Antiviral Immune Response - Institut für Medizinische Immunologie

Antiviral Immune Response
Humanpathogene Viren
ssRNA viruses
use dsRNA stage
for replication
Virus infection and replication
Ligand
Receptor
HIV-gp120
CD4
EBV
CR2 (CD21)
Adsorption
release of nucleide acids
proteinsynthesis
Release
replication of
nucleide acids
Rhinovirus
ICAM-1 (CD54)
Chronic infection
• Hepatitis B virus
• Hepatits C virus
Herpesviruses
Clinical latency
Time
HIV
Phases of the immune response
Innate
Adaptive
Virus
B cell
Antibodies
Epithelial
barriers
Phagocytes
Complement
0
6
Time after infection
Effector T cell
T cell
NK cell
12
1
4
7
Abbas et. al., Cellular and Molecular Immunology
Was ist eine adäquate Immunreaktion
gegen virale Infektionen?
Erkennung
Initiation der
Immunantwort
Effektorfunktionen
zur Eliminierung
der Infektion
Phases of the immune response
Innate
Adaptive
Virus
B cell
Antibodies
Epithelial
barriers
Phagocytes
Complement
0
6
Time after infection
Effector T cell
T cell
NK cell
12
1
4
7
Abbas et. al., Cellular and Molecular Immunology
Innate defence
against viruses
NK cells
recognition
activation
Effector
function
phagocytes
complement
Activation of NK cells
Protection
“missing self”
“pathogen/danger”
NK cell activation depends on “missing self” and/or “pathogen/danger” recognition.
Raulet et. al., Nature Reviews Immunology. 2006
aktivierende oder inhibierende NK-Rezeptoren, die an MHC-I binden
•
Ig –Superfamilie:
KIR (killer cell immunoglobulin-like receptor)
2 Ig-Domänen
KIR2DL2
long→ inhib.
KIR2DS2
short → aktiv.
ITIMs
Viele Rezeptoren sind über eine elektrostatische Wechselwirkung der
Transmembranhelices mit signalgebenden Proteinen assoziiert. Ein
aktivierendes Signal wird meist über Tyrosinkinasen (zap70), ein
inaktivierendes über Tyrosin-Phosphatasen (z.B. SHP-I) vermittelt
•
C-type lectin superfamily; Heterodimere aus:
CD94/NKG2A-F (bei Mäusen gehört auch Ly49
dazu)
Annu. Rev. Immunol. 2005. 23:225–74
NK-cell effector functions: cytotoxicity
Natural cytotoxicity
perforin/granzyme
infected or stressed cell
Antibody-dependent
cellular cytotoxicity (ADCC)
IgG1, IgG3
perforin/granzyme
infected cell
Fas/TRAIL pathway
Effector mechanisms of cytotoxic T cells
Freisetzung von cytotoxischen Granula führt zur Apoptose der Zielzellen
•
Freisetzung von cytotoxischen Granula führt innerhalb von
einigen Minuten zur Apoptose der Zielzellen
Binding
•
(von geringerer Bedeutung) Apoptose über FasL (auch THZellen sind dazu in der Lage)
lethal hit
•
Freisetzung von Cytokinen: IFN-γ, TNF-α und LT-α (gehört zur
TNF-Familie) führen zur Aktivierung von Makrophagen
lysis of target cell
Perforin: hilft bei der Aufnahme von Granzymen in das
Cytosol der Zielzelle über Endozytose (Poren-unabhängiger Mechanismus durch Ca2+-Influx und Endozytose)
Granzyme: Serinproteasen, die in der Zielzelle die
Apoptose einleiten: Spaltung der Caspase-3; Spaltung
von bid (mitochondrialer Apoptoseweg) u. a.
Granulysin: antimikrobiell, kann Apoptose auslösen
(Ca2+-Einstrom ins Cytosol, Schädigung der
Mitochondrien)
Freisetzung der Granula gerichtet (immunologische
Synapse), benachbarte Zellen werden nicht geschädigt
CI-MPR = cation independent mannose-6-P-receptor
Russell, J.H. and Ley, T.H.: Lymphocyte-mediated
cytotoxicity; Annu. Rev. Immunol. 2002. 20:323–70
NK-cell effector functions: cytokine production (IFN-γ)
Amplification of inflammatory response:
enhanced IL-12 production by DCs
NK
Regulation of adaptive immune response:
enhanced Th1 differentiation
IFN-γ
lymph
node
IL-12
Th
Th1
IFN-γ
Pattern recognition receptors: TLRs
Herpes Simplex Virus
Human Cytomegalovirus
Measles virus
Lymphocytic
Choriomeningitis
Respiratory syncytial
virus (RSV)
Coxsackle virus
TLR2
Influenzavirus
Vesicular
stomatitis virus
TLR4
TLR9
TLR7/8
Reovirus
Rotavirus
TLR3
Cell surface
Endosome
Mal/TIRAP
MyD88
Mal/
TIRAP
MyD88
MyD88
MyD88
Trif
Tram,Trif
IRAK-1,IRAK-2,
IΚΚ α,β,γ
NF-κB
IL-6, IL-8, MCP-1, RANTES
TBK-1,
IΚΚε
IRF3/5/7
RIG-1 Helicase
IFNα/β, RANTES
Finberg RW et. al., Rev. Med. Virol., 2007
Von der angeborenen zur erworbenen Immunität:
Transport von Erregerbestandteilen zum Lymphknoten
TLR
Recognition of viral dsRNA by TLR3 and RIG-I
leads to induction of type 1 IFN
Das HCV NS3-Protein
hemmt die
Induktion von Typ I IFN
IFNα
IFNβ
IFNα/β inhibit viral replication
-
-
-
-
Typ-I Interferons (IFNα/β)
IFN-induced anti-viral proteins:
ds RNA-activated proteinkinase (PKR): phosphorylation of eIF2α
→ inhibition of protein synthesis
RNaseL, 2‘-5‘oligo(A)synthetase (IFN + dsRNA): degradation of mRNA
Mx-proteins: GTPasen, inhibit Influenza-, Measles-, Para influenza viruses
P200- proteins: inhibit cell cycle-regulating proteins and rRNA-synthesis
NO-synthetase: antiviral effects
Ubiquitin-metabolism: proteasomal degradation of viral proteins
Parakrine Hemmung der HCV Replikation durch IFNα/β
IFNα/β/λ
IFNα/β/λ R
RNAse L
TYK
JAK
2-5OA
Degradation of RNA
HCV core
HCV NS5A
IRF9
dsRNA
ssRNA
ISRE
PKR
(inactive)
HCV E1
HCV NS5A
PKR = RNA-dependent protein kinase
2-5OA = 2´-5´ oligoadenylate synthetase
PKR
(active)
eIF2-p
translation
HCV hemmt das
IFN-Signaling und
die PKR- Aktivierung
IFN-family
Virus
PAMPs
PRRs
(TLR3 RIG-I)
Inhibition
of viral
replikation
TH1
Tc
Enhancement
of Antigen
Presentation
NK
Induction
of iNOS
IFNα/β/λ and IFN-γ induce/enhance MHC-I and -II expression
MHC-I: HLA-A, B and C
MHC-II: HLA-DR, DP and DQ
Endogenous antigens
(self proteins, tumour antigens;
viral antigens)
Exogenous antigens
(bacteria, fungi etc.)
All cells
(containing a nucleus)
Antigen presenting cells (APCs)
(DCs, Macrophages, Monocytes,
B-cells)
recognized by
Cytotoxic T-lymphocytes
(CTLs, CD8+)
recognized by
T-Helper lymphocytes
(TH1/TH2, CD4+)
Erworbene Immunität:
Aktivierung von CD4+ T-Helfer-Zellen
Extrazelluläre
Erreger
Antigen präsentierende Zelle
• Extrazelluläre Erreger werden in endozytotischen Vesikeln prozessiert
und über MHC Klasse II Moleküle CD4+ T-Helfer-Zellen präsentiert.
• MHC Klasse II Moleküle werden nur von Antigen präsentierenden Zellen
exprimiert (Dendritische Zellen, Makrophagen, B-Zellen)
Erworbene Immunität:
Aktivierung von CD8+ zytotoxischen T-Zellen
Infizierte Zelle
viral
protein
Major
Histocompatibility
Complex
• Intrazelluläre Erreger werden durch das Proteasom prozessiert und
über MHC Klasse I Moleküle den CD8+ zytotoxischen T-Zellen präsentiert.
• MHC Klasse I Moleküle werden von allen Körperzellen exprimiert
HCMV Evasionsmechanismen
Herpesvirus, dsDNA
Interferenz mit
Antigenpräsentation
Pathogene Erreger
Vermehrung in Wirtsorganismen
und Freisetzung
Infektion
Wirtsorganismus
Verteidigungsstrategien gegen
die Eindringlinge
angeborene und adaptive Immunität
Problem: pathogene Erreger haben verschieden Strategien
entwickelt um der Abwehr des Wirtsorganismus
zu entgehen
→ „immune escape“ oder „immune evasion“
Änderungen der Antigenität
des pathogenen Erregers
Direkte Beeinflussung des
Immunsystems des Wirtes
Immundefizienz des Wirtes
genetisch, erworben oder induziert
1. Veränderung der Antigenität des pathogenen Erregers
Antigenvariabilität:
Antigentypen/Serotypen --> Typ- spezifische Immunität
Beispiel Streptococcus pneumoniae 84 verschiedene Stämme
Mutation von Oberflächenproteinen (Antigendrift)
Beispiel Influenza-Varianten
Mutationen, an zufälligen Genorten, können u.a. CD8+
Epitope betreffen (Erkennung wird ineffizent) oder
Selektionsvorteile für das Virus bedeuten
hohe Mutationsraten (RNA-Viren > DNA-Viren)
Antigenshift:
Kombination des Genoms verschiedener Viren
Beispiel segmentiertes RNA-Genom verschiedener Influenzaviren
(Mensch/Schwein/Vögel) kombiniert
Antigenvariabilität
durch Genumlagerungen
Beispiel hohe Variabilität der Oberflächenantigene von Trypanosoma
(Genumlagerung u. Expression schneller als AK-Bildung)
Phases of the immune response
Innate
Adaptive
Virus
B cell
Antibodies
Epithelial
barriers
Phagocytes
Complement
0
6
Time after infection
Effector T cell
T cell
NK cell
12
1
4
7
Abbas et. al., Cellular and Molecular Immunology
How can a non-infected DC activate a naive CD8+ CTL response ?
How can a non-infected DC activate a naive CD8+ CTL response ?
Cross presentation of antigens to CTLs
Antigen
capture
Cross
presentation
Infected cells
and viral
antigens picked
up by host APCs
Virusinfected cell
Dendritic cell
Viral antigen
Phagocytosed
infected cell
Costimulator
T cell
response
Virusspecific
CD8+ T cell
T
Antigenprozessierung - Kreuzpräsentation
“Licencing” of DCs and CTLs for cross priming
a) CD4+ Th cell – mediated
Licencing of DCs (CD40-CD40L)
→ Costimulation ↑(CD80/86; IL-2)
→ Cross-priming of naïve CTLs
Stimulation of CTLs via IL-2
b) Chemokine mediated
TLR→CCL3/4/5 o. NKT→CCL17/22
→ Recruitment of CTLs
→ Cross-priming of naïve CTLs
by licenced DCs
Knolle et.. al., Nature Reviews Immunology, 2010
CTLs - effector mechanisms
Infected
targed cell
Perforin/granzyme
mediated apoptosis
Apoptosos of
target cell
CD8+
CTL
Granzymes enter
cytoplasm via perforindependent mechanisms
→ activation of
apoptotic pathways
Granzyme
Perforin
Serglycine
FasL
Fas
FasL-Fas
mediated
apoptosis
FasL on CTL interacts
with Fas on target cell
Apoptosis of
target cell
Abbas et. al., Cellular and Molecular Immunology
Phases of the immune response
Innate
Adaptive
Virus
B cell
Antibodies
Epithelial
barriers
Phagocytes
Complement
0
6
Time after infection
Effector T cell
T cell
NK cell
12
1
4
7
Abbas et. al., Cellular and Molecular Immunology
B and T cells recognize Antigen in different ways
B-Lymphocytes
T-Lymphocytes
MHC !
Free (soluble) Antigen
„Antigen processing“
Antigen is presented to B cells by FDCs
FDC = follicular dendritic cell
- is not a „real“ DC
- develops from fibroblast/stroma
- does not present Ag via MHCII
- present soluble Ag
as immune compexes
via Fc- or Complement receptor
Complement activation and viral evasion
Complement
activation
Alternative
pathway
Early steps
Microbe
C3a
Antibody
Late steps
C3b is
deposited
on microbe
Classical
pathway
Mannose
binding lectin
Lectin
pathway
Membrane
attack complex
C5a
Effector
functions
HCMV: inactivation of the
C1-complex → no binding
on Virions or infected cells
C3a:
inflammation
Vaccinia:
interaction
with C4b2
C3b:
opsonization and
phagocytosis
HVS, EBV?:
Inhibition of C3b
C5a:
inflammation
Lysis of
microbe
HSV-1: Inhibition of C5
Abbas et. al., Cellular and Molecular Immunology
Humoral immune response:
activation and differentiation of B cells
Recognition
of antigen
B cell
proliferation and differentiation
Helper T cells,
other stimuli
Plasma
cell
Clonal
expansion
IgG-expressing
B cell
Resting
IgM+, IgD+
B cells
Antigen
Antibody
secretion
IgM
IgG
Isotype
switching
Activated
B cell
Naive
B cell
Abbas et. al., Cellular and Molecular Immunology
Affinity
maturation
High-affinity Igexpressing B cell
High
affinity IgG
Memory
B cell
Grundlagen der angeborenen und erworbenen Immunität, Institut für Medizinische Immunologie
B- and T-cell receptors recognize different parts of an antigen
Warum hatte Herr Jenner damit Erfolg?
CD4+
protein antigen
B cell receptor
(=antibody)
differentiation pathways of germinal centre B-cells
no signal at sIg -> apoptosis
CD27 (CD70-L)
sIg signal -> proliferation (centroblasts, dark zone)
CD40
OX40-L
ICOS-L
+ CD40L / ICOS
-> memory B-cells
+ CD40L / ICOS / OX40
–> short-lived plasma cells (2-4d)
+ CD40L / ICOS / CD70
(IL-10, IL-2)
+ BAFF from FDC
-> long-lived plasma cells (weeks)
Humoral immune response: effects of antibodies
Neutralization
of viruses and toxins
Phagocyte
B cell
Antibodies
Opsonization and
phagocytosis of microbes
Fcγ receptor
NK cell
Antibodydependent cellular
cytotoxicity
Lysis of microbes or
infected cells
Virus
Complement
activation
C3b
receptor
Phagocytosis of
microbes opsonized
with complement fragments
Inflammation
Abbas et. al., Cellular and Molecular Immunology
Natural antibodies
Limitation of initial viral dissemination
Marginal/sinusoidal zone
of lymphoid organs
Priming of the adaptive
immune system
Direct
neutralization
Natural
antibodies
Antigen recruitment to
secondary lymphoid organs
Immune-complex
formation
Activation of
complement
Complementmediated lysis of
infected cells
Removal of immune
complexed viruses after
binding to complement
receptors
T-cell-independent activation of
neutralizing B cells
Hangartner et.. al., Nature Reviews Immunology, 2006
Was ist eine adäquate Immunreaktion
gegen virale Infektionen?
Erkennung
Antigens
PAMPs + DAMPs
MICA
Initiation der
Immunantwort
Effektorfunktionen
zur Eliminierung
der Infektion
DC activation
IFN production
inflammation
Inhibition of
viral replication
Induction of
adaptive responses
Loss
of
MHCI
NK cell
activation
MHCI
T cell
activation
Killing of
infected cell
B cell
activation
neutralizing
antibodies
Chronic infection
• Hepatitis B virus
• Hepatits C virus
Herpesviruses
Clinical latency
Time
HIV
Fallbeispiel Hepatitis
Klinische Symptome
Akute Hepatitis
– Deutlich erhöhte
Transaminasen
(GPT>GOT; mind. 10x erhöht)
– Erhöhtes Bilirubin
• Sklerenikterus; allgemeiner
Ikterus
– Oberbauchbeschwerden,
Übelkeit
– Relativ plötzlicher Beginn der
Symptome
Chronische Hepatitis
• Oft symptomlos, Zufallsbefund
• Schleichend zunehmende
Beschwerden,
Müdigkeit, Leistungsabfall,
Appetitlosigkeit
– Hepatomegalie
– Transaminasen nur ca. 2-5x erhöht,
GPT>GOT (bei Zirrhose Umkehr)
– Bilirubin und AP normal
– Ferritin erhöht (vor allem HCV)
Akute versus chronische Infektion
HAV
starke Hepatitis
Ausheilung
Akute versus chronische Infektion
HAV
starke Hepatitis
Ausheilung
nicht + umhüllte Viren: cell lysis
Zell lysis –
massiver release von DAMPs
umhüllte Viren: budding + no lysis
kein Zelltod –
kein release von DAMPs
DAMPs (HMGB1, ATP)
PAMPs (dsRNA)
TLR4
TLR3
Inflammasome
TNFα, IL-1, IL-12
Activation of
TH1 and NK cells
Activation of
Tc cells
RIG-I
IFN-α/β
Hemmung
Virusreplikation
Viruselimination
Warum chronifiziert HCV nur in einigen Patienten ?
S. Suerbaum et al. (Hrsg.), Medizinische Mikrobiologie und Infektiologie,
DOI 10.1007/978-3-642-24167-3_53, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012
Unterschiede in individueller Immun“ausstattung“
e.g. SNPs in IFNλ
B7-1
B7-2
=
Chronic viral infections can cause
T cell exhaustion
CD80
CD86
Blocking of PD-L1
can restore
T cell activity
HCV pathogenesis
B. Rehermann: Pathogenesis of chronic viral hepatitis. Nature medicine 2013
Immunpathogenese
Normale Leber
Zytotoxische T-Zellen
+ NK-Zellen
töten infizierte Zellen
Nicht-Eliminierung des
Erregers triggert permanent
Entzündung und damit
Immunzellinfiltration + Aktivierung
HCV-infizierte
Leber
Chronische Entzündung kann
zu Tumoren führen
(z.B. durch permanente Radikalbildung)
Immunology and Cell Biology (2007) 85, 24–32. doi:10.1038/sj.icb.7100010; published online 28 November 2006
Therapie
Standard bis recently:
Kombination antiviral (Replikationshemmer = Ribavirin)
+ IFNα
Experimentell oder neu auf dem Markt:
andere Replikationshemmer !!, IFNλs, adoptiver T Zell Transfer
Neue Replikationshemmer führen
zur kompletten Eliminierung von HCV
JAMA. 2014;312(6):631-640. doi:10.1001/jama.2014.7085
Immunpathogenese
Normale Leber
Zytotoxische T-Zellen
+ NK-Zellen
töten infizierte Zellen
Nicht-Eliminierung des
Erregers triggert permanent
Entzündung und damit
Immunzellinfiltration + Aktivierung
HCV-infizierte
Leber
Chronische Entzündung kann
zu Tumoren führen
(z.B. durch permanente Radikalbildung)
Immunology and Cell Biology (2007) 85, 24–32. doi:10.1038/sj.icb.7100010; published online 28 November 2006
Therapie
Standard: Kombination von antiviral (Replikationshemmer = Ribavirin)
+ IFNα
experimentell: andere Replikationshemmer, IFNλs, adoptiver T cell transfer
Strategies of viral evasion
Immune-effector-mechanism
Virus
Complement
C-binding Protein
Interferon response
PKR inhibition
Immunoglobulins
viral Fc-Receptors
CTLs
MHC-I ↓
MHC/Peptide
Inhibition of peptide presentation
NK-cells
Pseudo-MHCI
Inflammation
viral IL-10
Effector pathways against viruses
Pathogen associated molecular patterns
(PAMPs)
Virus specific antigens (epitopes)
e.g. CMV-IE1
dsDNA; ssDNA, ssRNA, dsRNA
Innate immune system
(TLRs, RIG-family)
IFNα/β
NK cells
IFNγ
adaptive immune system
(TCR, antibodies)
Perforin
Granzyme B
antibodies
complement
Inhibition
of virus
replication
Enhancement
of immune
response
Killing of
infected cells
Killing of
Virus
Neutralization
of Virus