócitos no Capítulo 7. A seleção clonal dos linfócitos é o princípio mais importante na imunidade adaptativa. A Figura 1.15 enumera os quatro postulados básicos. O último dos problemas propostos pela teoria da seleção clonal o de como seria gerada a diversidade dos receptores de antígenos dos linfócitos foi resolvido no decorrer dos anos 1970, quando os progressos na biologia molecular tornaram possível a clonagem dos genes que codificam as moléculas de anticorpos.

18 Imunobiologia A estrutura das moléculas de anticorpo ilustra o problema central da imunidade adaptativa Os anticorpos, como discutido até aqui, são as formas secretadas dos receptores de antígeno das células B. Por serem produzidos em grandes quantidades, em resposta aos antígenos, eles podem ser estudados por técnicas bioquímicas tradicionais. De fato, sua estrutura foi compreendida muito antes de a tecnologia do DNA recombinante ter tornado possível o estudo dos receptores de antígenos ligados à membrana dos linfócitos B. Um fato surpreendente que emergiu dos estudos bioquímicos foi o de que as moléculas de anticorpo eram compostas de duas regiões distintas. Uma região constante, capaz de assumir uma entre apenas quatro ou cinco formas bioquimicamente distintas, e uma região variável, que pode ser composta por uma variedade aparentemente infinita de seqüências, formando estruturas sutilmente diferentes que permitem ligação específica a uma variedade igualmente grande de antígenos. Essa divisão é ilustrada no diagrama esquemático da Figura 1.16, no qual o anticorpo é representado como uma molécula em forma de Y, com a região constante representada em azul, e a variável, em vermelho. As duas regiões variáveis, que são idênticas entre si em qualquer molécula de anticorpo, determinam a especificidade de ligação ao antígeno. A região constante determina como o anticorpo irá eliminar o patógeno após ter se ligado a ele. Cada molécula de anticorpo possui um eixo de simetria dupla, sendo composta por duas cadeias pesadas idênticas e duas cadeias leves também idênticas (Figura 1.17). Ambas as cadeias, leves e pesadas, possuem regiões constantes e variáveis. As regiões variáveis das cadeias leves e pesadas se combinam para formar o sítio de ligação do antígeno, de modo que as duas cadeias contribuem para a especificidade de ligação ao antígeno em cada molécula de anticorpo. A estrutura das moléculas de anticorpo será descrita em detalhes no Capítulo 3, e as propriedades funcionais dos anticorpos conferidas por sua região constante será discutida nos Capítulos 4 e 9. Por enquanto, iremos nos concentrar apenas nas propriedades das moléculas de anticorpo como receptores de antígenos e em como é gerada a diversidade da região variável. Regiões variáveis (sítio de ligação do antígeno) Região constante (função efetora) Figura 1.16 Estrutura esquemática de uma molécula de anticorpo. Os dois braços da molécula de anticorpo em forma de Y contêm as regiões variáveis que formam os dois sítios de ligação do antígeno. O tronco pode assumir uma entre um número limitado de formas e é conhecido como região constante. Essa região é responsável pelo mecanismo efetor que é ativado pelo antígeno para eliminar os patógenos Cada linfócito em desenvolvimento produz um receptor de antígeno distinto pelo rearranjo de segmentos gênicos dos receptores Como os receptores de antígenos com uma gama quase infinita de especificidades são codificados por um número finito de genes? Essa questão foi respondida em 1976, quando Susumu Tonegawa descobriu que os genes para as regiões variáveis das imunoglobulinas eram herdados como conjuntos de segmentos gênicos, cada um codificando uma parte da região variável de uma das cadeias polipeptídicas que constituem uma molécula completa de imunoglobulina (Figura 1.18). Durante o desenvolvimento dos linfócitos B na medula óssea, esses segmentos gênicos são unidos irreversivelmente pela recombinação do DNA para formar um segmento de DNA que codifica uma região variável inteira. Já que diferentes segmentos gênicos são unidos em diferentes células, cada célula produz um gene distinto para as regiões variáveis de cadeia leve e pesada das moléculas de imunoglobulinas. Uma vez que esses eventos de recombinação tenham ocorrido e produzido um receptor funcional, não é possível realizar mais rearranjos. Assim, cada linfócito expressa somente um receptor de cada especificidade. Cadeia leve Cadeia leve Figura 1.17 Os anticorpos são compostos por quatro cadeias protéicas. Existem dois tipos de cadeias em uma molécula de anticorpo: uma cadeia maior, denominada cadeia pesada (verde), e uma menor chamada de cadeia leve (amarelo). Cada cadeia possui tanto uma região variável quanto uma região constante, e existem duas cadeias leves idênticas e duas cadeias pesadas idênticas em cada molécula de anticorpo. Cadeia pesada Cadeia pesada

19 18 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Segmentos gênicos herdados Uma combinação única de segmentos gênicos é unida pelo rearranjo gênico somático Os pares de cadeias se unem formando um receptor único para cada linfócito Figura 1.18 A diversidade dos receptores de antígenos dos linfócitos é gerada pelo rearranjo dos segmentos gênicos somáticos. Diferentes partes das regiões variáveis dos receptores de antígeno são codificadas por grupos de segmentos gênicos. Durante o desenvolvimento dos linfócitos, um membro de cada conjunto de segmento gênico é unido, ao acaso, por um processo irreversível de recombinação do DNA. Os segmentos gênicos justapostos formam um gene completo, que codifica a porção variável de uma cadeia do receptor e é único para aquela célula. Esse rearranjo ao acaso é repetido para outro conjunto de segmentos gênicos, codificando outra cadeia. Os genes rearranjados são expressos para produzir os dois tipos de cadeias polipeptídicas que se unem para formar um receptor de antígeno único na superfície do linfócito. Cada linfócito possui várias cópias desse receptor. Este mecanismo tem três importantes conseqüências. Primeiro, permite que um número limitado de segmentos gênicos produza um grande número de diferentes proteínas. Segundo, como cada célula monta um conjunto diferente de segmentos para codificar seu receptor de antígeno, cada célula expressa um receptor de especificidade única. Terceiro, como o rearranjo gênico envolve uma alteração irreversível no DNA de uma célula, toda a progênie dessa célula herdará genes que codificam receptores de mesma especificidade. Esse esquema geral foi posteriormente confirmado para os genes que codificam os receptores de antígenos nos linfócitos T. As principais diferenças entre os receptores dos linfócitos B e T residem no fato de a imunoglobulina de superfície celular, que atua como receptor das células B, ter dois sítios idênticos de reconhecimento do antígeno e poder ser secretada, enquanto o receptor de antígeno da célula T apresenta um único sítio de reconhecimento do antígeno e é sempre uma molécula de superfície celular. Veremos mais adiante que esses receptores também reconhecem o antígeno de maneiras distintas. A diversidade potencial dos receptores de linfócitos produzidos desse modo é enorme. Apenas algumas poucas centenas de segmentos gênicos diferentes podem se combinar para formar milhares de cadeias de receptores diferentes. Essa diversidade dos receptores de linfócitos é ainda mais ampliada pela diversidade juncional, criada pela adição ou subtração de nucleotídeos no processo de ligação de segmentos gênicos e pelo fato de que cada receptor é constituído pelo pareamento de duas cadeias variáveis diferentes, cada uma codificada em conjuntos distintos de segmentos gênicos. Milhares de diferentes cadeias de cada tipo podem gerar 10 6 receptores de antígenos diferentes, por meio dessa diversidade combinatória. Assim, uma pequena quantidade de material genético pode codificar uma diversidade verdadeiramente assombrosa de receptores. Somente um subgrupo desses receptores específicos sobrevive ao processo seletivo que molda o repertório de linfócitos periféricos. No homem, existem, ao mesmo tempo, pelo menos 10 8 linfócitos de especificidades diferentes, o que fornece a matériaprima para a ação da seleção clonal O desenvolvimento e a sobrevivência dos linfócitos são determinados por sinais recebidos através de seus receptores de antígenos Tão assombrosa quanto a geração de milhões de especificidades dos receptores de antígenos dos linfócitos é a formação desse repertório durante o desenvolvimento dos linfócitos e a sua manutenção na periferia. Como as especificidades mais utilizadas dos receptores são selecionadas e como o número de linfócitos periféricos e as percentagens de células B e T são mantidas constantes? A resposta parece ser a de que a maturação e a sobrevivência dos linfócitos sejam reguladas por sinais recebidos através de seus receptores de antígenos. Fortes sinais recebidos pelos receptores de antígenos por um linfócito imaturo causam sua morte ou posterior rearranjo de seus receptores, e, dessa maneira, receptores com especificidades para o próprio não são eliminados do repertório. No entanto, a ausência completa de sinais dos receptores de antígeno pode também levar a morte celular. Aparentemente, para sobreviver, os linfócitos devem receber sinais do ambiente periodicamente através de seus receptores de antígeno. Assim, o organismo pode assegurar que cada receptor seja funcional e que o ambiente pode, então, regular o número e o tipo de linfócitos na população em um determinado momento. Esses sinais de sobrevivência parecem ser transmitidos por outras células nos órgãos linfóides e devem derivar, pelo menos em parte, das próprias moléculas do organismo, os antígenos próprios, já que a alteração do próprio ambiente altera o tempo de vida desses linfócitos nesse ambiente. As células B em desenvolvimento na medula óssea interagem com as células estromais, enquanto sua maturação final e contínua recirculação parecem ser dependentes dos sinais de sobrevivência recebidos das células B foliculares nos tecidos linfóides periféricos. Os linfócitos T recebem sinais de sobrevivência das moléculas próprias das células epiteliais espe-

20 Imunobiologia 19 cializadas no timo durante seu desenvolvimento e das mesmas moléculas ou de moléculas similares expressas pelas células dendríticas nos tecidos linfóides periféricos. Os ligantes próprios que interagem com os receptores de células T para emitir esses sinais estão parcialmente definidos. São compostos por moléculas de superfície celular associadas a peptídeos indefinidos de outras proteínas próprias nas células. Essas mesmas moléculas de membrana atuam na apresentação de antígenos estranhos às células T, como veremos na Seção 1-17 e no Capítulo 5. Elas selecionam somente um grupo de receptores de células T para sobrevivência, mas esses são os receptores mais prováveis de serem úteis na resposta aos antígenos estranhos, como veremos no Capítulo 7. Os linfócitos que não recebem os sinais de sobrevivência e aqueles que são clonalmente eliminados por serem auto-reativos sofrem uma forma de suicídio celular denominado apoptose ou morte celular programada. Apoptose é um termo derivado de uma palavra grega que significa a perda de folhas pelas árvores e caracteriza um processo que ocorre em todos os tecidos, a uma taxa relativamente constante em cada tecido, representando um meio de regulação do número de células do organismo. É responsável, por exemplo, pela morte e escamação das células da epiderme, pela renovação das células do fígado e pela morte de células epiteliais intestinais velhas que se encontram no ápice dos vilos, as quais estão constantemente sendo substituídas por novas células que se formam na base das criptas. Assim, não é surpreendente que as células do sistema imune sejam reguladas por esse mesmo mecanismo. A cada dia, a medula óssea produz milhões de novos neutrófilos, monócitos, hemácias e linfócitos, e essa produção deve ser coordenada pela perda de um número igual de células. A perda regulada de todas essas células sangüíneas ocorre por apoptose, e as células que estão morrendo são finalmente fagocitadas pelos macrófagos especializados do fígado e do baço. Os linfócitos representam um caso especial, porque a perda de um determinado linfócito virgem significa a perda de uma especificidade de receptor do repertório, enquanto que cada célula recém-maturada que sobrevive irá contribuir com uma especificidade diferente. Os sinais de sobrevivência recebidos pelos receptores de antígenos parecem regular este processo, iniciando a apoptose de linfócitos específicos, regulando a manutenção e a composição do repertório de linfócitos. Retornaremos a esta questão de qual é o ligante que emite esses sinais e como eles contribuem para a formação e a manutenção do repertório de receptores no Capítulo Os linfócitos proliferam, em resposta ao antígeno, nos órgãos linfóides periféricos, produzindo células efetoras e memória imunológica A grande diversidade de receptores de linfócitos indica que deverá haver pelo menos alguns que poderão se ligar a um determinado antígeno estranho. Entretanto, uma vez que cada linfócito tem um receptor diferente, o número de linfócitos que pode se ligar e responder a um determinado antígeno é muito pequeno. A fim de produzir linfócitos efetores específicos em número suficiente para combater uma infecção, um linfócito com uma especificidade de receptor apropriada deverá ser ativado e proliferar antes que sua progênie finalmente se diferencie em células efetoras. Essa expansão clonal é uma característica comum a todas as respostas imunes adaptativas. Como veremos, a ativação e a proliferação dos linfócitos iniciam nos tecidos linfóides de drenagem, onde os linfócitos virgens e as células apresentadoras de antígenos ativadas podem fazer contato. Os antígenos são apresentados aos linfócitos virgens recirculantes quando esses migram através dos tecidos linfóides, antes de retornar à corrente sangüínea pela linfa eferente. Quando o pequeno linfócito reconhece seu antígeno específico, ele pára sua migração e aumenta de tamanho. A cromatina nuclear torna-se menos densa, aparecem os nucléolos, o volume do núcleo e do citoplasma aumenta, ocorre nova síntese de RNA, e novas proteínas são sintetizadas. Em poucas horas, a célula parece completamente diferente, sendo agora denominadas de linfoblasto (Figura 1.19).

21 20 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Figura 1.19 Fotomicrografia eletrônica de transmissão de linfócitos em vários estágios de ativação para a função efetora. Pequenos linfócitos em repouso (quadro superior) ainda não tiveram contato com o antígeno. Observe a pequena quantidade de citoplasma, ausência de retículo endoplasmático rugoso e a cromatina condensada, todas características de uma célula inativa. Essa célula pode ser uma célula B ou uma célula T. Pequenos linfócitos circulantes são aprisionados nos linfonodos, onde seus receptores encontrarão as células apresentadoras de antígenos. A estimulação pelo antígeno induz a ativação do linfócito transformando-o em linfoblasto ativo (quadro central). Observe o grande tamanho, o nucléolo, o núcleo aumentado com a cromatina difusa e o citoplasma ativo. Novamente, este pode ser um linfoblasto T ou B, pois são similares em aparência. Essa célula sofre repetidas divisões, seguidas pela diferenciação da função efetora. Os quadros inferiores mostram linfócitos B e T efetores. Observe a grande quantidade de citoplasma, os núcleos com nucléolos proeminentes, um grande número de mitocôndrias e a presença de retículo endoplasmático rugoso, todas características de células ativas. O retículo endoplasmático rugoso é especialmente proeminente nas células plasmáticas (células B efetoras), as quais estão sintetizando e secretando grandes quantidades de proteínas na forma de anticorpos. Pequeno linfócito em repouso Linfoblasto Célula B efetora (célula plasmática) Célula T efetora Os linfoblastos começam a se dividir, normalmente se duplicando duas a quatro vezes a cada 24 horas, durante três a cinco dias, de modo que um determinado linfócito virgem dá origem a um clone com cerca de células-filhas de idêntica especificidade. Essas passam, então, a se diferenciar em células efetoras (ver Figura 1.19). No caso das células B, as células efetoras diferenciadas são as células plasmáticas capazes de produzir anticorpos. No caso das células T, as células efetoras são capazes de destruir as células infectadas ou de ativar outras células do sistema imune. Essas mudanças também afetam a recirculação dos linfócitos antígeno-específicos. As modificações ocorridas na expressão de moléculas de adesão celular da superfície dessas células permitem que os linfócitos efetores migrem para os locais de infecção ou permaneçam nos órgãos linfóides para ativar as células B. Após a ativação de um linfócito virgem, são necessários de quatro a cinco dias para completar a expansão clonal e para que os linfócitos se diferenciem em células efetoras. Essa é a razão pela qual as respostas imunes adaptativas ocorrem

22 Imunobiologia 21 apenas após alguns dias. As células efetoras têm um tempo de vida limitado, e assim que o antígeno tenha sido removido, a maioria das células antígeno-específicas geradas pela expansão clonal dos pequenos linfócitos sofrerá apoptose. Essas células são conhecidas como células de memória e formam a base da memória imunológica, que garante uma resposta mais rápida e eficaz durante um segundo encontro com o mesmo patógeno, proporcionando uma imunidade protetora duradoura. As características da memória imunológica são facilmente observadas pela comparação da resposta de anticorpos em um indivíduo após uma primeira imunização ou imunização primária com a resposta induzida no mesmo indivíduo por uma imunização secundária ou de reforço com o mesmo antígeno. Como detalhado na Figura 1.20, a resposta de anticorpo secundária ocorre após uma curta fase de latência, atinge níveis nitidamente mais elevados e produz anticorpos de alta afinidade ou força de ligação para o antígeno. Descreveremos os mecanismos dessas alterações marcantes nos Capítulos 9 e 10. A base celular da memória imunológica é a expansão e a diferenciação clonal de células específicas para o antígeno indutor e, portanto, é inteiramente antígeno-específica. É a memória imunológica que permite o êxito da vacinação e previne a reinfecção com patógenos que já tenham sido eliminados com sucesso pela resposta imune adaptativa. Essa memória imunológica é a conseqüência biológica mais importante do desenvolvimento da imunidade adaptativa, embora as bases celulares e moleculares ainda não estejam completamente entendidas, como veremos no Capítulo Interações com outras células, assim como com o antígeno, são necessárias para a ativação dos linfócitos Os tecidos linfóides periféricos são especializados não somente no aprisionamento de células fagocitárias que englobaram o antígeno (ver Seções 1-3 e 1-6), mas também na promoção das interações necessárias para iniciar a resposta imune adaptativa. O baço e os linfonodos, em particular, são altamente organizados para a realização desta última função. Anticorpo (μg/ml de soro) Antígeno A Fase de latência 4 Resposta primária 8 12 Resposta ao antígeno A Antígenos A+B Resposta secundária 64 Resposta ao antígeno B 68 Dias 72 Figura 1.20 Curso de uma típica resposta de anticorpo. O primeiro encontro com o antígeno produz uma resposta primária. O antígeno A introduzido no tempo zero encontra pouco anticorpo específico no soro. Depois da fase lag, aparece anticorpo contra o antígeno A (azul), e sua concentração sobe até um patamar, quando, então, diminui gradualmente. Esta é uma típica resposta primária. Quando o soro é testado contra um outro antígeno, B (amarelo), pouco anticorpo está presente, demonstrando a especificidade da reposta de anticorpo. Quando o animal for exposto, mais tarde, a uma combinação dos antígenos A e B, ocorre uma rápida e intensa resposta secundária ao antígeno A. Isso ilustra a memória imunológica, a capacidade do sistema imune de produzir uma resposta secundária ao mesmo antígeno de modo mais eficiente e efetivo, o que proporciona ao hospedeiro uma defesa específica contra a infecção. Essa é a principal razão para a vacinação de reforço após uma vacinação inicial. Note que a resposta ao antígeno B assemelha-se à resposta inicial primária ao antígeno A, pois este é o primeiro encontro do hospedeiro com o antígeno B.

23 22 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Figura 1.21 Dois sinais são necessários para a ativação dos linfócitos. Além de receber um sinal através do receptor de antígeno, os linfócitos virgens maduros devem receber um segundo sinal para se tornarem ativados. Para as células T (quadro à esquerda), esse segundo sinal é emitido pelas células apresentadoras de antígeno, tal como a célula dendrítica aqui representada. Para as células B (quadro à direita), o segundo sinal é, normalmente, emitido por um linfócito T ativado. Ligação receptor: antígeno e co-estimulação da célula T por uma célula dendrítica Ligação receptor:antígeno e ativação da célula B por uma célula T Célula dendrítica Linfócito T Linfócito T Linfócito B Proliferação e diferenciação para função efetora Proliferação e diferenciação para função efetora Todas as respostas dos linfócitos aos antígenos requerem não apenas o sinal resultante da ligação com o antígeno, mas também um segundo sinal, que é fornecido por outra célula, através de moléculas de superfície celular, geralmente conhecidas como moléculas co-estimuladoras. As células T virgens são, normalmente, estimuladas por células dendríticas ativadas (Figura 1.21, quadro à esquerda), mas para as células B o segundo sinal é emitido pelas células T efetoras ativadas (Figura 1.21, quadro à direita). Devido à sua capacidade de emitir sinais de ativação aos linfócitos T virgens, as células dendríticas ativadas são conhecidas como células apresentadoras de antígeno. Os macrófagos e as células B apresentando antígenos estranhos em sua superfície também podem induzir a expressão de moléculas co-estimuladoras e, assim, ativar as células T virgens. Esses três tipos celulares especializados de células apresentadoras de antígenos do sistema imune estão ilustrados na Figura As células dendríticas são as células apresentadoras de antígeno mais importantes dentre os três tipos, com um papel central na iniciação da resposta imune adaptativa (ver Seção 1-6). Os macrófagos também podem mediar respostas imunes inatas diretamente e fazem uma contribuição crucial para a fase efetora da resposta imune adaptativa. Assim, acrescentaremos um postulado final à teoria da seleção clonal. Os linfócitos virgens somente podem ser ativados por células que possuem não somente especificidade a um antígeno, mas também que apresentam moléculas co-estimuladoras, cuja expressão é regulada pela imunidade inata. O contato com células apresentadoras de antígenos que não possuem moléculas co-estimuladoras em sua membrana leva a inativação dos linfócitos ou a anergia clonal, o que, por sua vez, explica por que um adjuvante eficaz deve conter constituintes microbianos. Retornaremos a esse assunto no Capítulo 2. Resumo Os sistemas inatos de defesa precoce, que dependem de receptores invariáveis capazes de reconhecer características comuns de agentes patogênicos, são de crucial importância, mas podem ser superados por muitos microrganismos, sem desencadear memória imune. A capacidade de reconhecer todos os patógenos especificamente e de fornecer uma maior proteção contra a reinfecção são características únicas da imunidade adaptativa, baseada na seleção clonal de linfócitos portadores de receptores antígeno-específicos. A seleção clonal dos linfócitos proporciona uma base teórica para a compreensão de todas as característicaschave da resposta imune adaptativa. Cada linfócito é portador de receptores de superfície de uma única especificidade, gerados pela recombinação aleatória de segmentos gênicos variáveis e pelo pareamento de diferentes cadeias variáveis,

24 Imunobiologia 23 Células dendríticas Macrófagos Linfócitos B a b c d e f g h i Figura 1.22 Célula apresentadoras de antígenos. Os três tipos de células apresentadoras de antígenos estão mostrados nas formas como serão representados ao longo deste livro (quadros superiores) e como são visualizados ao microscópio óptico (segunda linha de quadros, as células em questão estão identificadas pelas setas), por microscopia eletrônica de transmissão (terceira linha de quadros) e por microscopia eletrônica de varredura (quadros abaixo). As células dendríticas maduras são encontradas nos tecidos linfóides e são derivadas de células dendríticas teciduais imaturas que interagem com distintos patógenos. Os macrófagos são especializados na internalização de patógenos extracelulares, especialmente após serem recobertos por anticorpos, e na apresentação de antígenos. As células B possuem receptores específicos para antígenos que permitem a internalização de grandes quantidades de antígenos específicos, seu processamento e apresentação.

25 24 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik as cadeias leve e pesada das imunoglobulinas ou as duas cadeias dos receptores de células T. Isso produz linfócitos portadores de um receptor distinto, de modo que o repertório total dos receptores pode reconhecer virtualmente qualquer antígeno. Se o receptor de um linfócito for específico para um antígeno próprio ubíquo, a célula será eliminada mediante seu encontro precoce com o antígeno, logo no início de seu desenvolvimento, enquanto sinais de sobrevivência, recebidos através de seu receptor de antígeno, selecionam e mantêm o repertório de linfócitos com receptor funcional. A imunidade adaptativa é iniciada quando ocorre uma falha na eliminação de uma nova infecção, e as células apresentadoras de antígeno ativadas, portadoras desse antígeno, são levadas aos tecidos linfóides de drenagem. Quando um linfócito recirculante encontra um antígeno estranho específico nos tecidos linfóides, ele é induzido a proliferar, e sua progênie a se diferenciar em células efetoras que podem eliminar o agente infeccioso. Um subgrupo desses linfócitos em proliferação se diferencia em células da memória, prontas a responder rapidamente ao mesmo agente, se encontrado novamente. Os detalhes destes processos de reconhecimento, desenvolvimento e diferenciação constituem o principal foco das três partes centrais deste livro. Mecanismos de reconhecimento e efetores da imunidade adaptativa A seleção clonal descreve o princípio operacional básico da resposta imune adaptativa, mas não como ela defende o organismo contra uma infecção. Na última seção deste capítulo, resumimos os mecanismos pelos quais os agentes patogênicos são detectados pelos linfócitos e eventualmente destruídos por resposta imune adaptativa bem-sucedida. Diferentes patógenos possuem estilos de vida distintos, os quais requerem diferentes mecanismos de resposta, não apenas para assegurar sua destruição, mas também para sua detecção e reconhecimento (Figura 1.23). Já vimos que existem dois tipos diferentes de receptores de antígenos: a imunoglobulina de superfície de células B e o receptor de antígeno das células T. Esses receptores de superfície são adaptados para reconhecer o antígeno de duas maneiras distintas: as células B reconhecem o antígeno que se encontra fora das células do organismo, onde, por exemplo, se encontra a maioria das bactérias. Por outro lado, as células T podem detectar antígenos gerados dentro das células, como, por exemplo, os vírus. O sistema imune protege contra quatro classes de patógenos Tipo de patógeno Exemplos Doenças Bactérias, parasitas e fungos extracelulares Streptococcus pneumoniae Clostridium tetani Trypanosoma brucei Pneumocystis carinii Pneumonia Tétano Doença do sono Pneumonia por (Pc) Bactérias e parasitas intracelulares Mycobacterium leprae Leishmania donovani Plasmodium falciparum Lepra Leishmaniose Malária Vírus (intracelulares) Varíola Influenza Varicela Varíola Gripe Varicela Figura 1.23 Principais tipos de patógenos encontrados pelo sistema imune e doenças por eles causadas. Vermes parasitas (extracelulares) Ascaris Schistosoma Ascaridíase Esquistossomose

26 Imunobiologia 25 Os mecanismos efetores que atuam na eliminação de patógenos na resposta imune adaptativa são essencialmente idênticos aos da imunidade inata. Na verdade, parece provável que o reconhecimento específico pelos receptores clonalmente distribuídos evoluiu como uma adição posterior aos mecanismos efetores inatos existentes, a fim de produzir a resposta imune adaptativa atual. Começamos por delinear as ações efetoras dos anticorpos, que dependem quase inteiramente do recrutamento de células e moléculas do sistema imune inato Os patógenos extracelulares e suas toxinas são eliminados pelos anticorpos Os anticorpos, que foram o primeiro produto específico da resposta imune adaptativa a ser identificado, são encontrados na porção líquida do sangue, o plasma, e nos fluidos extracelulares. Uma vez que os fluidos foram, outrora, conhecidos como humores, a imunidade mediada pelos anticorpos é referida como imunidade humoral. Como vimos na Figura 1.16, os anticorpos são moléculas em forma de Y, cujos braços formam dois sítios idênticos de ligação ao antígeno. São altamente variáveis de uma molécula para outra, proporcionando, assim, a diversidade necessária para o reconhecimento do antígeno. O tronco do Y, que define a classe do anticorpo e determina suas propriedades funcionais, assume uma dentre cinco formas principais, ou isotipos. Cada uma das cinco classes de anticorpos ativa uma série distinta de mecanismos efetores para a eliminação do antígeno, uma vez devidamente reconhecido. Descreveremos os isotipos e suas ações, mais detalhadamente, nos Capítulos 4 e 9. A maneira mais simples e direta de os anticorpos protegerem o hospedeiro contra agentes patogênicos ou seus produtos tóxicos reside em sua ligação com os mesmos, bloqueando o acesso às células que poderiam ser infectadas ou destruídas (Figura 1.24, quadro à esquerda). Isto é conhecido como neutralização, sendo importante na proteção contra as toxinas bacterianas e contra patógenos como os vírus, que podem ser impedidos de penetrar nas células e replicar. A ligação com os anticorpos por si só não é suficiente para conter a replicação de bactérias que se multiplicam fora das células. Nesse caso, uma função do anticorpo é a de permitir a uma célula fagocitária ingerir e destruir o microrganismo. Isto é importante para as muitas bactérias resistentes ao reconhecimento direto pelos fagócitos. Alternativamente, os fagócitos reconhecem a região constante dos anticorpos que recobrem a bactéria (Figura 1.24, quadros centrais). O revestimento de patógenos e de partículas estranhas pelos anticorpos é conhecido como opsonização. A terceira função dos anticorpos é a de ativar um sistema de proteínas plasmáticas conhecido como complemento. O sistema do complemento, que será analisado em detalhe no Capítulo 2, pode também ser ativado sem o auxilio dos anticorpos em muitas superfícies microbianas e, portanto, contribuir tanto para a imunidade inata quanto para a adaptativa. Os poros formados pelos componentes do complemento ativados podem destruir diretamente certas bactérias, o que é importante em algumas infecções bacterianas (Figura 1.24, quadros à direita). Contudo, seu papel principal, como o dos anticorpos, é o de revestir a superfície dos patógenos, permitindo que os fagócitos ingiram e destruam bactérias que, de outro modo, não poderiam reconhecer. O complemento também estimula as ações bactericidas dos fagócitos; na realidade, o sistema se chama assim porque complementa as atividades dos anticorpos. Anticorpos de diferentes isotipos são encontrados em diferentes compartimentos do organismo e diferem quanto aos mecanismos efetores que recrutam. No entanto, todos os patógenos e partículas ligadas por um anticorpo são, eventualmente, entregues aos fagócitos para ingestão, degradação e remoção do organismo (Figura 1.24, quadros inferiores). O sistema do complemento e os fagócitos re-

27 26 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Figura 1.24 Os anticorpos podem participar de três forma na defesa do hospedeiro. A coluna à esquerda mostra os anticorpos ligando e neutralizando toxinas bacterianas, impedindo sua interação com as células do hospedeiro e a doença. As toxinas não-ligadas podem reagir com os receptores das células do hospedeiro, enquanto os complexos toxinas:anticorpos não. Os anticorpos também neutralizam partículas virais completas e células bacterianas ligando-se a elas e inativando-as. Os complexos antígeno:anticorpo são eventualmente eliminados e degradados pelos macrófagos. Os anticorpos que recobrem os antígenos tornam-os reconhecíveis como estranhos pelos fagócitos (macrófagos e neutrófilos), que os ingerem e destroem, processo esse denominado de opsonização. Os quadros centrais mostram a opsonização e a fagocitose de uma célula bacteriana. Os quadros à direita mostram a ativação do sistema do complemento pelos anticorpos que recobrem a célula bacteriana. Os anticorpos ligados formam um receptor para a primeira proteína do sistema do complemento, o qual eventualmente forma um complexo protéico na superfície da célula bacteriana que, em alguns casos, pode matá-la diretamente. Em geral, o recobrimento pelo complemento favorece a ingestão e a destruição da bactéria pelos fagócitos. Assim, os anticorpos sinalizam os patógenos e seus produtos tóxicos para eliminação pelos fagócitos. Anticorpo específico Toxinas bacterianas Bactérias no espaço extracelular Bactérias no plasma células com receptores para toxinas macrófago Neutralização Opsonização Ativação do complemento Complemento Ingestão pelo macrófago Ingestão pelo macrófago Lise e ingestão crutados pelos anticorpos não são antígeno-específicos. Eles dependem das moléculas de anticorpos para marcar as partículas como estranhas. A produção de anticorpos é a única função efetora das células B, ao passo que as células T possuem uma variedade de ações efetoras As células T são necessárias para o controle de agentes patogênicos intracelulares e para a ativação das respostas de células B contra a maioria dos antígenos Os patógenos são acessíveis aos anticorpos apenas quando estiverem na corrente circulatória ou nos espaços extracelulares. Algumas bactérias patogênicas, parasitas e todos os vírus, no entanto, replicam-se no interior de células, onde não podem ser detectados pelos anticorpos. A destruição de tais invasores é tarefa dos linfócitos T ou células T, responsáveis pelas respostas imunes mediadas por células da imunidade adaptativa.

28 Imunobiologia 27 As reações mediadas por células dependem de interações diretas entre linfócitos T e células portadoras do antígeno que as células T conseguem reconhecer. As ações das células T citotóxicas são as mais diretas. Essas células reconhecem qualquer célula do organismo que esteja infectada por vírus, os quais se replicam no interior das células, usando a maquinaria biossintética da própria célula. O vírus termina por matar a célula, liberando novas partículas virais. Ao longo desse processo, antígenos derivados dos vírus são expostos na superfície das células infectadas, onde podem ser reconhecidos pelos linfócitos T citotóxicos. Esses linfócitos controlam a infecção viral matando a célula infectada antes que a replicação viral tenha se completado (Figura 1.25). As células T citotóxicas expressam a molécula CD8 em sua superfície. Os linfócitos T que ativam as células que reconhecem são marcados pela expressão da molécula de superfície celular CD4, e não CD8. Os linfócitos T CD4 podem ser divididos em duas subpopulações, as quais exercem diferentes funções na defesa do organismo, principalmente contra infecções bacterianas. Uma subpopulação de linfócitos T CD4 é importante no controle das infecções bacterianas intracelulares. Algumas bactérias crescem somente nas vesículas ligadas a membranas intracelulares dos macrófagos, sendo importantes exemplos o Mycobacterium tuberculosis e o M. leprae, os agentes etiológicos da tuberculose e da lepra. As bactérias que penetram nos macrófagos são, em geral, destruídas nos lisossomas, que possuem uma variedade de enzimas e substâncias bactericidas. As bactérias intracelulares sobrevivem porque as vesículas por elas ocupadas não se fundem com os lisossomas. Essas infecções podem ser controladas por um segundo tipo de célula T CD4, conhecido como células T H 1, que ativam os macrófagos, induzindo a fusão de seus lisossomas com as vesículas contendo a bactéria, ao mesmo tempo em que estimulam outros mecanismos antibacterianos dos fagócitos (Figura 1.26). As células T H 1 também liberam citocinas que atraem macrófagos para o local da infecção. Célula infectada por vírus Célula T citotóxica mata a célula infectada a Célula infectada vírus Vírus b Célula infectada morta T V Célula T citotóxica Figura 1.25 Mecanismo de defesa do hospedeiro contra infecção intracelular por vírus. As células infectadas por vírus são reconhecidas por células T especializadas denominadas células T citotóxicas, as quais matam diretamente as células infectadas. O mecanismo de lise envolve a ativação de enzimas conhecidas como caspases, as quais contêm cisteínas nos seus sítios ativos e clivam após um ácido aspártico. Estas, por sua vez, ativam nucleases citosólicas na célula infectada, que clivam o DNA viral e o da célula hospedeira. O quadro a é uma fotomicrografia eletrônica de transmissão mostrando a membrana plasmática de uma célula CHO em cultura (linhagem celular de ovário de hamster chinês) infectada pelo vírus influenza. Muitas partículas virais podem ser visualizadas brotando da superfície celular. Alguns desses vírus foram marcados com anticorpo monoclonal específico para a proteína viral, ligado a partículas de ouro, as quais aparecem como pontos pretos na fotomicrografia. O quadro b é uma fotomicrografia eletrônica de transmissão de uma célula infectada por vírus (V) circundada por linfócitos T citotóxicos (T). Observe a proximidade das membranas da célula infectada por vírus e da célula T (T) e o agrupamento de organelas citoplasmáticas entre o núcleo e o ponto de contato com a célula infectada.

29 28 Charles A. Janeway, Jr., Paul Travers, Mark Walport & Mark J. Shlomchik Figura 1.26 Mecanismos de defesa do hospedeiro contra infecções intracelulares por micobactérias. As micobactérias são engolfadas pelos macrófagos, mas resistem à destruição, impedindo a fusão com os lisossomas das vesículas intracelulares onde residem, protegendo-se da destruição. Entretanto, quando os fagócitos são reconhecidos e ativados por células T H 1, ocorre a fusão das vesículas fagocíticas com os lisossomas contendo agentes bactericidas. Nos macrófagos em repouso, as micobactérias persistem e replicam nessas vesículas. A ativação dos macrófagos é controlada pelas células T H 1, tanto para evitar o dano aos tecidos quanto para poupar energia. As micrografias ópticas (linha inferior) mostram uma célula em repouso (esquerda) e macrófagos ativados (direita) infectados com micobactérias. Essas células foram coradas pelo método do álcoolácido resistente para identificar as micobactérias, que aparecem como bastonetes vermelhos proeminentes nos macrófagos em repouso, mas foram eliminadas nos macrófagos ativados. Macrófago infectado Lisossoma Micobactéria Antígeno Macrófago infectado ativado T 1 H As células T portadoras da molécula CD4 destroem os patógenos intracelulares matando as células infectadas e ativando os macrófagos, mas também desempenham um papel central na eliminação de patógenos extracelulares, mediante ativação de linfócitos B. Uma segunda subpopulação de células T CD4, denominadas células T auxiliares ou células T H 2, são especialistas nessa função. No Capítulo 9, quando for discutida a resposta imune humoral veremos que poucos antígenos, dotados de propriedades especiais, podem ativar diretamente os linfócitos B virgens. A maioria dos antígenos requer um sinal emitido pelas células T antes de poder estimular a proliferação das células B e sua diferenciação em células secretoras de anticorpos (ver Figura 1.21). A capacidade das células T de ativar as células B foi descoberta bem antes de se entender que uma classe funcionalmente distinta de células T ativava os macrófagos, e o termo célula T auxiliar (T helper), ou T H, foi criado para descrever as células T que ativavam as células B à produção de anticorpos. Embora o termo auxiliar tenha sido posteriormente ampliado para também designar as células T CD4 que ativam os macrófagos (por isso o H de helper em T H 1), consideramos que essa terminologia gera confusão, portanto usaremos a expressão células T auxiliares neste livro para designar todas as células T que ativam as células B, ou seja T H 1 ou T H As células T são especializadas no reconhecimento de antígenos estranhos como fragmentos de peptídeos ligados a proteínas do complexo principal de histocompatibilidade Todos os efeitos dos linfócitos T dependem das interações com células-alvo que contêm proteínas estranhas. Células T CD8 citotóxicas e células T H 1 interagem com antígenos produzidos por patógenos que infectaram as células-alvo ou que foram ingeridos pela célula. As células T auxiliares, por outro lado, reconhecem e interagem com células B que se ligaram a antígenos estranhos e os internaliza-