Microbiota e immunità: interazioni con il sistema immunitario, Università San Raffaele

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Università San Raffaele - Roma

Professore Paola Checconi

Composizione batterica e processi fisiologici negli organi gastrointestinali

Microbiota Principali batteri presenti Organo Principali processi fisiologici Prevotella Streptococcus Veillonella Esofago Stomaco Secrezione di acido (HCI) Digestione di macromolecole pH 2 Duodeno Enterococchi Lattobacilli - Digiuno Intestino tenue Digestione continua Assorbimento di monosaccaridi, aminoacidi, acidi grassi, acqua pH 4-5 Ileo Colon Intestino crasso Assorbimento di acidi biliari, vitamina B12 PH 7 Ano Tratto gastrointestinale

Elenco di batteri del tratto gastrointestinale

• Bacteroides
• Bifidobacterium
• Clostridium
• Enterobatteri
• Enterococcus
• Escherichia
• Eubacterium
• Klebsiella
• Lactobacillus
• Methanobrevibacter (Archaea)
• Peptococcus
• Peptostreptococcus
• Proteus
• Ruminococcus
• Staphylococcus
• Streptococcus

Esofago Helicobacter Proteobacteria Bacteroidetes Actinobacteria FusobacteriaT

Caratteristiche del tratto gastrointestinale umano

Il tratto GI è l'area più estesa dell'organismo sottoposta a costante stimolo antigenico (quello degli alimenti ingeriti e dei microrganismi che vi abitano) ed è il fronte immunitario più importante del corpo. È un vero e proprio ecosistema che presenta tre componenti maggiori: · Cellule dell'ospite · Batteri · Nutrienti

Struttura e funzione della mucosa intestinale

Il tratto intestinale • Il tratto intestinale è rivestito da una mucosa formata da cellule epiteliali (enterociti) . Intercalate tra le cellule epiteliali ci sono cellule caliciformi (Goblet cells) specializzate nella secrezione di mucina, glicoproteina che forma uno strato mucoso sopra l'epitelio

· Nello stato mucoso, formato in continuazione dalle cellule caliciformi per proteggere l'epitelio e costituito da polimeri di mucina, si possono riconoscere: Strato interno: a diretto contatto con le cellule dell'epitelio, formato da un gel idrosolubile, essenzialmente privo di batteri Strato esterno: sovrapposto a quello interno, più vischioso, vi si ritrovano i batteri. Il suo spessore è variabile nelle diverse parti dell'intestino I carboidrati sulla superficie mucosa costituiscono il sito di legame per le adesine batteriche. Quindi il repertorio di carboidrati di ciascuno di noi (che è geneticamente controllato) determina la resistenza o meno dell'ospite alle infezioni.

Componenti del sistema immunitario intestinale

• MALT: Mucose associated lymphoid tissue
• GALT: Gut associated lymphoid tissue

Descrizione del tessuto linfoide MALT

MALT (mucose- associated lymphoid tissue) E' tessuto linfoide che si trova a livello delle mucose in varie parti del corpo, formato da macrofagi, cellule dendritiche, linfociti T, B, plasma cellule, che legano gli antigeni che vengono in contatto con la mucosa. Nel caso del MALT intestinale sono presenti anche cellule «speciali» dette cellule M, che legano l'antigene nel lume intestinale e lo portano nel tessuto linfoide sottostante. In base alla localizzazione, il MALT si suddivide in:

• GALT (gut-associated lymphoid tissue)
• NALT (nasal-associated lymphoid tissue)
• BALT (bronchus-associated lymphoid tissue)
• CALT (conjunctival-associated lymphoid tissue)
• D-MALT (diffuse mucosa-associated lymphoid tissue)

APC

Caratteristiche del tessuto linfoide GALT

GALT (gut-associated lymphoid tissue) È essenzialmente formato dalle placche del Peyer, follicoli linfoidi centro germinativo per i linfociti B, che si ritrovano nella lamina propria e nella sottomucosa intestinale La lamina propria, un sottile strato di tessuto connettivo che si trova sotto l'epitelio e insieme ad esso costituisce la mucosa anche detta membrana mucosa, contiene un gran numero di macrofagi, cellule dendritiche, cellule T e B, plasmacellule, IgA

0 0 M cells Bacterial sensing by epithelium Macrophages T and B cells Plasma cell Intraepithelial lymphocyte TGFB Peyer's patch Dendritic cells CD4 cells IL-10 TGFß Regulatory T cells

Strutture associate alle placche di Peyer

Placche di Peyer Villi intestinali Plasmacellule Venule a endotelio alto Enterociti FAE Follicolo linfoide secondario FAE= Epitelio Associato al Follicolo

Composizione del muco intestinale e interazioni microbiche

Lumen Dietary fibers Mucus out layer Symbionts Pathobionts / Pathogens > PH Į Virulence genes Į SCFAS > Nutrients < Bacteriocins Virulence genes t Glycans (ex.Mucin) Sialic acid, Fucose T T Mucus inner layer Anti-microbial peptides (ex.Regilly) Y Y Epithelial cells 7 M cell Lamina propria Peyer's patch -> IL-18 IL-10 IgA-producing B cel ILC3 Macrophage Bone marrow Treg cell DC Neutrophil Naïve CD4+ T cell Mesenteric lymph node Kim D. Experimental&Molecular Medicine 2017

Ruolo delle cellule TH17 nel sistema immunitario intestinale

TH17 cellT

Mantenimento dell'omeostasi immunitaria intestinale

· Caratteristica notevole del sistema immunitario intestinale è la sua capacità di stabilire una tolleranza immunitaria verso una varietà enorme e in continua evoluzione di microrganismi innocui, evitando però la loro diffusione extraintestinale e preservando contemporaneamente le risposte immunitarie contro i patogeni . Il sistema immunitario intestinale deve controllare continuamente quindi l'esposizione dell'ospite ai batteri per evitare conseguenze patologiche

Strategie per la limitazione del contatto batterico con l'epitelio

... come? Minimizzando il contatto diretto tra batteri ed epitelio intestinale (stratificazione) > Confinando i batteri penetranti ai siti intestinali e limitando la loro esposizione al compartimento sistemico (compartimentalizzazione) Meccanismi impiegati per mantenere la stratificazione e la compartimentalizzazione del microbiota: · Muco · Giunzioni strette · Peptidi antimicrobici · Macrofagi · Cellule dendritiche (DC) · IgA

Meccanismi di stratificazione e compartimentalizzazione del microbiota

Outer mucus layer a .- defensins Stratification Inner mucus layer RegIlly Bacteria lgA Epithelial cells DC Macrophage Lamina propria DC IgA lgA plasma cell Mesenteric lymph node Compartmentalization DCs migrate to MLN via the lymphatics and induce B and T cells DC IgA+ B cell Recirculation through the lymph and blood; homing to the lamina propria DCs do not recirculate via lymph and blood Hooper L.V. et al., Science 2012

Controllo immunitario del microbiota intestinale

Come il sistema immunitario controlla il Microbiota I

Funzioni delle cellule caliciformi e risposta immunitaria adattativa

Goblet cell Lumen 1. Maintainance of mucosal barrier limits exposure and inflammation to commensals Luminal Ags Secretory vesicles containing mucins and other products 2a. GAP formation allow GCs to acquire luminal antigens GAP: goblet cell- associated antigen passages 2b. Delivery of luminal antigens to APCs initiates adaptive responses Cytokines and chemokines Luminal Ags 3. Secretion of cytokines and chemokines induces and/or reinforces Th2 responses, promotes tissue restoration, and recruits effector cells Cytokines and chemokines secreted to immune system Luminal Ags delivered to APCs for presentation to T cells Knoop KA Muc Immunol 2018

Influenza del microbiota sul sistema immunitario

Come il Microbiota influenza il sistema immunitario

• Microbiota
• Segmented filamentous bacteria
• Bacteroides fragilis
• Clostridia PSA
• RegIlly expression
• Formation of organized lymphoid tissue (e.g. ILFs)
• INKT cells
• Innate lymphoid cells
• Th17 t
• Treg
• Mucosal immune system
• Systemic immune system
• Serum IgE
• Exacerbated arthritis and EAE
• CD4+ T cells, Th1 frequencies
• Hooper L.V. et al., Science 2012

Effetti dell'assenza di microbiota in modelli animali germ free

Studi in animali germ free (GF) hanno dimostrato che l'assenza del microbiota è associata a profondi difetti nell'architettura del tessuto linfoide e nelle funzioni immunitarie. Ad es. i livelli di IgA sono notevolmente ridotti nei topi GF e vengono ripristinati in seguito a colonizzazione microbica. A I linfociti TH17, potenti immunomodulatori, normalmente abbondanti nella lamina propria, sono assenti nei GF e inducibili dopo colonizzazione microbica, in particolare da parte di batteri filamentosi segmentati (SFB) GF ASF A+B

Ruolo dei recettori PRRs nel riconoscimento microbico

PRRs (Pattern Recognition Receptors) inizialmente descritti per rilevare i segnali microbici durante un' infezione e suscitare una risposta immunitaria protettiva, hanno ligandi che non sono esclusivi dei patogeni, ma prodotti abbondantemente dai commensali MAMP Microbe associated molecular patterns Es. Polisaccaride A Bacteroides fragilis TLR2/1 Espressione di geni anti-infiammatori

Risposte immunitarie innate e interazioni microbiche

Imm. Innata Bifidobacterium infantis A Lactobacillus acidophilus B C D E F Helicobacter pylori Clostridium difficile Citrobacter rodentium APS NPS S TLR6TLR2 TLR2 NOD2 deficiency NLRC4 deficiency NOD1 - PPs and MLN ETEC-infected PIE mDC mDC IL-6 IL-8 MCP IFN-Y T-bet IL-12₿2 receptor Inflammation exacerbation Neutrophil Recruitment Inflammation attenuation Th1 inflammation response Ma N Front Immunol 2018

Risposte immunitarie e marker molecolari

IL17A IFN-Y MDDC IL-10 IFN-B MX1 ISG56 Lactobacillus delbrueckii TLR2 TLR4T

Immunità acquisita e ruolo dei batteri commensali

Imm. acquisita A SFB B C D E F Commensal A4 bacteria Bacteroides fragilis Clostridia Species Bacteria producing ZPSs Butyrate APCs DC DC SAA ROS 1 MHC II Naïve T cell Naïve T cell TGF-₿ Naïve T cell 1 Th17 G Treg G 1 Th2 IL-17,IL-21,IL-22 IL-10 IL-4 decreasing Enhancing inflammation Attenuating inflammation

Equilibrio e squilibrio del sistema immunitario

= Foxp3 Expression increasing DCT

Bilanciamento tra cellule T-helper infiammatorie e Treg anti-infiammatorie

Balanced immune system T-helper cells (inflammatory) Treg cells (anti-inflammatory) Homeostasis Imbalanced immune system IL-10 Th1 IFN-Y TNF-₿ Th2 IL-4 IL-5 IL-13 IL-10 Th17 IL-21 IL-22 Autoimmume disorders Crohn's disease Asthma and allergic disease Ulcerative colitis IL-17 Treg TGF-B IFN-Y IL-4 IL-5 IL-13 IL-10 Th2 Th1 TNF-B Autoimmune disorders Inflammatory bowel disease

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