Det medfødte immunforsvaret

Immunforsvaret er kroppens samlede system for å oppdage, begrense og eliminere mikroorganismer og andre potensielle trusler, samtidig som kroppens eget vev bevares. Dette krever en balanse mellom effektiv respons og kontrollert regulering. Immunforsvaret er derfor organisert i flere nivåer som aktiveres sekvensielt og samarbeider tett.

En grunnleggende inndeling er mellom medfødt (innate) og adaptiv (ervervet) immunitet. Disse to delene er funksjonelt ulike, men biologisk tett integrert.

Det medfødte immunforsvaret er til stede fra fødselen og utgjør kroppens første aktive forsvar mot infeksjon. Responsen er rask og settes i gang minutter til timer etter at en mikrobe har passert kroppens ytre barrierer. Dette immunforsvaret gjenkjenner mikroorganismer gjennom faste mønstre som deles av mange ulike patogener, og reagerer derfor på en relativt begrenset, men effektiv måte.

Medfødt immunitet består av:

• fysiske og kjemiske barrierer
• medfødte immunceller
• løselige faktorer som komplement og cytokiner

Responsene inkluderer fagocytose, produksjon av antimikrobielle stoffer, inflammasjon og aktivering av signalveier som begrenser mikrobens spredning. Det medfødte immunforsvaret spiller også en avgjørende rolle i å forme og styre den adaptive immunresponsen.

Immunsystemet er anatomisk organisert i primære og sekundære lymfoide organer.

De primære lymfoide organene er steder der immunceller dannes og modnes. Dette inkluderer beinmarg, hvor alle immunceller har sitt opphav, og thymus, hvor T-lymfocytter gjennomgår modning og seleksjon.

De sekundære lymfoide organene er steder der immunresponsen aktiveres. Hit transporteres antigener og immunceller via blod og lymfe. I disse organene møtes antigenpresenterende celler og lymfocytter, noe som muliggjør aktivering, proliferasjon og differensiering av adaptive immunceller.

Kroppens barrierer

Før immunceller og inflammatoriske mekanismer aktiveres, møter mikroorganismer kroppens ytre forsvarssystemer. Disse barrierene utgjør det første og ofte mest effektive nivået av immunbeskyttelse. Så lenge barrierene er intakte, forhindres de fleste mikrober i å komme i kontakt med kroppens indre vev, og immunforsvaret trenger ikke aktiveres.

Barrierene består av anatomiske strukturer, kjemiske forhold og biologiske mekanismer som sammen skaper et ugunstig miljø for patogene mikroorganismer.

Hud

Huden er kroppens største organ og fungerer som en robust, fysisk barriere mot omverdenen. Det flerlagede plateepitelet danner en tett overflate som er vanskelig for mikrober å penetrere. I tillegg bidrar kontinuerlig avstøtning av døde hudceller til å fjerne mikroorganismer som har festet seg.

Hudens beskyttende effekt forsterkes av kjemiske faktorer. Talgkjertler produserer fettsyrer som senker pH og hemmer vekst av bakterier og sopp. Keratinocytter produserer også antimikrobielle peptider som kan skade mikrobielle cellemembraner. Samlet gjør dette huden til et miljø der få patogene mikrober trives.

Slimhinner

Slimhinner dekker kroppens indre overflater som er i kontakt med omgivelsene, blant annet i luftveier, mage-tarmkanal og urogenitaltraktus. Disse overflatene er mer sårbare enn huden, men kompenserer med aktive forsvarsmekanismer.

Epitelet produserer slim som fanger mikroorganismer og hindrer direkte kontakt med cellene under. I luftveiene transporteres slim kontinuerlig oppover ved hjelp av ciliebevegelse og fjernes ved hosting eller svelging. Dette bidrar til effektiv mekanisk rensing av luftveiene.

Munn og øvre luftveier

I munnhulen og svelget bidrar spytt til å skylle bort mikrober. Spytt inneholder enzymer, antimikrobielle peptider og proteiner som hemmer mikrobell vekst. Sammen med kontinuerlig væskestrøm og mekanisk bevegelse reduseres risikoen for kolonisering.

Mage og tarm

Magesekken representerer en svært effektiv kjemisk barriere. Den lave pH-verdien, sammen med fordøyelsesenzymer og galle, inaktiverer de fleste mikroorganismer som kommer inn via føde.

I tynntarmen bidrar fordøyelsesenzymer og antimikrobielle peptider til å begrense mikrobell vekst, samtidig som absorpsjon av næringsstoffer foregår. I tykktarmen er situasjonen annerledes, og her spiller normalfloraen en sentral rolle i beskyttelsen.

Normalflora og mikrobiota

Alle mennesker har en omfattende normalflora på hud og slimhinner, bestående av bakterier, virus og sopp. Sammensetningen varierer mellom ulike kroppsområder og påvirkes av alder, kosthold, livsstil og miljø. I fosterlivet er kroppen i utgangspunktet steril, men mikrobiota etableres raskt ved fødsel, blant annet gjennom kontakt med fødselskanalen.

Normalfloraen beskytter mot patogene mikrober ved å konkurrere om plass og næring. Dette gjør det vanskelig for sykdomsfremkallende mikroorganismer å etablere seg. Det skilles ofte mellom symbionte mikrober, som lever i gjensidig fordelaktig samspill med verten, patobionter, som kan bli skadelige ved overvekst, og patogene mikrober, som gir sykdom.

I tillegg har mikrobiota viktige metabolske funksjoner. Bakterier i tarmen bryter ned fiber og andre komponenter vi ikke selv kan fordøye, og produserer kortkjedede fettsyrer som smørsyre og eddiksyre. Disse fungerer som energikilde for tarmepitelceller, styrker slimhinnebarrieren og har betennelsesdempende effekter. Mikrobiota bidrar også til produksjon av vitaminer, blant annet vitamin B og K, samt signalstoffer som påvirker både immunforsvar og nervesystem.

Urogenitaltraktus og kjertler

I urinveiene bidrar kontinuerlig urinstrøm til mekanisk fjerning av mikroorganismer. I tillegg gir lav pH og antimikrobielle peptider beskyttelse, særlig i kvinnelig genitaltraktus.

Spytt-, tåre- og brystkjertler skiller ut væske som inneholder antimikrobielle proteiner og peptider. Disse sekretene beskytter slimhinner og reduserer risikoen for infeksjon lokalt.

Brudd i barrieren og aktivering av medfødt immunitet

Når kroppens ytre barrierer brytes, får mikroorganismer eller deres komponenter tilgang til vevet under epitelet. Dette markerer overgangen fra passiv beskyttelse til aktiv immunrespons. Det medfødte immunforsvaret er spesialisert for å oppdage denne typen situasjoner raskt og sette i gang mekanismer som begrenser infeksjonen og hindrer videre spredning. Brudd i barrieren kan oppstå ved mekanisk skade, som kutt eller stikkskader, men også ved mikrobiell invasjon gjennom slimhinner. Når dette skjer, kommer mikrober i kontakt med epitelceller, bindevev, endotel og immunceller som allerede befinner seg i vevet.

Gjenkjenning av fare i vev

Cellene i vevet uttrykker reseptorer som kan gjenkjenne både mikrobielle strukturer og signaler fra skadde celler. Når slike faresignaler oppdages, aktiveres intracellulære signalveier som fører til produksjon og frisetting av inflammatoriske mediatorer.

Dette inkluderer blant annet cytokiner, kjemokiner og vasoaktive substanser som påvirker både lokale celler og blodkarene i området. Endotelcellene i nærliggende blodårer responderer ved å øke uttrykket av adhesjonsmolekyler, noe som gjør det mulig for immunceller i blodet å binde seg og migrere inn i vevet.

Inflammasjon er en sentral del av den medfødte immunresponsen. Den kjennetegnes av økt blodgjennomstrømning, økt vaskulær permeabilitet og rekruttering av immunceller til infeksjonsstedet. Disse prosessene gjør det lettere for plasma-proteiner og leukocytter å nå området der mikrober befinner seg.

Nøytrofile granulocytter er ofte de første cellene som rekrutteres fra blodet. De etterfølges av monocytter, som i vevet kan differensiere til makrofager. Sammen bidrar disse cellene til fagocytose og destruksjon av mikroorganismer, samtidig som de produserer signalstoffer som forsterker og regulerer responsen.

I tillegg til celler spiller løselige faktorer en viktig rolle når barrieren brytes. Komplementsystemet kan aktiveres direkte av mikrobielle strukturer og føre til opsonisering, kjemotakse og i noen tilfeller direkte lyse av mikrober. Andre proteiner og peptider i vevet bidrar til å hemme mikrobell vekst og støtte fagocytose.

Disse mekanismene fungerer parallelt og forsterker hverandre, slik at responsen raskt kan tilpasses alvorlighetsgraden av infeksjonen.

Selv om inflammasjon er avgjørende for å bekjempe infeksjoner, er den også potensielt vevsskadelige. Økt permeabilitet, frisetting av reaktive oksygenforbindelser og proteolytiske enzymer kan skade kroppens egne celler dersom responsen blir for kraftig eller langvarig.

Det er derfor avgjørende at den medfødte immunresponsen reguleres og avsluttes når trusselen er eliminert. Manglende nedregulering kan føre til vedvarende inflammasjon og utvikling av kroniske betennelsestilstander.

Celler i det medfødte immunforsvaret

Det medfødte immunforsvaret består av flere celletyper med ulike, men komplementære funksjoner. Disse cellene er spesialisert for rask gjenkjenning av fare, fagocytose, produksjon av signalmolekyler og direkte destruksjon av mikroorganismer eller infiserte celler. For å forstå hvordan disse cellene fungerer, er det nyttig å starte med hvor de kommer fra.

Hematopoiese og progenitorceller

Alle immunceller har sitt opphav i hematopoietiske stamceller i beinmargen. Disse stamcellene har evne til både selvfornyelse og differensiering, og gir opphav til alle celler i blodet og immunforsvaret gjennom en nøye regulert utviklingsprosess.

Tidlig i denne prosessen deles utviklingen i to hovedlinjer: den myeloide og den lymfoide progenitorlinjen. Denne inndelingen er funksjonell og reflekterer hvilke celletyper som dannes videre.

Den myeloide progenitorcellen gir opphav til flertallet av cellene i det medfødte immunforsvaret. Dette inkluderer granulocytter, monocytter, makrofager, mastceller og de fleste dendrittiske celler. Disse cellene er særlig viktige i den tidlige fasen av immunresponsen og er tett knyttet til inflammasjon og fagocytose.

Den lymfoide progenitorcellen gir opphav til B- og T-lymfocytter, men også til enkelte celletyper som regnes som en del av det medfødte immunforsvaret, særlig NK-celler og innate lymfoide celler. Selv om disse cellene deler opphav med adaptive immunceller, mangler de antigenspesifikke reseptorer og responderer raskt uten behov for tidligere eksponering.

Etter differensiering i beinmargen vil mange immunceller sirkulere i blodet, mens andre vandrer ut i vev hvor de etablerer seg som vevsresidente celler. Dette gjelder blant annet makrofager og mastceller, som ofte finnes strategisk plassert i vev som er utsatt for mikrobell eksponering.

Denne organiserte utviklingen sikrer at kroppen til enhver tid har tilgang på både sirkulerende og vevsbundne immunceller som raskt kan reagere ved brudd i barrieren.

Myeloide celler

Myeloide celler utgjør hovedtyngden av cellene i det medfødte immunforsvaret. De er sentrale i den tidlige responsen mot infeksjon og vevsskade, og har roller innen fagocytose, inflammasjon, signalformidling og vevsopprydding. Flere av disse cellene sirkulerer i blodet, mens andre hovedsakelig finnes i perifert vev.

Nøytrofile granulocytter

Nøytrofile granulocytter er den mest tallrike leukocytten i blodet og er ofte de første cellene som rekrutteres til et infeksjonssted. De har kort levetid, vanligvis bare timer til få dager, men produseres kontinuerlig i store mengder i beinmargen.

Hovedfunksjonen til nøytrofile er fagocytose og destruksjon av mikroorganismer, særlig bakterier og sopp. De inneholder cytoplasmatiske granula fylt med enzymer og antimikrobielle stoffer som raskt kan frigjøres. Etter fagocytose dannes et fagolysosom der mikroben utsettes for reaktive oksygen- og nitrogenforbindelser samt proteolytiske enzymer.

Nøytrofile kan også bidra til immunforsvaret gjennom NETose, der ekstracellulære DNA-nett fanger og uskadeliggjør mikrober. Selv om dette er effektivt mot infeksjon, kan overdreven NET-dannelse bidra til vevsskade og trombedannelse.

Monocytter og makrofager

Monocytter sirkulerer i blodet og fungerer som forløperceller for makrofager og enkelte dendrittiske celler. Når monocytter forlater blodbanen og går ut i vev, differensierer de videre avhengig av vevstype og lokale signaler.

Makrofager er langlivede, vevsresidente celler med flere viktige funksjoner. De er effektive fagocytter og spiller en sentral rolle i å fjerne både mikroorganismer, døde celler og cellulært avfall. I tillegg produserer de cytokiner og kjemokiner som regulerer inflammasjon og rekrutterer andre immunceller.

Makrofager deltar også i antigenpresentasjon og fungerer som et bindeledd mellom medfødt og adaptiv immunitet. I mange vev finnes det spesialiserte makrofager, som alveolære makrofager i lungene og Kupffer-celler i leveren, tilpasset lokale behov.

Dendrittiske celler (myeloide)

Myeloide dendrittiske celler er profesjonelle antigenpresenterende celler som er spesielt effektive til å aktivere T-lymfocytter. De finnes i perifert vev der de kontinuerlig overvåker miljøet for tegn til infeksjon eller skade.

Ved gjenkjenning av fare via mønstergjenkjennende reseptorer tar dendrittiske celler opp antigen og gjennomgår modning. Under denne prosessen migrerer de til sekundære lymfoide organer, der de presenterer antigen for naive T-celler og bidrar til å initiere adaptiv immunrespons.

Samtidig produserer de cytokiner som påvirker hvilken type adaptiv respons som utvikles.

Eosinofile granulocytter

Eosinofile granulocytter kjennetegnes av store, grove granula i cytoplasma og er særlig involvert i forsvar mot parasitter, spesielt flercellede organismer som helminter. De deltar også i allergiske reaksjoner.

Antallet eosinofile øker ofte ved allergi og parasittinfeksjoner. De kan binde antistoffer og frigjøre toksiske substanser som skader parasitter, men disse stoffene kan også bidra til vevsskade ved overaktivitet.

Basofile granulocytter

Basofile granulocytter er sjeldne i blodet og inneholder mørke, basofile granula. De er involvert i allergiske reaksjoner og har funksjonelle likheter med mastceller.

Basofile uttrykker høyaffinitetsreseptorer for IgE og kan aktiveres ved kryssbinding av IgE bundet til antigen. Ved aktivering frigjør de histamin og andre mediatorer som bidrar til vasodilatasjon og økt vaskulær permeabilitet.

Mastceller

Mastceller er vevsresidente immunceller som spiller en sentral rolle i tidlige immunreaksjoner, særlig ved vevsskade, infeksjon og allergiske responser. I motsetning til mange andre immunceller sirkulerer de ikke ferdig utviklet i blodet. Forløperne deres dannes i beinmargen, men modningen fullføres først etter at de har migrert ut i perifert vev.

Mastceller finnes særlig i vev som er i tett kontakt med omgivelsene, som hud, luftveier, tarm og rundt blodårer og nerver. Denne plasseringen gjør dem godt egnet til å reagere raskt på mikrober, vevsskade og fremmede stoffer.

Mastceller uttrykker flere typer reseptorer som gjør dem i stand til å oppdage både mikrober og signaler fra skadde celler. De kan aktiveres direkte av mønstergjenkjennende reseptorer som gjenkjenner PAMP og DAMP, men også indirekte via løselige faktorer i vevet.

Viktige aktiveringsmekanismer inkluderer:

• komplementfragmentene C3a og C5a
• binding av IgE bundet til allergen
• mikrobielle strukturer og vevsskadesignaler

Når en mastcelle aktiveres, gjennomgår den rask degranulering, der ferdigpakkede vesikler tømmes ut i vevet.

De mest sentrale stoffene som frigjøres fra mastceller er histamin og andre vasoaktive mediatorer. Histamin fører til utvidelse av blodkar og økt permeabilitet i postkapillære venyler. Dette gjør at væske, plasmaproteiner og immunceller lettere kan forlate blodbanen og komme inn i vevet.

Histamin virker også på nerveender og bidrar til smerte, kløe og ubehag, noe som ofte følger inflammasjon. Disse reaksjonene er lokale og bidrar til å rette immunresponsen mot det aktuelle området.

Mastceller produserer også cytokiner og lipidmediatorer som forsterker og former den videre immunresponsen.

Ved infeksjon bidrar mastceller til rask mobilisering av immunforsvaret ved å øke blodgjennomstrømning og tiltrekke fagocytter. Ved allergiske reaksjoner kan den samme mekanismen gi kraftige symptomer, fordi IgE-mediert aktivering utløser omfattende histaminfrigjøring.

Dermed representerer mastceller et tydelig eksempel på hvordan de samme mekanismene som beskytter mot infeksjon også kan bidra til sykdom dersom de aktiveres feil eller for sterkt.

Lymfoide celler i det medfødte immunforsvaret – NK-celler

Selv om de fleste cellene i det medfødte immunforsvaret stammer fra den myeloide utviklingslinjen, finnes det også viktige bidrag fra den lymfoide linjen. Den viktigste av disse er NK-cellen (natural killer-celle).

NK-celler er cytotoksiske lymfocytter som er spesialisert for å drepe kroppens egne celler når disse er blitt farlige, særlig ved virusinfeksjon eller kreftutvikling. I motsetning til T-celler trenger ikke NK-celler å gjenkjenne et spesifikt antigen for å bli aktive. De responderer raskt og regnes derfor som en del av det medfødte immunforsvaret.

NK-cellers viktigste oppgave er å overvåke kroppens egne celler og vurdere om de er normale eller skadet. Dette skjer ved en balanse mellom aktiverende og hemmende signaler på celleoverflaten.

En sentral mekanisme er gjenkjenning av MHC klasse I. Friske kroppsceller uttrykker MHC I på overflaten, og dette gir et hemmende signal til NK-celler som forteller at cellen er normal. Mange virusinfiserte celler og kreftceller mister eller reduserer MHC I-uttrykket. Når dette skjer, faller det hemmende signalet bort, og NK-cellen aktiveres.

Dette prinsippet gjør at NK-celler effektivt kan identifisere celler som forsøker å unngå det adaptive immunforsvaret ved å skjule antigenpresentasjon. Når en NK-celle aktiveres, frigjør den cytotoksiske granula mot målcellen. Disse inneholder blant annet perforin og granzym. Perforin lager porer i målcellemembranen, mens granzymene trenger inn og utløser programmert celledød.

NK-celler produserer også cytokiner, særlig interferon-gamma, som aktiverer makrofager og styrker den antivirale immunresponsen.

NK-celler utgjør et viktig bindeledd mellom medfødt og adaptiv immunitet. De gir rask kontroll over virusinfeksjoner før den adaptive immunresponsen rekker å etablere seg, og bidrar samtidig til å forme den videre immunaktiveringen gjennom cytokiner. Dermed bidrar NK-celler både til direkte forsvar og til koordinering av det samlede immunresponsen.

Gjenkjenning av fare, pattern recognition

For at det medfødte immunforsvaret skal kunne reagere raskt og målrettet, må det kunne skille mellom normale kroppsceller og det som representerer en trussel. Dette gjøres gjennom et sett av molekylære gjenkjenningsmekanismer som kalles pattern recognition. Prinsippet er at immunceller ikke gjenkjenner individuelle mikrober, men faste biologiske mønstre som er karakteristiske for mikrobielt liv eller for celleskade.

Disse mønstrene oppdages av pattern recognition receptors (PRRs), som finnes både på celleoverflater, i intracellulære rom og som løselige proteiner i vev og blod.

PAMP

PAMP står for pathogen-associated molecular patterns. Dette er molekylære strukturer som finnes hos mikroorganismer, men ikke hos menneskets egne celler. De er som regel essensielle for mikrobens overlevelse, og derfor sterkt bevart gjennom evolusjonen.

Eksempler på PAMP er:

• lipopolysakkarid i gramnegative bakterier
• peptidoglykan og lipoproteiner i bakterielle cellevegger
• flagellin i bakterielle flageller
• viralt RNA og DNA med karakteristiske strukturer

Fordi disse strukturene er nødvendige for mikrobens funksjon, kan de ikke enkelt muteres bort uten at mikroben mister evnen til å leve eller infisere. Dette gjør PAMP til stabile og pålitelige faresignaler for immunsystemet.

DAMP

I tillegg til mikrober må immunforsvaret kunne oppdage vevsskade. Dette skjer gjennom DAMP, damage-associated molecular patterns. Dette er kroppens egne molekyler som under normale forhold befinner seg inne i celler eller i bestemte rom, men som ved skade frigjøres eller kommer på feil sted.

Eksempler på DAMP inkluderer:

• fritt DNA eller RNA i cytosol
• oksiderte lipider
• stressinduserte proteiner
• fragmenter av døde eller nekrotiske celler

Når slike molekyler opptrer utenfor sin normale kontekst, tolkes det som et tegn på fare. Dette kan være infeksjon, traume, iskemi eller toksisk skade.

Pattern recognition receptors (PRRs)

PRRs er reseptorer som er spesialisert for å gjenkjenne PAMP og DAMP. De uttrykkes på og i celler i det medfødte immunforsvaret, som makrofager, dendrittiske celler, nøytrofile og mastceller, men også på mange vevsceller.

Når en PRR binder sitt ligand, enten et PAMP eller et DAMP, aktiveres intracellulære signalveier som fører til:

• produksjon av cytokiner og kjemokiner
• aktivering av fagocytose
• oppregulering av kostimulatoriske molekyler
• igangsetting av inflammasjon
• aktivering av antiviral og antibakteriell respons

Det medfødte immunforsvaret gjenkjenner et begrenset antall slike mønstre, men kombinasjonen av ulike PRRs og signalveier gjør at responsen kan tilpasses typen trussel. Dette gjør det mulig å skille mellom bakterier, virus, parasitter og vevsskade, og å starte den mest hensiktsmessige immunreaksjonen.

Typer pattern recognition receptors (PRRs) og deres lokalisering

Pattern recognition receptors finnes i flere former og på ulike steder i og rundt cellene. Denne organiseringen gjør at det medfødte immunforsvaret kan oppdage mikrober både utenfor celler, i endocytotiske vesikler og inne i cytosol. Sammen gir dette et helhetlig overvåkningssystem.PRRs deles funksjonelt inn i tre hovedgrupper: løselige, transmembrane og cytosoliske reseptorer.

Løselige PRRs

Løselige PRRs finnes fritt i blod, lymfe og vevsvæske. De binder mikrobielle strukturer direkte og fungerer som koblingsledd mellom mikrober og fagocytter. Når de binder en mikrobe, virker de som opsoniner, som betyr at de merker mikroben for fagocytose.

Viktige løselige PRRs inkluderer C-reaktivt protein (CRP), mannosebindende lektin (MBL), fikoliner og komplementfaktorer. Når disse binder mikrobielle strukturer, blir mikroben mer synlig for fagocytter, som uttrykker reseptorer for opsoniner. Denne indirekte gjenkjenningen gjør fagocytose mer effektiv, særlig når mikrobene ikke gjenkjennes direkte av cellebundne reseptorer.

Transmembrane PRRs

Transmembrane PRRs er reseptorer som sitter i cellemembranen eller i membraner til intracellulære vesikler. Den viktigste gruppen er Toll-like reseptorer (TLRs), men også C-type lektiner (CLRs) inngår her.

TLRs som sitter i plasmamembranen gjenkjenner strukturer på mikrobers overflate, som lipoproteiner, flagellin og lipopolysakkarid. Andre TLRs er lokalisert i endosomer og gjenkjenner nukleinsyrer fra mikrober som er tatt opp ved fagocytose eller endocytose.

CLRs gjenkjenner karbohydratstrukturer på overflaten av mange bakterier og sopp og bidrar både til fagocytose og signalering. Disse reseptorene gir informasjon om hva slags mikrobe som er til stede og hvor den befinner seg.

Cytosoliske PRRs

Cytosoliske PRRs overvåker innsiden av cellen. De oppdager mikrober som har kommet inn i cytosol, eller mikrobielle produkter som har lekket ut fra vesikler.

Blant disse finnes:

• NOD-like reseptorer (NLRs), som gjenkjenner bakterielle komponenter og signaler på cellulær stress
• RIG-like reseptorer (RLRs), som gjenkjenner viralt RNA
• cytosoliske DNA-sensorer, som oppdager DNA der det ikke skal finnes

Disse reseptorene er særlig viktige for antiviral immunitet og for aktivering av inflammasomer.

At PRRs finnes på forskjellige steder i og rundt cellen er ikke tilfeldig. Overflatereseptorer oppdager mikrober før de trenger inn i cellen. Endosomale reseptorer gjenkjenner det som tas opp ved fagocytose. Cytosoliske reseptorer reagerer på mikrober som har brutt seg helt inn i cellen.

Toll-like reseptorer (TLR)

Mennesket har 10 Toll-like reseptorer (TLR1–TLR10). Disse uttrykkes hovedsakelig på celler i det medfødte immunforsvaret, som makrofager, dendrittiske celler, nøytrofile og mastceller, men også på mange epitelceller. Hver TLR er spesialisert for å gjenkjenne bestemte typer mikrobielle strukturer. Samlet gjør dette at immunforsvaret kan skille mellom bakterier, virus, sopp og parasitter basert på molekylære signaturer.

TLR er lokalisert der de mest effektivt kan oppdage sine ligander:

• På celleoverflaten når de gjenkjenner strukturer på mikrobens overflate
• I endosomer når de gjenkjenner nukleinsyrer fra mikrober som er tatt opp i cellen

Alle Toll-like reseptorer har samme grunnleggende struktur. Den delen som vender ut mot utsiden av cellen eller inn i endosomet er et hesteskoformet domene som binder liganden. Dette domenet er bygget av leucin-rike repeterende strukturer som er godt egnet til å binde mikrobielle molekyler.

Den intracellulære delen består av et TIR-domene (Toll-IL-1 receptor domain). Dette domenet er helt avgjørende for signaloverføring. Når en TLR binder sitt ligand, vil TIR-domenet rekruttere adapterproteiner som setter i gang intracellulære signalveier. De fleste TLR fungerer som dimere. Når to reseptorer bindes sammen av et ligand, bringes TIR-domenene nær hverandre og signalering kan starte.

Hvordan TLR aktiveres

Når en Toll-like reseptor møter sitt ligand, for eksempel et bakterielt eller viralt PAMP, binder dette molekylet seg til den ytre delen av reseptoren. Denne bindingen gjør at to TLR-molekyler trekkes sammen og danner et dimerkompleks. Denne sammensetningen er avgjørende, fordi det er først når reseptorene står tett sammen at signalet kan sendes videre inn i cellen.

På innsiden av cellemembranen ligger TLR-enes TIR-domener. Når reseptorene dimeriserer, bringes disse TIR-domenene i riktig posisjon til å kunne fungere som plattformer for videre signalering. De binder da spesielle adapterproteiner, først og fremst MyD88 eller TRIF, avhengig av hvilken TLR som er aktivert.

Disse adapterproteinene fungerer som koblingsledd mellom reseptoren og cellens indre signalnettverk. Når de binder til TIR-domenet, starter de en kjede av enzymatiske reaksjoner der proteiner aktiveres, fosforyleres og settes sammen i større komplekser. Denne signalkaskaden forplanter seg fra cellemembranen og helt inn til cellekjernen.

I cellekjernen aktiveres transkripsjonsfaktorer som styrer hvilke gener som slås på. Det er disse genene som koder for cytokiner, interferoner og andre immunologiske mediatorer. På denne måten oversettes gjenkjenningen av et mikrobielt mønster på celleoverflaten til en målrettet biologisk respons i form av betennelse, antiviral aktivitet eller aktivering av andre immunceller.

TLR-signalveier: NF-κB og type I interferoner

Når en Toll-like reseptor aktiveres av et mikrobielt molekyl, er ikke målet bare å «slå på immunforsvaret». Cellen må også forstå hva slags trussel den står overfor. En bakterie, et virus og en parasitt krever ulike typer respons. Dette løses gjennom TLR-enes signalveier.

Alle TLR-er starter med det samme prinsippet: et mikrobielt PAMP binder reseptoren, TLR-ene dimeriserer, og adapterproteiner som MyD88 eller TRIF kobles på TIR-domenet. Derfra sendes signalet videre inn i cellen via en kaskade av enzymer som fosforylerer og aktiverer hverandre.

Den felles signalveien, inflammasjon

Uavhengig av hvilken TLR som aktiveres, går de fleste signalene inn i en felles kjerne av signalveier som aktiverer transkripsjonsfaktoren NF-κB og MAP-kinaser. Når NF-κB aktiveres, går den inn i cellekjernen og skrur på gener som koder for:

• TNF
• IL-1
• IL-6
• kjemokiner
• adhesjonsmolekyler på endotel

Dette er molekylene som skaper inflammasjon: økt blodstrøm, lekkasje fra blodårer og rekruttering av immunceller til infeksjonsstedet. Denne delen av TLR-responsen sørger for at vevet blir fylt med fagocytter og antimikrobielle mekanismer.

De spesifikke signalveiene som er tilpasset type patogen

I tillegg til denne felles inflammatoriske responsen kan enkelte TLR-er aktivere mer spesialiserte signalveier. Dette gjelder særlig TLR-er som gjenkjenner virale nukleinsyrer, som TLR3, TLR7, TLR8 og TLR9.

Disse TLR-ene aktiverer transkripsjonsfaktorer som heter IRF-er (interferon regulatory factors), spesielt IRF3 og IRF7. Når disse aktiveres, går de inn i cellekjernen og induserer produksjon av type I interferoner, hovedsakelig IFN-α og IFN-β.

Type I interferoner gjør flere ting:

• de hemmer virusreplikasjon i infiserte og naboceller
• de øker antigenpresentasjon
• de aktiverer NK-celler
• de forsterker antiviral immunitet

Dermed skaper TLR-signaleringen et antiviralt miljø rundt infeksjonsstedet. TLR-signalveier gjør at det medfødte immunforsvaret ikke bare reagerer, men reagerer riktig. En bakterieinfeksjon gir først og fremst inflammasjon og rekruttering av fagocytter via NF-κB.
En virusinfeksjon gir i tillegg et kraftig interferonsvar som bremser virusspredning og aktiverer NK-celler.

Denne koblingen mellom gjenkjenning og riktig type respons er avgjørende. Når disse signalveiene svikter, som ved genetiske defekter i MyD88 eller IRAK4, får pasienter alvorlige infeksjoner fordi immunforsvaret ikke får startet de riktige programmene.

Genetisk defekt i MyD88 og IRAK4

MyD88 og IRAK4 er sentrale komponenter i signalveien som kobler Toll-like reseptorer og IL-1-reseptoren til aktivering av NF-κB og inflammasjon. Når en TLR gjenkjenner et mikrobielt mønster, er det MyD88 som først binder seg til TIR-domenet, og IRAK4 som deretter aktiverer den videre signaloverføringen.

Hos noen mennesker finnes det arvelige mutasjoner som inaktiverer MyD88 eller IRAK4. Disse pasientene har da et alvorlig sviktende signalapparat i det medfødte immunforsvaret. De fleste TLR-ene, samt IL-1-reseptoren, klarer ikke å aktivere NF-κB og andre inflammatoriske signalveier på normalt vis.

Konsekvensen er at infeksjoner ikke utløser tilstrekkelig produksjon av cytokiner som TNF, IL-1 og IL-6. Blodkarene reagerer dårligere, færre nøytrofile rekrutteres til infeksjonsstedet, og den lokale inflammasjonen blir svak.

Klinisk gir dette særlig alvorlige infeksjoner med bakterier som Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae og Pseudomonas aeruginosa hos barn. Disse bakteriene krever rask og kraftig medfødt immunrespons for å holdes i sjakk, og uten fungerende MyD88-IRAK4-signalering blir infeksjonene livstruende. Interessant nok får voksne med samme genetiske defekter ofte færre alvorlige infeksjoner. Dette skyldes at andre deler av immunforsvaret, særlig den adaptive immuniteten og andre PRR-systemer, delvis kan kompensere over tid.

Nukleinsyrer som faresignal

I friske celler er DNA og RNA strengt organisert. DNA finnes i cellekjernen og i mitokondrier, mens RNA hovedsakelig finnes i cytosol og ribosomer som en del av cellens normale proteinsyntese. Denne romlige organiseringen er så stabil at immunforsvaret kan bruke den som en grunnleggende regel: nukleinsyrer på feil sted betyr fare.

Når virus infiserer en celle, bringer de med seg sitt eget RNA eller DNA, og under virusreplikasjon oppstår det store mengder nukleinsyrer med strukturer som skiller seg fra kroppens egne. Disse kan finnes i endosomer etter opptak av viruspartikler, eller direkte i cytosol etter at virus har trengt inn i cellen. For immunsystemet representerer dette et svært pålitelig signal på infeksjon.

Det medfødte immunforsvaret har derfor utviklet flere uavhengige systemer for å oppdage nukleinsyrer på steder der de ikke skal være. Noen reseptorer sitter i endosomer og registrerer viralt materiale som er tatt opp fra utsiden. Andre finnes i cytosol og overvåker cellens indre for tegn på virus eller intracellulære bakterier. I tillegg finnes egne sensorer for DNA i cytosol, som normalt aldri forekommer der.

Denne måten å bruke nukleinsyrer som faresignal på gjør at immunforsvaret kan oppdage virus svært tidlig, ofte før det oppstår omfattende celleskade. Det er også grunnen til at virus i stor grad har utviklet mekanismer for å skjule eller deaktivere nettopp disse sensorene.

Endosomal virusgjenkjenning: TLR3, TLR7, TLR8 og TLR9

Når virus kommer inn i kroppen, tas mange av dem opp i celler ved endocytose eller fagocytose. De havner da i membranavgrensede rom inne i cellen, kalt endosomer. I disse rommene brytes viruspartikler gradvis ned, og deres nukleinsyrer blir eksponert. Dette gir immunforsvaret en mulighet til å oppdage virus før de rekker å slippe sitt genetiske materiale ut i cytosol.

I endosommembranen sitter en gruppe Toll-like reseptorer som er spesialisert for nettopp denne oppgaven. TLR3, TLR7, TLR8 og TLR9 gjenkjenner ulike former for viralt DNA og RNA og fungerer som tidlige sensorer for virusinfeksjon.

TLR3 gjenkjenner dobbelttrådet RNA, en struktur som ofte dannes under replikasjon av mange virus. TLR7 og TLR8 gjenkjenner enkelttrådet RNA med bestemte sekvensmønstre som er vanlige i virus, men sjeldne i humane RNA-molekyler. TLR9 gjenkjenner DNA som inneholder spesifikke CpG-motiver, som er vanlige i bakterier og virus, men relativt sjeldne i menneskets eget genom.

Når disse TLR-ene binder sine ligander i endosomet, aktiveres intracellulære signalveier som fører til aktivering av både NF-κB og interferon-regulatoriske faktorer. Resultatet er produksjon av inflammatoriske cytokiner og, særlig viktig ved virusinfeksjon, type I interferoner.

Type I interferoner skaper et antiviralt miljø i vevet. De gjør naboceller mindre mottakelige for virus, øker nedbrytning av viralt RNA, og aktiverer NK-celler som kan drepe infiserte celler. Dermed begrenses virusets evne til å spre seg allerede tidlig i infeksjonen. Denne endosomale gjenkjenningsmekanismen er særlig viktig i celler som tar opp mye ekstracellulært materiale, som dendrittiske celler og makrofager, og gir immunforsvaret et første varsel om virus i kroppen.

Cytosolisk RNA-gjenkjenning – RIG-I og MDA-5

Ikke alle virus forblir i endosomer. Mange virus slipper sitt RNA direkte ut i cytosol etter at de har kommet inn i cellen. Når dette skjer, er ikke endosomale Toll-like reseptorer lenger nok. Cellen trenger et system som overvåker sitt indre.

Denne oppgaven utføres av RIG-I-lignende reseptorer (RLRs), hovedsakelig RIG-I og MDA-5. Disse er proteiner som ligger fritt i cytosol og kontinuerlig «skanner» RNA-molekyler som finnes der.

RIG-I og MDA-5 gjenkjenner strukturelle trekk ved viralt RNA som skiller seg fra kroppens eget RNA. Dette kan være uvanlig lange RNA-tråder, dobbelttrådede RNA-segmenter eller RNA med spesielle ender som ikke finnes i humane mRNA-molekyler. Når slike strukturer oppdages, tolkes det som et sikkert tegn på virusreplikasjon inne i cellen.

Når RIG-I eller MDA-5 binder viralt RNA, endrer de form og aktiveres. De overfører deretter signalet til et protein på mitokondriemembranen som heter MAVS. MAVS fungerer som en sentral signalplattform som setter i gang en kaskade av reaksjoner inne i cellen.

Denne signalveien aktiverer de samme interferon-regulatoriske faktorene som TLR3 og TLR7–9, særlig IRF3 og IRF7, samt NF-κB og AP-1. Resultatet er kraftig produksjon av type I interferoner og inflammatoriske cytokiner. På denne måten fungerer RIG-I og MDA-5 som et indre alarmsystem som kan oppdage virus selv når de prøver å skjule seg fra TLR-ene. Dette gjør det svært vanskelig for virus å replikere uten å bli oppdaget.

Eksempel: Hepatitt C-virus og hemming av RNA-mediert immunrespons

Hepatitt C-virus (HCV) er et RNA-virus som kan etablere kronisk infeksjon i leveren. En viktig grunn til at dette viruset klarer å persistere i kroppen, er at det aktivt undertrykker de intracellulære alarmsystemene som normalt ville utløst en kraftig antiviral respons. Når et RNA-virus infiserer en celle, vil dets RNA normalt bli gjenkjent enten i endosomer av TLR3 eller i cytosol av RIG-I og MDA-5. Begge disse systemene leder til aktivering av interferon-regulatoriske faktorer og produksjon av type I interferoner, som hemmer virusreplikasjon og aktiverer immunceller.

Hepatitt C-virus produserer imidlertid et proteaseenzym, kalt NS3/4A, som spesifikt kløyver to nøkkelproteiner i disse signalveiene: TRIF, som er adapterprotein for TLR3, og MAVS, som er signalplattformen for RIG-I og MDA-5.

Når TRIF og MAVS ødelegges, brytes signaloverføringen fra både endosomal og cytosolisk RNA-gjenkjenning. Cellen klarer da ikke å aktivere IRF-faktorene eller produsere type I interferoner på normal måte. Resultatet er at viruset kan replikere videre uten å møte et effektivt antiviralt miljø.

Denne mekanismen forklarer hvorfor hepatitt C ofte blir en kronisk infeksjon. Kroppen oppdager viruset, men får ikke aktivert sitt viktigste antivirale våpen fullt ut. Moderne antivirale legemidler mot hepatitt C retter seg nettopp mot NS3/4A-proteasen, noe som gjenoppretter interferonsignalisering og gjør at immunsystemet igjen kan kontrollere infeksjonen. Gøy!

Cytosolisk DNA-gjenkjenning – cGAS–STING

I en frisk celle finnes DNA kun i cellekjernen og i mitokondrier. DNA i cytosol er derfor alltid et faresignal. Det kan komme fra virus, intracellulære bakterier, eller fra skadde egne celler der DNA har lekket ut. For å oppdage dette har celler et spesialisert system basert på enzymet cGAS (cyclic GMP–AMP synthase). cGAS ligger i cytosol og binder DNA uavhengig av sekvens. Det avgjørende er ikke hva DNA-et koder for, men at det befinner seg på feil sted.

Når cGAS binder DNA, aktiveres enzymet og begynner å produsere et signalmolekyl kalt cGAMP. cGAMP fungerer som en sekundær budbringer som diffunderer gjennom cytosol og binder til proteinet STING, som sitter i membranen til endoplasmatisk retikulum. Når STING aktiveres, starter det en signalvei som aktiverer de samme interferon-regulatoriske faktorene som ved virusgjenkjenning, særlig IRF3, samt NF-κB. Dette fører til produksjon av type I interferoner og andre inflammatoriske mediatorer.

I tillegg kan STING-signalering aktivere autofagi, en prosess der cellen bryter ned egne strukturer i lysosomer. Ved infeksjon kan autofagi bidra til å fjerne intracellulære mikrober og virale komponenter.

cGAS–STING-mediert autoimmunitet

cGAS–STING-systemet er svært effektivt til å oppdage DNA i cytosol, men nettopp fordi det ikke skiller mellom fremmed og eget DNA, må det være strengt regulert. Det eneste kriteriet det bruker, er om DNA befinner seg på feil sted. Når denne reguleringen svikter, kan immunforsvaret begynne å reagere mot kroppens egne celler.

Ved enkelte genetiske defekter, økt celledød eller nedsatt evne til å rydde bort eget DNA, kan DNA lekke ut fra cellekjerne eller mitokondrier og havne i cytosol. Dette aktiverer cGAS på samme måte som ved virusinfeksjon. Resultatet blir produksjon av cGAMP, aktivering av STING og en vedvarende interferonrespons.

Langvarig aktivering av type I interferoner fører til kronisk inflammasjon, aktivering av immunceller og økt antigenpresentasjon. Over tid kan dette drive utvikling av autoimmune sykdommer, der immunforsvaret feilaktig angriper kroppens egne vev.

Denne typen sykdommer omtales ofte som interferonopatier, fordi de er preget av vedvarende aktivering av interferon-systemet. Eksempler inkluderer enkelte former for systemisk lupus erythematosus og sjeldne monogene autoinflammatoriske tilstander.

Inflammasomer

Inflammasomer er intracellulære proteinkomplekser som aktiveres når cellen oppdager alvorlig fare i cytosol. I motsetning til TLR, RIG-I og cGAS–STING, som primært leder til produksjon av interferoner og cytokiner, er inflammasomer spesialisert for å aktivere IL-1β og IL-18 og for å utløse en spesiell form for inflammatorisk celledød.

Inflammasomer aktiveres av både mikrobielle produkter og signaler på cellulær skade. Ulike inflammasomer har ulike sensorer:

• NLRP3 aktiveres av mange typer fare, inkludert ioneforstyrrelser, krystaller, mitokondrieskade og mikrobielle toksiner
• NLRC4 og NAIP gjenkjenner bakterielle strukturer som flagellin
• AIM2 og IFI16 gjenkjenner DNA i cytosol
• Pyrin reagerer på bakterielle toksiner som forstyrrer cellens cytoskjelett

Felles for disse er at de registrerer at cellens indre miljø ikke lenger er normalt.

Når en sensor aktiveres, samles flere proteiner i cytosol til et inflammasomkompleks. Dette komplekset inneholder alltid enzymet caspase-1. Caspase-1 er inaktiv i utgangspunktet, men blir aktiv når inflammasomet dannes.

Aktiv caspase-1 spalter forløperne til to viktige cytokiner:

• pro-IL-1β → IL-1β
• pro-IL-18 → IL-18

Disse aktive cytokinene frigjøres fra cellen og gir kraftig inflammasjon. IL-1β er særlig viktig for feber, smerte, karpermeabilitet og rekruttering av leukocytter.

Samtidig spalter caspase-1 et protein som heter gasdermin D. Dette danner porer i cellemembranen, slik at IL-1β og IL-18 kan slippe ut. Disse porene fører også til tap av membranintegritet og en inflammatorisk form for celledød kalt pyroptose.

Pyroptose dreper den infiserte cellen og slipper ut både cytokiner og mikrobielle komponenter i vevet. Dette forsterker inflammasjonen og gjør det lettere for immunsystemet å oppdage og rydde opp i infeksjonen.

Inflammasomer er derfor spesielt viktige ved:

• bakterielle infeksjoner
• virus med DNA i cytosol
• alvorlig celleskade

Overaktivitet i inflammasomer kan gi sykdom. Et klassisk eksempel er Muckle-Wells-syndrom, der mutasjoner i NLRP3 fører til konstant inflammasomaktivering. Dette gir feber, utslett, leddsmerter, hørselstap og nyreskade. Behandling med IL-1-hemmere kan raskt dempe symptomene, noe som viser hvor sentral denne signalveien er.

Fagocytose og opsonisering

Når det medfødte immunforsvaret har oppdaget en mikrobe, er neste oppgave å få den fysisk fjernet. Dette skjer først og fremst gjennom fagocytose, der spesialiserte immunceller omslutter, tar opp og bryter ned mikroorganismer. Dette er en av de mest grunnleggende og effektive mekanismene i immunforsvaret.

Cellene som utfører fagocytose kalles fagocytter og inkluderer særlig nøytrofile granulocytter, makrofager og dendrittiske celler. Disse cellene patruljerer vev og blod, og er alltid klare til å reagere når noe fremmed dukker opp.

Direkte fagocytose via PRRs

Ved direkte fagocytose gjenkjenner fagocytten mikroben ved hjelp av sine mønstergjenkjennende reseptorer (PRR). Disse reseptorene binder strukturer på mikrobens overflate som ikke finnes på kroppens egne celler. Når bindingen skjer, tolker cellen dette som et klart faresignal.

Reseptorene utløser da en omorganisering av cellemembranen slik at den begynner å bre seg rundt mikroben. Gradvis omsluttes den fullstendig, og mikroben lukkes inne i en membranblære inne i cellen. Denne blæren kalles et fagosom. På dette tidspunktet er mikroben allerede isolert fra resten av vevet, men den er ennå ikke drept.

Indirekte fagocytose via opsoniner

Mange mikrober blir imidlertid ikke gjenkjent direkte, eller de gjenkjennes mye mer effektivt hvis de først er merket. Det er her opsoniner kommer inn. Opsoniner er løselige molekyler i blod og vev som binder seg til mikrober og fungerer som en slags «molekylær etikett» som forteller fagocyttene at dette er noe som skal fjernes.

Komplementproteiner, mannosebindende lektin, C-reaktivt protein og antistoffer er viktige opsoniner. Når de binder en mikrobe, kan fagocytter gjenkjenne dem gjennom egne reseptorer og dermed gripe mikroben langt mer effektivt. Resultatet er raskere, sikrere fagocytose. Denne mekanismen er spesielt viktig i blod og vevsvæske der mange mikrober ellers ville vært vanskelige å få tak i.

Fagosom og fagolysosom

Når mikroben er tatt opp i fagosomet, starter cellen en målrettet nedbrytningsprosess. Fagosomet smelter sammen med lysosomer, som er små blærer fylt med nedbrytende enzymer og sure stoffer. Når disse to smelter sammen, dannes et fagolysosom.

Inne i fagolysosomet blir miljøet ekstremt fiendtlig. pH synker, og mikroben utsettes for en blanding av enzymer som bryter ned proteiner, fett og nukleinsyrer. Samtidig produseres reaktive oksygen- og nitrogenforbindelser som skader mikrobens indre strukturer. For de fleste bakterier og sopp er dette dødelig.

Når en fagocytt tar opp og bryter ned en mikrobe, registrerer den samtidig hvilke typer fare den har møtt. Dette fører til at cellen begynner å produsere cytokiner og kjemokiner som påvirker nærliggende celler og blodkar.

Makrofager og dendrittiske celler kan også bruke fragmenter fra den nedbrutte mikroben til å aktivere lymfocytter. På denne måten kobles den medfødte reaksjonen direkte til utviklingen av adaptiv immunitet.

Fagocytose er derfor både en destruktiv og en informerende prosess – den fjerner trusselen og formidler samtidig hva slags trussel det var.

Effektormekanismer i fagocytter

Når en mikrobe først er tatt opp i en fagocytt, er jobben langt fra ferdig. Å omslutte mikroben er bare første steg. Den virkelige kampen foregår inne i cellen, der mikroben utsettes for et ekstremt fiendtlig kjemisk miljø som er designet for å ødelegge alt levende materiale.

Reaktive oksygenforbindelser (ROS)

Når en mikrobe er tatt opp i en fagocytt, aktiveres et enzymkompleks i membranen til fagosomet som heter NADPH-oksidase. Dette enzymet er bygd av flere komponenter som normalt er adskilt, men som samles når fagocytose starter.

NADPH-oksidase overfører elektroner fra NADPH til molekylært oksygen. Dermed dannes superoksid (O₂⁻), en ustabil oksygenradikal. Superoksid omdannes videre til hydrogenperoksid (H₂O₂), og i nøytrofile granulocytter kan dette videre omdannes til hypokloritt (HOCl).

Disse stoffene kalles reaktive oksygenforbindelser. De skader mikrober ved å oksidere:

• proteiner
• lipider i cellemembraner
• DNA og RNA

Dette fører til strukturell ødeleggelse av bakterier, virus og sopp. For mikroben betyr dette tap av enzymfunksjon, lekkasje av membraner og til slutt celledød. Produksjonen av ROS skjer hovedsakelig inne i fagolysosomet. Dette begrenser skaden på omkringliggende vev, men noe lekkasje kan forekomme, og dette bidrar til vevsskade ved kraftig inflammasjon.

Reaktive nitrogenforbindelser (NO)

I tillegg til reaktive oksygenforbindelser produserer fagocytter også reaktive nitrogenforbindelser. Den viktigste er nitrogenmonoksid (NO), som dannes fra aminosyren arginin ved hjelp av enzymet induserbar nitrogenoksidsyntase (iNOS).

Når makrofager og nøytrofile aktiveres av mikrober eller inflammatoriske cytokiner, øker uttrykket av iNOS. Dette fører til økt produksjon av NO inne i fagolysosomet og i det omkringliggende cytosol.

NO er i seg selv reaktiv, men det blir særlig effektivt når det reagerer med superoksid fra NADPH-oksidase. Da dannes forbindelser som peroksynitritt og andre nitrogenradikaler. Disse stoffene skader mikrober ved å:

• oksidere proteiner
• forstyrre bakterielle enzymer
• skade DNA og RNA

Sammen med ROS gir dette et svært effektivt kjemisk angrep på mikrober inne i fagocytten. Som for ROS kan også reaktive nitrogenforbindelser bidra til vevsskade dersom de produseres i store mengder eller lekker ut fra cellen. Dette er en del av grunnen til at kraftig inflammasjon kan skade eget vev.

Lysosomale enzymer og antimikrobielle peptider

Når fagosomet smelter sammen med lysosomer, tilføres et stort antall nedbrytende molekyler. Lysosomer inneholder enzymer som er spesialisert for å bryte ned biologisk materiale. Disse enzymene fungerer best i surt miljø, noe som også bidrar til mikrobens inaktivering. Blant de viktigste enzymene er proteaser som spalter proteiner, nukleaser som bryter ned DNA og RNA, og lipaser som ødelegger cellemembraner. Disse enzymene virker sammen og fører til at mikrobens strukturer gradvis brytes ned til små molekyler som kan resirkuleres av cellen.

I tillegg til enzymene finnes det antimikrobielle peptider i granula og lysosomer. Disse er korte proteiner som kan binde seg til mikrobielle membraner og lage porer i dem. Når membranen perforeres, mister mikroben kontroll over sitt indre miljø, og den dør raskt. Denne mekanismen er særlig viktig mot bakterier som har tykke cellevegger eller som er delvis motstandsdyktige mot oksidativt stress.

Kombinasjonen av lav pH, enzymer, antimikrobielle peptider og oksidative forbindelser gjør fagolysosomet til et svært effektivt system for å eliminere mikroorganismer.

NETose

Noen ganger er mikrober vanskelige å ta opp i fagocytter, enten fordi de er mange, store eller sitter fast i vev. I slike situasjoner kan nøytrofile granulocytter bruke en alternativ mekanisme for å begrense og uskadeliggjøre dem. Denne prosessen kalles NETose.

Ved NETose gjennomgår nøytrofilen en kontrollert form for celledød der innholdet i cellekjernen frigjøres til det ekstracellulære rommet. Kromatinet dekondenseres, og DNA blandes med histoner og antimikrobielle proteiner fra granula. Dette materialet presses ut gjennom membranen og danner et nettverk av tråder kalt neutrophil extracellular traps (NETs).

Disse nettene fungerer ved å fange mikrober i vevet. Bakterier og sopp blir fysisk holdt på plass, samtidig som de eksponeres for enzymer og toksiske molekyler som er bundet til DNA-trådene. På denne måten hindres spredning av infeksjonen, og mikrobene skades direkte.

Induksjon av NETose er avhengig av reaktive oksygenforbindelser, særlig de som dannes av NADPH-oksidase. Dersom denne mekanismen ikke fungerer, som ved kronisk granulomatøs sykdom, reduseres også evnen til å danne NET. Selv om NET er nyttige ved infeksjon, kan store mengder NET i blodet være skadelige. DNA-nettene kan aktivere koagulasjonssystemet og bidra til dannelse av mikrotromber, som igjen kan føre til vevsskade.

Klinikk: Kronisk granulomatøs sykdom

Kronisk granulomatøs sykdom er en medfødt immunsvikt som skyldes defekt funksjon i NADPH-oksidase. Denne enzymkomplekset er nødvendig for dannelse av reaktive oksygenforbindelser i fagocytter. Når det ikke fungerer, kan nøytrofile og makrofager fortsatt ta opp mikrober, men de klarer ikke å drepe dem effektivt.

Sykdommen skyldes mutasjoner i ett eller flere av genene som koder for komponentene i NADPH-oksidase-komplekset. Den vanligste formen er X-bundet og rammer genet som koder for gp91^phox, en sentral del av enzymet.

Pasienter med kronisk granulomatøs sykdom får gjentatte og ofte alvorlige infeksjoner, særlig med katalase-positive bakterier og sopp. Mikrober som ellers er relativt ufarlige kan gi livstruende sykdom, fordi fagocyttene ikke kan bruke oksidative mekanismer til å eliminere dem.

I vev danner immunsystemet ofte granulomer, tette ansamlinger av makrofager og andre immunceller som prøver å kapsle inn mikrober de ikke klarer å drepe. Dette har gitt sykdommen navnet sitt.

Oppsummeringstabell, effektormekanismer

Mekanisme	Hvilke celler	Hva produseres	Hvordan dreper det mikrober	Klinisk betydning
Reaktive oksygenforbindelser (ROS)	Nøytrofile, makrofager	Superoksid, hydrogenperoksid, hypokloritt	Oksiderer proteiner, lipider og DNA slik at mikroben mister strukturell og enzymatisk funksjon	Svikt gir kronisk granulomatøs sykdom
Reaktive nitrogenforbindelser (NO)	Makrofager, nøytrofile	Nitrogenmonoksid og nitrogenradikaler	Skader bakterielle enzymer og DNA, ofte i kombinasjon med ROS	Forsterker intracellulært bakteriedrap
Lysosomale enzymer	Alle fagocytter	Proteaser, nukleaser, lipaser	Bryter fysisk ned mikrobens strukturer	Viktig mot bakterier og sopp
Antimikrobielle peptider	Nøytrofile, epitel, makrofager	Defensiner m.fl.	Lager porer i mikrobielle membraner	Viktig mot kapselkledde bakterier
NETose	Nøytrofile	DNA, histoner, enzymer	Fanger og immobiliserer mikrober, eksponerer dem for toksiske stoffer	Overaktivitet kan gi tromber
Lav pH i fagolysosom	Alle fagocytter	Protoner	Denaturerer mikrobielle proteiner og hemmer metabolisme	Forsterker enzym- og ROS-effekt