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PSL301H1 (21)
Chapter 24

Chapter 24 - The Immune System.docx

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Department
Physiology
Course
PSL301H1
Professor
Michelle French
Semester
Winter

Description
The Immune System ­ Immunity: body’s ability to protect itself from viruses, bacteria, and other disease­ causing entities  o Human immune system consists of lymphoid tissues, immune cells and  chemicals that coordinate and execute immune functions  o Immune function depends heavily on cell­to­cell communication,  particularly local communication by cytokines and contact­dependent  signaling  Overview ­ Key features of immune system are specificity and memory  ▯allows body to  distinguish self from non­self, and target specific invaders  ­ Immune system:  o Protects the body from disease­causing invaders known as pathogens   Microorganisms that act as pathogens include bacteria, viruses,  fungi, and one­celled protozoans. Parasites are larger, multicellular  pathogens (such as hookworms and tapeworms)   Antigens: substances that trigger the body’s immune response and  can react with products of that response  o Removes dead or damaged cells, as well as old RBC o Tries to recognize and remove abnormal cells created when cell  growth/development goes wrong  Ex. Cancer = abnormal cells that multiply uncontrollably,  crowding out normal cells and disrupting function. Scientists think  cancers occur normally, but are usually detected and destroyed by  immune system before they get out of control  ­ Sometimes body’s immune system fails to perform its normal functions  o Incorrect responses  ▯mechanisms for distinguishing self from non­self fail   and the immune system attacks the body’s normal cells. Autoimmune  diseases result.   Ex. Type I diabetes mellitus  o Overactive responses  ▯immune system creates a response that is out of  proportion to the threat posed by antigen  Ex. Allergies  o Lack of response  ▯some component of immune system fails to work  properly, resulting in immunodeficiency diseases   Primary immunodeficiency: family of genetically inherited  disorders ranging from severe to mild  Acquired immunodeficiency: result of infection, like AIDS which  is caused by human immunodeficiency virus (HIV), or could be  result of drug or radiation therapy Pathogens of the Human Body ­ Malaria protozoan are parasitic organisms that are introduced to body by biting  insects; their life cycles alternate between human and mosquito hosts  o Other parasites enter through digestive tract via contaminated food and  water  o Others, such as the fungi that cause valley fever, are inhaled  o Others like Schistosoma burrow through host’s skin  ­ Once in host’s body, parasites and microbes may enter host cells in an effort to  evade immune response, or they may remain in the extracellular compartment  ­ Bacteria and viruses require different defense mechanisms because they differ  from each other in several ways  o Structure: bacteria are cells, with cell membrane and usually cell wall.  Some are encapsulated bacteria (additional protective layer)   Viruses consist of nucleic acid (DNA or RNA) enclosed in coat of  viral proteins called a capsid   Some viruses add an envelope of phospholipid and protein made  from the host’s cell membrane and incorporate viral proteins in the  envelope o Living conditions and reproduction: most bacteria can survive and  reproduce outside a host, as long as they have required nutrients,  temperature, pH etc.   Viruses must use intracellular machinery of host cell to replicate  o Susceptibility to drugs: Most bacteria can be killed by antibiotics, which  destroy them or inhibit their growth   Some viral infections can be treated with antiviral drugs, which  target specific stages of viral replication  ­ Viruses can replicate only inside host cells  o Virus binds to membrane receptors, triggering endocytosis of entire virus  particle or virus envelope fuses with cell membrane allowing contents to  enter cell o Virus’s nucleic acid takes over host cell’s resources to make new viral  nucleic acid and viral proteins   ▯ these are released from host cell and  infect other cells  o Viruses are released from host in one of 2 ways:  Virus causes host cell to rupture, releasing virus particles into ECF   Virus surround themselves with layer of host cell membrane and  bud off from surface of host cell  o They disrupt metabolism of cell so that cell dies o Some viruses hide out in host cell and replicate only sporadically (i.e.  Herpes simplex type 1 and varicella­zoster virus)   Others incorporate DNA into host cell DNA   I.e. HIV and oncogenic viruses (which cause cancer)  The Immune Response ­ Body’s two lines of defense:  Physical + chemical barriers (skin, mucus, stomach  acid) and internal barriers (immune response)  o Detects and identifies foreign substance o Communicates with other immune cells to rally organized response  o Recruits assistance and coordinates response  o Destroys/suppresses invader  ­ Not all invaders can be destroyed by body’s immune system, so all it can do is  control the damage and keep invaders from spreading  o i.e. tuberculosis bacteria, malaria parasites, herpes viruses etc.  ­ Antibodies and cytokines are protein messengers that are involved in immune  responses o Antibodies: proteins secreted by certain immune cells that bind antigens  and make them more visible to the immune system  o Cytokines: protein messengers released by one cell that affect the growth  or activity of another  ­ Human immune response is divided into two categories: innate immunity  o Innate immunity is present from birth and is body’s nonspecific immune  response to invasion   Slow response (minutes to hours)  since the nonspecific innate  response does not target a particular pathogen   Inflammation (red, warm, swollen area) is hallmark reaction of  innate immunity  o Acquired immunity: response is directed at specific invaders and is body’s  specific immune response   Immune cell membrane receptors that mediate acquired immunity  are highly specific  Specific immune response to a first exposure to pathogen may take  days. With repeated exposures, immune system remembers prior  exposure to pathogen and reacts more rapidly   Cell­mediated immunity uses contact­dependent signaling in which  an immune cell receptor binds to a receptor on its target cell  Humoral immunity = anti­body mediated immunity uses antibodies  to carry out immune response  ­ The innate response is the more rapid response, but does not target a specific  invader. Reinforced by antigen­specific acquired response  o Communication and coordination among all different pathways are vital  for maximum protective effect  Anatomy of the Immune System ­ Immune system is probably the least anatomically identifiable system of the body  because most of it is integrated into the tissues of other organs, such as skin and  GI tract o Consists of lymphoid tissues and cells responsible for immune response  ­ Lymphoid tissues are everywhere  o Two primary lymphoid tissues: thymus gland and bone marrow  ▯immune  response cells form and mature in them  Naïve cells need to mature and become specialized to respond to  pathogens. They need to be exposed to pathogen that they will  fight  o Secondary lymphoid tissues is where mature immune cells interact with  pathogens and initiate a response   Encapsulated lymphoid tissues are spleen and lymph nodes, since  both have outer walls formed from collagenous capsules  • Spleen contains immune cells positioned so that they  monitor the blood for foreign invaders. Phagocytic cells in  spleen also trap and remove aging RBC  • Lymph nodes: collections of immune cells that monitor the  lymph for pathogens  • Lymph is filtered fluid from capillaries that had entered  interstitial space. Lymph is picked up by lymphatic  capillaries and sent through nodes  • Inside lymph nodes, clusters of immune cells intercept  pathogens that have entered the interstitial fluid through  breaks in skin or through mucous membranes  ▯immune  cells in nodes help prevent their spread throughout body  ▯ swollen lymph nodes during times of sore throat or sinus  infection   Unencapsulated diffuse lymphoid tissues are aggregation of  immune cells that appear in other organs of the body, including  tonsils and gut­associated lymphoid tissue, as well as tissues  associated with skin/respiratory/urinary and reproductive tracts • These tissues contain immune cells positioned to intercept  invading pathogens before they enter circulation  • Higher density of immune system cells wherever it is most  likely to encounter antigens  ­ Leukocytes (WBC) mediate immunity, since they are primary cells responsible  for immune responses of body  o Larger than RBC, and not nearly as numerous   Function extravascularly (outside the vessels)  Can live in tissues for months, or for only hours or delays  o 6 Types of leukocytes: Eosinophils, basophils, neutrophils, monocytes,  lymphocytes/plasma cells, and dendritic cells  o  Different leukocytes can be distinguished from one another by  shape and size of nucleus, staining characteristics of cytoplasm,  cytoplasmic inclusions and regularity of the cell border  o Granulocytes: one of the morphological group of immune cells is; white  blood cells whose cytoplasm contains prominent granules   Basophil granules stain dark blue with basic alkaline dye   Eosinophil granules stain dark pink with acidic dye called eosin  Neutrophil granules do not stain darkly with standard blood stains  (neutral)  o Phagocytes: one functional group of leukocytes; white blood cells that  engulf and ingest their targets by phagocytosis  o Cytotoxic cells: functional group of leukocytes; kill cells they attack  o Antigen­presenting cells (APC): group of immune cells that display  fragments of foreign proteins on their cell surface o Macrophages are found in different tissues in the body, and known by  different names in each part. Collectively, the system is called the  mononuclear phagocyte system  ­ Basophils are easily recognized in stained blood smear, by large, dark blue  granules in their cytoplasm  o Very similar to mast cells of tissues  o Both release mediators that contribute to inflammation  o Granules contain histamine, heparin (anticoagulant)  o Concentrated in connective tissues of skin, lungs, and GI to intercept  pathogens ­ Neutrophils: phagocytic cells that typically ingest and kill 5­20 bacteria during  their lifespan of 1­2 days o Most abundant type of WBC  o Aka polymorphonuclear leukocytes because of segmented nucleus  o Release variety of cytokines, including fever­causing pyrogens, and  chemical mediators of inflammatory response  ­ Monocytes are the precursor cells of tissue macrophages, and are not very  common in blood. Lifespan of 8 hours o Some macrophages patrol tissues, while others are fixed in place  o Remove bacteria and larger particles like old RBC and dead neutrophils o They are antigen­presenting cells, so they play role in developing acquired  immunity   After they ingest and digest molecular or cellular antigens,  fragments of process antigen are inserted into macrophage  membrane as part of surface protein complexes   B­lymphocytes and dendritic cells act as antigen­presenting cells  as well  ­ Lymphocytes: key cells in acquiring immune response. Constitute 20­35% of all  WBC  o Mostly found in lymphoid tissues  o B­lymphocytes are responsible for antibody production  o T –lymphocytes and natural killer cells play role in defense against  intracellular pathogens, such as viruses  ­ Dendritic cells: antigen­presenting cells characterized by long, thin, processes that  resemble neuronal dendrites  o Found in skin  ▯called Langerhans cells in skin  o When they recognize and capture antigens, they migrate to secondary  lymphoid tissues, and present antigens to lymphocytes   Antigen binding activates the lymphocytes  Innate Immunity: Nonspecific Responses ­ Barriers are the body’s first line of defense  o Barriers = skin, mucous linings of GI and genitourinary tracts, and ciliated  epithelium of respiratory tract  o Digestive and respiratory systems are most vulnerable to microbial  invasion because these regions have extensive areas of thin epithelium in  direct contact with external environment  o In respiratory system, inhaled particulate matter is trapped by mucus  lining the upper respiratory system. Mucous is then transported upward on  mucociliary escalator to be expelled or swallowed  Pathogens that have been swallowed may be disabled by stomach  acid   Respiratory tract secretions contain lysozyme, an enzyme with  antibacterial activity. Cannot digest capsules of encapsulated  bacteria though  ­ Phagocytes ingest foreign material  o Innate immune response responds to pathogens, who got past physical  barriers, first   It has leukocytes, that have the ability to recognize molecules that  are unique to microorganism (pathogen­associated molecular  patterns, PAMPs) and initate appropriate response   PAMPs bind to leukocyte’s pattern recognition receptors (PRRs),  which activates nonspecific immune response  o Patrolling and stationary phagocytes are attracted to areas of invasion by  chemical signals known as chemotaxins   Bacterial toxins, cell wall components that act as PAMPs, or  products of tissue injury (fibrin and collagen fragment) act as  chemotoxins and mark the site that needs defending   Activated leukocytes fighting the invaders secrete their own  chemotoxins to bring additional leukocytes to the infection site  o If pathogen is in tissue, circulating phagocytes leave blood (extravasation)  by squeezing through pores in capillary endothelium   If area of infection attracts large number of phagocytes, pus may  form   Pus = collection of living and dead neutrophils and macrophages,  tissue fluid, cell debri and other remnants of immune process   Macrophages contain membrane receptors that recognize different  types of foreign particles  ▯Toll­like receptors (TLRs) • TLRs activate the cell to secrete inflammatory cytokines  • Phagocytes ingest unencapsulated bacteria, cell fragments,  carbon, asbestos particles o Phagocytosis: surface molecules on pathogen act as ligands and bind  directly to PRRs on phagocyte membrane  ▯zipper closing of ligand and  receptor  ▯phagocyte surrounds the unwanted foreign particle   Actin filaments push arms of phagocytic cell around the invader  o Phagosome: cytoplasmic vesicle that ingested particle ends up in   Phagosome fuse with intracellular lysosomes, which contain  chemicals (enzymes and oxidizing agents like H O , NO, and  O )  ­ 2 2 2 that destroy ingested pathogens  ­ Sometimes phagocytes cannot instantly recognize a foreign substance because it  lacks marker that react with phagocyte receptor o Ex. Bacteria may have evolved a polysaccharide capsule that mask their  surface markers  ▯encapsulated bacteria are more pathogenic  o Once recognized, immune system makes antibodies against them. Bacteria  are tagged with a coat of antibodies so phagocytes recognize them as  something to be ingested  o Opsonins: proteins that coat pathogens to make them targets for immune  cells; act as bridges between pathogens and phagocytes by binding to  receptors on the phagocytes  ­ NK cells kill infected and tumour cells  o NK cells = type of lymphocytes that participate in innate response against  viral infections   Respond more rapidly than other lymphocytes in response   Induce apoptosis to virus­infected cells  o NK cells secrete antiviral cytokines, like interferons (interfere with viral  replication).   Interferon­alpha and interferon­beta target host cells and promote  synthesis of antiviral proteins to prevent viral replication   Interferon­gamma activates macrophages and other immune cells  ­ Cytokines create inflammatory response  o Inflammation response has 3 steps in fighting spread of infection:  1) attracting immune cells and chemical mediators to the site  2) producing a physical barrier to retard the spread of infection  3) promoting tissue repair once the infection is under control  o Inflammatory response created when activated tissue macrophage release  cytokines   Chemicals attract other immune cells  ▯increase capillary  permeability, and cause fever   Immune cells attracted to site release their own cytokines  ▯positive   feedback  ­ Acute­phase proteins: liver proteins that act as opsonins and enhance the  inflammatory response. Also includes antiprotease molecules that help prevent  tissue damage, and C­reactive protein (CRP) o Elevated levels of acute­phase proteins cause chronic inflammatory  diseases, like rheaumatoid arthritis. Normally, they should decline to  normal levels as immune response proceeds  o Increased levels of CRP are associated with increased risk of coronary  heart disease   Atherosclerosis is an inflammatory process that begins when  macrophages in blood vessels ingest excess cholesterol and  become foam cells   Foam cells secrete CRP, other cytokines and growth factors  ­ Histamine is found primarily in granules of mast cells and basophils, and is active  molecule that helps initiate inflammatory response when mast cells degranulate  o Histamine brings more leukocytes to injury site to kill bacteria and remove  cellular debris  o Histamine opens pores in capillaries, allowing plasma proteins to escape  into interstitial space  ▯local edema  o Histamine dilates blood vessels increasing blood flow to the area  ▯hot,  red, swollen area around would or infection site  o Mast cells are concentrated under mucous membranes that line airways  and digestive tract, so the inhalation or ingestion of certain antigens can  trigger histamine release  ▯resultant edema in nasal passages leads to stuffy   nose due to seasonal pollen allergies   Antihistamines block action of histamine at its receptor and work  on allergies   Leukotrienes, platelet­activating factor, and prostaglandins work  with histamines to create bronchoconstriction and hypertension  characteristic of an anaphylactic shock  ­ Interleukin (IL): a group of cytokines whose AA sequence is known. Most  interleukins are releas
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