مواضيع المحاضرة: Immunity to microbes
background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
1

 

 

The  innate  and  adaptive  immune  systems  provide  protection  against 

an  array  of  infectious  organisms  that  vary  in  size,  method  of  entry, 

reproduction and pathologies.   

The  innate  humoral  responses  are  preexisting  and  begin  acting 

against infectious agents upon initial contact.  

Activation  of  the  complement  system  (alternative  or  mannan 

binding pathway): 

1. Direct lysis of microbial cells via assembly of the membrane attack 

complex 

2.  C3b  and  C4b  act  as  opsonins  to  accelerate  the  phagocytic 

ingestion and destruction of microbes 

3. C3aC4a, and C5a help to initiate inflammation by attracting and 

activating leukocytes. 

Antibodies (adaptive immune response):  

1. enhance the role of complement by initiating the classical 

pathway.  

2. tag infectious agents for destruction by phagocytes (opsonization

or  by  natural  killer  cells  and  eosinophils  (antibody-dependent  cell-

mediated cytotoxicity).  

3.  lgE  can  trigger  the  release  of  inflammatory  mediators  by  mast 

cells and basophils, an important element in immunologic resistance 

to parasitic worms.  

4.  inhibit  entry  of  microbes  into  the  body  and  into  cells  by 

neutralization.  


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
2

 

 

Many  infectious  agents  enter  host  cells.  Some  may  be  taken  up  by 

phagocytes  using  toll-like  receptors  or  Fc  receptors  and  complement 

receptors.  Once  inside,  they  are  sheltered  from  the  actions  of 

antibodies  and  complement,  so  cell-mediated  responses  are  required 

to  clear  the  infection.  Within  cells,  viruses  persist  and  reproduce  in 

the  cytosol  (The  cytosol  or  intracellular  fluid  (ICF)  or  cytoplasmic 

matrix is the liquid found inside cells). Most intracellular bacteria live 

within  endosomes  (endosomes:  Small  membrane-bound  vesicles 

inside  the  cell,  when  they  are  separated,  they  might  fuse  with 

lysosomes) formed during their entry into the cells. The cytosolic and 

endosomal  compartment,  however,  are  not  completely  isolated  from 

one another. Extracellular viruses (and cellular  debris containing viral 

particles)  can  be  taken  up  by  endosomes  via  phagocytosis.  In 

addition, some intracellular bacteria can exit endosomes and enter the 

cytosol, as can some of their products or fragments. 

Infectious organisms or products in the cytosol will be processed and 

presented on  MHC class I  molecules, eliciting responses by  CD8+ T 

cells.  

Infectious  organisms  and  fragments  present  in  endosomes 

(phagolysosomes)  will  be  processed  there  and  presented  by  MHC 

class II molecules, generating CD4 + T cell responses.  

 

The  cytotoxic  T-cell  responses  (CD8  +)  and  delayed-type 

hypersensitivity  (CD4+)  responses  that  are  generated  are  then 

capable of destroying the infected cells, disrupting the reproduction of 

the invasive organisms, and destroying the remaining microbes. 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
3

 

 

Infectious  organisms  are  specialized  to  fight  and  take  advantage  of 

specific positions in the host environment, intracellular or extracellular. 

The host immune system, in turn, must be versatile enough to detect, 

contain,  and  attack  the  invasive  organisms.  The  types  of  immune 

responses that will be most effective are determined by the nature of 

the infectious agents (Tables 1 and 2).  

Organisms  

Name  

Phagocytosis  

Neutrophils 

Complement 

NK 
cells 

Viruses 
(intracellular, 
cytoplasmic) 

Influenza virus 

 

 

 

 

Mumps virus 

 

 

 

 

Morbillivirus

( measles, 

rubeola)

 

 

 

 

 

Rhinovirus

 

 

 

 

 

Bacteria 

(intracellular) 

Listeria

 

monocytogenes

 

 

 

 

 

Legionella spp. 

 

 

 

 

Mycobacteria 

 

 

 

 

Rickettsia

 

 

 

 

 

Bacteria 
(extracellular) 

Staphylococcus spp. 

 

 

 

 

Streptococcus spp. 

reduced effectiveness 

because of bacterial 

capsules

 

 

reduced effectiveness 

because of bacterial capsules

 

 

Neisseria spp. 

reduced effectiveness 

because of bacterial 

capsules

 

 

reduced effectiveness 

because of bacterial capsules

 

 

Salmonella typhi

 

 

 

 

 

Protozoa 
(intracellular) 

Plasmodium malariae 

 

 

 

 

L. donovani

 

 

 

 

 

Protozoa 
(extracellular) 

Entamoeba histolytica 

 

 

 

 

Giardia Iamblia

 

 

 

 

 

Fungi  
(extracellular) 

Candida spp. 

 

 

 

 

Histoplasma 

 

 

 

 

Cyptococcus

 

 

 

 

 

 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
4

 

 

 

IgM , IgG , IgA 

 

 

 

 

Complement 

activation 

Opsonization  ADCC  Neutralizing 

antibody 

IgE  CTL  DTH 

Viruses 

 

 

 

 

 

 

 

Bacteria 
(intracellular) 

 

 

 

 

 

 

 

Bacteria 
(extracellular) 

 

 

 

 

 

 

 

Protozoa 
(intracellular) 

 

 

 

 

 

 

 

Protozoa 
(extracellular) 

 

 

 

 

 

 

 

Fungi 

 

 

 

 

 

 

 

Flatworms 

 

 

 

 

 

 

 

Roundworms

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
5

 

 

Note regarding some receptors mentioned  

Mannose  receptor:  aid  in  bacterial  infection  ex:  the  mannose 

receptor  helps  Mycobacterium  tuberculosis  to  infect  and  grow  in 

macrophages,  preventing  formation  of  the  phagolysosome  to  avoid 

degradation. 

Toll-like  receptors  (TLRs)  are  receptors  expressed  in  macrophages 

and  dendritic  cells,  that  recognize  structurally  conserved  molecules 

derived  from  microbes.  Once  these  microbes  have  breached  physical 

barriers  such  as  the  skin  or  intestinal  tract  mucosa,  they  are 

recognized by TLRs, which activate immune cell responses. There are 

13 TLRs each one has different function) 

 

T-Cell  Receptor  (TCR)  is  a  complex  of  integral  membrane  proteins 

that  participates  in  the  activation  of  T-Cells.  Stimulation  of  TCR  is 

triggered  by  MHC  (Major  Histocompatibility  Complex)  molecules  on 

Antigen  Presenting  Cells  resulting  in  cellular  proliferation, 

differentiation,  Cytokine  production,  and/or  activation-induced  cell 

death.  

Toll  like  receptors  and  mannose  receptor  are  for  innate  immune 

response, while TCR are for adaptive immune response

 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
6

 

 

Immunity  to  bacterial  infections  is  achieved  by  means  of  antibody 

unless  the bacterium is capable of  intracellular growth, in which case 

delayed-  type  hypersensitivity  has  an  important  role  (T  cells  find  the 

antigens and activate macrophages).  

Bacteria  enter  the  body  either  through  a  number  of  natural  routes 

(e.g.,  the  respiratory,  gastrointestinal,  and  genitourinary  tracts)  or 

through normally  inaccessible routes opened up by  breaks in mucous 

membranes or skin. Depending on the number of organisms entering 

and their virulence, different levels of host defense are enlisted. If the 

inoculum  size  and  the  virulence  are  both  low,  then  localized  tissue 

phagocytes  may  be  able  to  eliminate  the  bacteria  via  nonspecific 

innate  defenses.  Larger  inocula  or  organisms  with  greater  virulence 

tend to induce antigen-specific adaptive immune responses.  

In  some  bacterial  infections,  disease  symptoms  are  caused  by  the 

immune response instead of the  pathogen itself. Pathogen-stimulated 

overproduction  of  cytokines  leads  to  the  symptoms  associated  with 

bacterial septic shock, food poisoning, and toxic shock syndrome. For 

instance, cell wall endotoxins of some gram negative bacteria activate 

macrophages, resulting in release of high levels of IL-1 and TNF, which 

can  cause  septic  shock.  In  staphylococcal  food  poisoning  and  toxic 

shock  syndrome,  exotoxins  produced  by  the  pathogens  function  as 

superantigens which activates T cells  resulting  in systemic production 

of cytokines causing many of the symptoms of these diseases. 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
7

 

 

Extracellular  bacteria  (ex:  Staphylococcus,  Streptococcus,  Neisseria, 

Bordetella,  and  Yersinia)  can  be  pathogenic,  because  they  induce 

localized inflammatory response or because they produce toxins.

Complement,  antibodies,  and  phagocytes  will  be  directed  against 

infections by extracellular bacteria.  

Innate immunity to extracellular bacteria is achieved by: 

1.  Complement activation:     

Complement products are directed against  peptidoglycan  of Gram-

positive bacteria, LPS of Gram-negative bacteria, and mannose.  

2.  Activation of phagocytes:  

Through  mannose  receptor,  scavenger receptor,  Fc receptors, 

complement receptors  

3.  Inflammation:   

Cytokines  induce leukocytes  infiltration  to  ingest  and destroy 

bacteria 

 

Adaptive  immune  responses  to  extracellular  bacteria  and  their  toxins 

consist  of  antibody  production  and  the  activation  of  CD4+  helper  T 

cells. 

 

Antibodies  neutralize  and  eliminate  microbes  and  toxins  by  several 

mechanisms. 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
8

 

 

 

Antibodies  that  binds  to  accessible  antigens  on  the  surface  of  a 

bacterium  can, together with  the C3b component of  complement, act 

as  an  opsonin  that  increases  phagocytosis  and  thus  clearance  of  the 

bacterium.  In  the  case  of  some  bacteria—notably,  the  gram-negative 

organisms—complement  activation  can  lead  directly  to  lysis  of  the 

organism.  Antibody-mediated  activation  of  the  complement  system 

can also induce localized production of immune effector molecules that 

help  to  develop  an  amplified  and  more  effective  inflammatory 

response. For example, the complement fragments C3a and C5a act as 

anaphylatoxins,  inducing  local  mast-cell  degranulation  and  thus 

vasodilation  and  the  extravasation  of  lymphocytes  and  neutrophils 

from  the  blood  into  tissue  spaces.  Other  complement  split  products 

serve as chemotactic factors for neutrophils and macrophages, thereby 

contributing to the buildup of phagocytic cells at the site of infection. 

Antibody  to  a  bacterial  toxin  may  bind  to  the  toxin  and  neutralize  it; 

the  antibody-toxin  complexes  are  then  cleared  by  phagocytic  cells  in 

the same manner as any other antigen-antibody complex. 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
9

 

 

Helper  T  cells  produce  cytokines  that  stimulate  B  cell  for  antibody 

production,  T  helper  produces  also  interferon  gamma,  by  that 

activating  macrophages  occur,  and  T  cells  cause  inflammation  by 

various cytokines  (IL 17, TNF, and other cytokines). 

 

Both  innate  and  adaptive  immune  systems    interact  to  fight 

intracellular bacterial infections. Examples of intracellular bacteria are 

Mycobacteria, Shigella, Salmonella, Listeria, and Rickettsia.

Although  innate  immunity  is  not  very  effective  against  intracellular 

bacterial pathogens, intracellular bacteria can activate NK cells, which 

in turn provide an early defense against these organisms.  


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
10

 

 

 

 

The typical adaptive immune response to intracellular bacteria is cell-

mediated  immunity,  in  which  T  cells  activate  phagocytes  to  eliminate 

the  microbe.  In  this  response,  cytokines  secreted  by  CD4  T  cells  are 

important—most notably IFN gamma, which activates macrophages to 

kill ingested pathogens more effectively. 

Innate  immunity  may  control  bacterial  growth  but  elimination  of 

bacteria requires adaptive immunity. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bacteria inside vesicles 

of phagocytes 

Bacteria in cytoplasm of 

infected cell 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
12

 

 

 

 

 

 

Granzymes  are  proteases  that  function  to  induce  apoptosis 

(programmed  cell  death)  of  the  target  cells  expressing  MHC  class  I  

within cytotoxic T cells and natural killer (NK) cells, by that eliminating 

cells  that  have  become  cancerous  or  are  infected  with  viruses  or 

bacteria. The granzymes also kill bacteria and inhibit viral replication. 

In  NK  cells  and  T  cells,  the  granzymes  are  packaged  in  cytotoxic 

granules with perforin. 

 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
13

 

 

The  term  parasite  encompasses  a  vast  number  of  protozoan  and 

helminthic organisms (worms). The diversity of  the parasitic universe 

makes it difficult  to generalize, but a major difference between these 

types  of  parasites  is  that  the  protozoans  are  unicellular  eukaryotes 

that usually live and multiply within host cells for at least part of their 

life cycle, whereas helminths are multicellular organisms that can be 

quite  large  and  have  the  ability  to  live  and  reproduce  outside  their 

human host.  

Parasites can evade the immune system, allowing them to chronically 

infect their human hosts. 

Malaria,  African  sleeping  sickness,  Chagas’s  disease,  leishmaniasis, 

and  toxoplasmosis  are  among  the  most  common  parasitic  diseases. 

Resistance to leishmaniasis correlates well with the production of IFN- 

gamma and the development of a T helper 1 response. 

However,  T  helper2  response  to  Leishmania  infection  might  occur, 

producing high levels of IL-4. 

Although  helminths  are  exclusively  extracellular  and  therefore  more 

accessible  to  the  immune  system  than  protozoans,  most  infected 

individuals  carry  few  parasites.  Unlike  protozoan  parasites,  helminths 

do  not  multiply  within  their  hosts.  Thus,  the  immune  response  is  not 

strongly  engaged,  and  the  level  of  immunity  generated  can  be  very 

poor.  For  Schistosoma,  an  immune  response  does  develop,  but  it  is 

usually  not  sufficient    to  eliminate  the  adult  worms.  Instead,  the 

worms survive for up to 20 years, causing prolonged morbidity. Adult 

schistosome  worms  have  several  unique  mechanisms  that  protect 

them from immune defenses. These include decreasing the expression 

of  antigens  on  their  outer  membrane  and  enclosing  themselves  in  a 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
14

 

 

glycolipid-and-glycoprotein  coat  derived  from  the  host,  masking  the 

presence of their own antigens. Among the antigens observed on the 

adult worm are the host’s own ABO blood-group and histocompatibility 

antigens.  The  immune  response  is,  of  course,  diminished  by  this 

covering made of the host’s self antigens. 

The immune response to infection with S. mansoni is dominated by T 

helper2  like  mediators,  with  high  titers  of  antischistosome  IgE 

antibodies,  localized  increases  in  degranulating  mast  cells,  and  an 

influx  of  eosinophils..  These  cells  can  then  bind  the  antibody-coated 

parasite using their Fc receptors for IgE or IgG, inducing degranulation 

and  death  to  the  parasite  via  antibody-  dependent  cell-mediated 

cytotoxicity  (ADCC).  However,  immunization  studies  in  mice  suggest 

that  a  T  helper  1  response,  characterized  by  IFN-gamma  and 

macrophage accumulation, may actually be more effective for inducing 

protective immunity. 

 

 


background image

 

Immunology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                             Immunity to microbes

 

 
15

 

 

References 

 Doan T and Roger Melvold R  (2013) Immunology. Lippincott's Illustrated Reviews 

 Abbas  et  al  (2012)  Celluler  and  moleculer  immunology.  Immunity  to  infectious  agents. 

Elseiver. 

http://physio.ucsf.edu/GEMS/courses/Immunology/materials/fa11_essential_immunology/august_30/immunity_to_infections_a

bbas.pptx

  

 Murphy K. Immunity against infection. Janeway’s Immunobiology 8th Edition  

http://imunologie.lf2.cuni.cz/en/soubory_vyuka/infection_immunity.ppt

  

Ulvestad E. Immunity to microbes  

http://www.uib.no/Broegelmann/brsi/documents_files/page2_16.ppt

  

 Ling P. Immunity to Pathogens  

http://140.116.60.1/lin5612/teacher/lingpin/Med%20Immunology-%20Immunity%20to%20pathogens-%20Lec%207%20web-

2014%20Spring.pdf

  

 Protozoan and Helminth Parasites : Immune evasion. 

http://www.ppdictionary.com/parasites_3.htm

  

 

Endosome 

http://www.cellimagelibrary.org/browse/cellcomponent/Endosome 

 Immune response to infectious diseases.Ch17. The Immune System in   

Health and Disease 

http://wenku.baidu.com/view/5bc7b510a2161479171128fe.html 

 Parungao M .  Bio 151 lecture 15 continued 

 http://www.slideshare.net/lhenparungao/bio-151-lecture-15-continued 

 

Akira S. Could fruit fly immune receptors be relevant to humans? 

http://www.jst.go.jp/EN/research/bt08_en.html 

 

Nangola S. (2012) Immunity to Microbes: Bacteria, Virus, Fungi and Parasites 

http://dc349.4shared.com/doc/alJ_mkA2/preview.html 

 

T-Cell Receptor (TCR) Overview 

http://www.lifetechnologies.com/iq/en/home/life-science/cell-analysis/signaling-pathways/t-cell-

receptor-tcr/t-cell-receptor-tcr-overview.html 

  Bots M, Medema JP (2006). "Granzymes at a glance". J. Cell. Sci. 119 (Pt 24): 5011–4. 

doi

:

10.1242/jcs.03239

PMID

 

17158907

.  

  Walch M, Dotiwala F, et al. (2014)

"Cytotoxic cells kill intracellular bacteria through granulysin-

mediated delivery of granzymes."

Cell 157: 1309–23. 

PMID

 

24906149

.  

 Peters, P. J. "Cytotoxic T Lymphocyte Granules Are Secretory Lysosomes, Containing Both Perforin and 

Granzymes."  Cytotoxic  T  Lymphocyte  Granules  Are  Secretory  Lysosomes,  Containing  Both  Perforin  and 

Granzymes. 

Rockefeller 

University 

Press, 

May 

1991. 

Web. 

10 

Nov. 

2013. 

<

http://jem.rupress.org/content/173/5/1099.abstract

>.

 




رفعت المحاضرة من قبل: Muqdad A Younis
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 106 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل