background image

Talaro−Talaro: Foundations 
in Microbiology, Fourth 

Edition

17. Disorders in Immunity

Text

© The McGraw−Hill 
Companies, 2002

Type IV Hypersensitivities: Cell-Mediated (Delayed) Reactions

517

both T cells and autoantibodies that severely compromises the ca-
pacity of neurons to send impulses. The principal motor and sen-
sory symptoms are muscular weakness and tremors, difficulties in
speech and vision, and some degree of paralysis. Most MS patients
first experience symptoms as young adults, and they tend to experi-
ence remissions (periods of relief) alternating with recurrences of
disease throughout their lives. Convincing evidence from studies of
the  brain  tissue  of  MS  patients  points  to  a  strong  connection
between the disease and infection with human herpesvirus 6 (see
chapter 24). The disease can be treated passively with monoclonal
antibodies that target T cells, and a vaccine containing the myelin
protein has shown beneficial effects. Immunosuppressants such as
cortisone and interferon B may also alleviate symptoms.

Type IV Hypersensitivities: Cell-Mediated
(Delayed) Reactions

The  adverse  immune  responses  we  have  covered  so  far  are  ex-
plained primarily by B-cell involvement and antibodies. But type
IV hypersensitivity involves primarily the T-cell branch of the im-
mune system. Type IV immune dysfunction has traditionally been
known as delayed hypersensitivity because the symptoms arise one
to  several  days  following  the  second  contact  with  an  antigen.  In
general, type IV diseases result when T cells respond to self tissues
or transplanted foreign cells. Examples of type IV hypersensitivity
include delayed allergic reactions to infectious agents, contact der-
matitis, and graft rejection.

DELAYED-TYPE HYPERSENSITIVITY

Infectious Allergy

A classic example of a delayed-type hypersensitivity occurs when a
person  sensitized  by  tuberculosis  infection  is  injected  with  an
extract (tuberculin) of the bacterium Mycobacterium tuberculosis.
The so-called tuberculin reaction is an acute skin inflammation at
the injection site appearing within 24 to 48 hours. So useful and di-
agnostic is this technique for detecting present or prior tuberculosis
that it is the chosen screening device (figure 17.18a). Other infec-
tions that use similar skin testing are leprosy, syphilis, histoplasmo-
sis, toxoplasmosis, and candidiasis. This form of hypersensitivity
arises from time-consuming cellular events involving the T

D

class

of cells. After these cells receive processed microbial antigens from
macrophages,  they  release  broad-spectrum  cytokines  that  attract
inflammatory  cells  to  the  site

—particularly  mononuclear  cells,

fibroblasts, and other lymphocytes. In a chronic infection (tertiary
syphilis,  for  example),  extensive  damage  to  organs  can  occur
through granuloma formation.

Contact Dermatitis

The most common delayed allergic reaction, contact dermatitis, is
caused by exposure to resins in poison ivy or poison oak (Spotlight
on  Microbiology  17.3),  to  simple  haptens  in  household  and  per-
sonal articles ( jewelry, cosmetics, elasticized undergarments), and
to certain drugs. Like immediate atopic dermatitis, the reaction to
these allergens requires a sensitizing and a provocative dose. The

hypersensitivity  reactions. Autoimmune T-cell  responses  are  type  IV
hypersensitivity  reactions.

Susceptibility  to  autoimmune  disease  appears  to  be  influenced  by  gender

and  by  genes  in  the  MHC  complex.

Autoimmune  disease  may  be  an  excessive  response  of  a  normal  immune

function,  the  appearance  of  sequestered  antigens, “forbidden’’ clones
of  lymphocytes  that  react  to  self  antigens,  or  the  result  of  alterations  in
the  immune  response  caused  by  infectious  agents,  particularly  viruses.

Examples of autoimmune diseases include systemic lupus erythematosus,

rheumatoid arthritis, diabetes mellitus, myasthenia gravis, and multiple
sclerosis.

Type  III  hypersensitivities  are  induced  when  a  profuse  amount  of  antigen

enters  the  system  and  results  in  large  quantities  of  antibody  formation.

Type  III  hypersensitivity  reactions  occur  when  large  quantities  of  antigen

react  with  host  antibody  to  form  small,  soluble  immune  complexes  that
settle  in  tissue  cell  membranes,  causing  chronic  destructive
inflammation. The  reactions  appear  hours  or  days  after  the  antigen
challenge.

The  mediators  of  type  III  hypersensitivity  reactions  include  soluble  IgA,

IgG,  or  IgM,  and  agents  of  the  inflammatory  response.

Two  kinds  of  type  III  hypersensitivities  are  localized  (Arthus)  reactions

and  systemic  (serum  sickness). Arthus  reactions  occur  at  the  site  of
injected  drugs  or  booster  immunizations. Systemic  reactions  occur
when  repeated  antigen  challenges  cause  systemic  distribution  of  the
immune  complexes  and  subsequent  inflammation  of  joints,  lymph
nodes,  and  kidney  tubules.

Autoimmune  hypersensitivity  reactions  occur  when  autoantibodies  or  host

T  cells  mount  an  abnormal  attack  against  self  antigens. Autoimmune
antibody  responses  can  be  either  local  or  systemic  type  II  or  type  III

CHAPTER CHECKPOINTS

Normal

Myasthenia gravis

Myoneural junction

Acetylcholine

Receptors

Autoantibody
specific for
receptor

Paralysis

Muscle

Contraction

Postsynaptic
membrane

Neuron

X

X

X

Signal

FIGURE  17.17

Proposed mechanisms for involvement of autoantibodies in
myasthenia gravis.

Antibodies developed against receptors on

the postsynaptic membrane block them so that acetylcholine cannot bind
and muscle contraction is inhibited.


background image

Talaro−Talaro: Foundations 
in Microbiology, Fourth 

Edition

17. Disorders in Immunity

Text

© The McGraw−Hill 
Companies, 2002

518

CHAPTER 17  Disorders in Immunity

allergen  first  penetrates  the  outer  skin  layers,  is  processed  by
Langerhans cells (skin macrophages), and is presented to T cells.
When subsequent exposures attract lymphocytes and macrophages
to  this  area,  these  cells  give  off  enzymes  and  inflammatory
cytokines  that  severely  damage  the  epidermis  in  the  immediate
vicinity. This response accounts for the intensely itchy papules and
blisters that are the early symptoms (figure 17.18b). As healing pro-
gresses, the epidermis is replaced by a thick, horny layer. Depend-
ing  upon  the  dose  and  the  sensitivity  of  the  individual,  the  time
from initial contact to healing can be a week to 10 days.

(a)

(b)

FIGURE  17.18

Common delayed-type reactions.

(a) Positive tuberculin test.

Intradermal injection of tuberculin extract in a person sensitized to

tuberculosis yields a slightly raised red bump greater than 10 mm in
diameter. (b) Contact dermatitis from poison oak, showing various stages
of involvement: blisters, scales, and thickened patches.

T CELLS AND THEIR ROLE IN 
ORGAN TRANSPLANTATION

Transplantation or grafting of organs and tissues is a common med-
ical procedure. Although it is life-giving, this technique is plagued
by the natural tendency of lymphocytes to seek out foreign antigens
and mount a campaign to destroy them. The bulk of the damage that
occurs in graft rejections can be attributed to expression of cyto-
toxic T cells and other killer cells. This section will cover the mech-
anisms involved in graft rejection, tests for transplant compatibility,
reactions against grafts, prevention of graft rejection, and types of
grafts.

The Genetic and Biochemical Basis 
for Graft Rejection

In  chapter  15,  we  discussed  the  role  of  major  histocompatibility
(MHC or HLA) genes and receptors in immune function. In gen-
eral, the genes and receptors in MHC classes I and II are extremely
important  in  recognizing  self  and  in  regulating  the  immune  re-
sponse. These receptors also set the events of graft rejection in mo-
tion. The MHC genes of humans are inherited from among a large
pool of genes, so the cells of each person can exhibit variability in
the pattern of cell surface molecules (figure 17.19). The pattern is
identical in different cells of the same person and can be similar in
related siblings and parents, but the more distant the relationship,
the  less  likely  that  the  MHC  genes  and  receptors  will  be  similar.
When donor tissue (a graft) displays surface receptors of a different
MHC class, the T cells of the recipient (called the host) will recog-
nize its foreignness and react against it.

T Cell-Mediated Recognition of Foreign
MHC Receptors

Host Rejection of Graft

When the cytotoxic T cells of a host

recognize foreign class I MHC receptors on the surface of grafted
cells,  they  release  interleukin-2  as  part  of  a  general  immune  mo-
bilization. Receipt of this stimulus amplifies helper and cytotoxic
T cells specific to the foreign antigens on the donated cells. The
cytotoxic cells bind to the grafted tissue and secrete lymphokines
that begin the rejection process within 2 weeks of transplantation
(figure 17.20a). Late in this process, antibodies formed against the
graft tissue contribute to immune damage. A final blow is the destruc-
tion of the vascular supply, promoting death of the grafted tissue.

Graft Rejection of Host

In certain severe immunodeficiencies,

the host cannot or does not reject a graft. But this failure may not
protect the host from serious damage, because graft incompatibility
is a two-way phenomenon. Some grafted tissues (especially bone
marrow)  contain  an  indigenous  population  called  passenger  lym-
phocytes.  This  makes  it  quite  possible  for  the  graft  to  reject  the
host, causing graft versus host disease (GVHD) (figure 17.20b).
Since any host tissue bearing MHC receptors foreign to the graft
can  be  attacked,  the  effects  of  GVHD  are  widely  systemic  and
toxic. A papular, peeling skin rash is the most common symptom.
Other organs affected are the liver, intestine, muscles, and mucous
membranes. GVHD occurs in approximately 30% of bone marrow
transplants  within  100  to  300  days  of  the  graft. A relatively  high
percentage of recipients die from its effects.


background image

Talaro−Talaro: Foundations 
in Microbiology, Fourth 

Edition

17. Disorders in Immunity

Text

© The McGraw−Hill 
Companies, 2002

Type IV Hypersensitivities: Cell-Mediated (Delayed) Reactions

519

A

B

1

B

C

2

B

D

3

A

D

4

B

D

5

A

C

6

A

B

C D

Male

Female

SPOTLIGHT  ON  MICROBIOLOGY

17.3

Pretty, Pesky, Poisonous  Plants

As a cause of allergic contact dermatitis (affecting about 10 million peo-
ple a year), nothing can compare with a single family of plants belonging
to the genus Toxicodendron. At least one of these plants

—either poison

ivy, poison oak, or poison sumac

—flourishes in the forests, woodlands,

or  along  the  trails  of  most  regions  of  America.  The  allergen  in  these
plants, an oil called urushiol, has such extreme potency that a pinhead-
sized  amount  could  spur  symptoms  in  500  people,  and  it  is  so  long-
lasting that botanists must be careful when handling 100-year-old plant
specimens. Although degrees of sensitivity vary among individuals, it is
estimated that 85% of all Americans are potentially hypersensitive to this
compound.  Some  people  are  so  acutely  sensitive  that  even  the  most
miniscule contact, such as handling pets or clothes that have touched the
plant or breathing vaporized urushiol, can trigger an attack.

Humans first become sensitized by contact during childhood. Indi-

viduals at great risk (firefighters, hikers) are advised to determine their
degree of sensitivity using a skin test, so that they can be adequately cau-
tious and prepared. Some odd remedies include skin potions containing
bleach, buttermilk, ammonia, hair spray, and meat tenderizer. Commer-
cial  products  are  available  for  blocking  or  washing  away  the  urushiol.
Allergy researchers are currently testing oral vaccines containing a form
of urushiol, which seem to desensitize experimental animals. An effec-
tive method using poison ivy desensitization injection is currently avail-
able to people with extreme sensitivity.

Learning  to  identify  these  common  plants  can  prevent  exposure  and
sensitivity.  One  old  saying  that  might  help  warns,  “Leaves  of  three,  let
it  be;  berries  white,  run  with  fright.”  (See  chapter  opening  photo  of
poison  ivy.)

Poison oak

Poison sumac

FIGURE  17.19

The  pattern  of  inheritance  of  MHC  (HLA)  genes.

A  simplified  version  of  the  human  leukocyte  antigen  (HLA)  complex  in  a  family.  In  this  example,

there  are  two  genes  in  the  complex,  and  each  parent  has  a  different  set  of  genes  (A/B  and  C/D).  A  child  can  inherit  one  of  four  different
combinations.  Out  of  six  children,  two  sets  (1  and  6,  3  and  5)  have  identical  HLA  genes  and  are  good  candidates  for  exchange  grafts.  Children
sharing  one  gene  (for  example,  1,  4,  and  6  share  antigen  A)  are  close  matches,  but  two  pairs  of  children  (2  and  4,  3  and  6)  do  not  match  at  all.


background image

Talaro−Talaro: Foundations 
in Microbiology, Fourth 

Edition

17. Disorders in Immunity

Text

© The McGraw−Hill 
Companies, 2002

520

CHAPTER 17  Disorders in Immunity

Classes of Grafts

Grafts are generally classified according to the genetic relationship
between the donor and the recipient. Tissue transplanted from one
site on an individual’s body to another site on his body is known as
an autograft. Typical examples are skin replacement in burn repair
and the use of a vein to fashion a coronary artery bypass. In an iso-
graft, 
tissue  from  an  identical  twin  is  used.  Because  isografts  do
not contain foreign antigens, they are not rejected, but this type of
grafting  has  obvious  limitations.  Allografts, the  most  common
type of grafts, are exchanges between genetically different individ-
uals belonging to the same species (two humans). A close genetic
correlation  is  sought  for  most  allograft  transplants  (see  next  sec-
tion).  A xenograft is  a  tissue  exchange  between  individuals  of
different  species.  Until  rejection  can  be  better  controlled,  most
xenografts are experimental or for temporary therapy only.

Avoiding and Controlling Graft Incompatibility

Graft rejection can be averted or lessened by directly comparing the
tissue of the recipient with that of potential donors. Several tissue
matching 
procedures are used. In the mixed lymphocyte reaction
(MLR), 
lymphocytes  of  the  two  individuals  are  mixed  and  incu-
bated. If an incompatibility exists, some of the cells will become
activated and proliferate. Tissue typing is similar to blood typing,
except that specific antisera are used to disclose the HLA antigens
on  the  surface  of  lymphocytes.  In  most  grafts  (one  exception  is
bone  marrow  transplants),  the  ABO  blood  type  must  also  be
matched. Although a small amount of incompatibility is tolerable in
certain grafts (liver, heart, kidney), a closer match is more likely to
be successful, so the closest match possible is sought.

Drugs That Suppress Allograft Rejection

Despite an interna-

tional  computerized  hotline  for  matching  recipients  with  donors
and a greater availability of viable organs than in the past, an ideal
match between donor and recipient is still the exception rather than
the rule, and some sort of immunosuppressive therapy to overcome

rejection  is  usually  required.  Rejection  can  be  controlled  with
agents  such  as  cyclosporin  A,  methotrexate,  prednisone,  and  a
monoclonal  antibody  OKT3.  Except  for  cyclosporin A,  interven-
tion with drugs can be complicated by general suppression of the
immune  system  (especially  T cells)  and  frequent  opportunistic
infections.

Cyclosporin A is a polypeptide isolated from a fungus. It has

dramatically  improved  the  survival  rate  of  allograft  patients
(kidney, heart, liver, and bone marrow) and has reduced the inci-
dence of fatal infections. Although its action is not entirely under-
stood, cyclosporin appears to block the activation of T helper cells
and  interfere  with  the  release  of  interleukin-2.  What  makes  this
drug so valuable is that it does not inhibit important lymphoid cells
and phagocytes, and the body is better able to ward off infections.
Its adverse effects of kidney toxicity and increased blood pressure
can be reduced by adjusting the dose and monitoring blood levels
of the drug. Because of its ability to inhibit undesirable T-cell ac-
tivity, cyclosporin is also being used to treat autoimmune diseases
such as type I diabetes and rheumatoid arthritis. Newer drugs aim
to block the binding of IL-2 on T cells.

Types of Transplants

Today,  transplantation  is  a  recognized  medical  procedure  whose
benefit is reflected in several thousand transplants each year. It has
been performed on every major organ, including parts of the brain.
The most frequent transplant operations involve skin, heart, kidney,
coronary artery, cornea, and bone marrow. The sources of organs
and tissues are live donors (kidney, skin, bone marrow, liver), ca-
davers (heart, kidney, cornea), and fetal tissues. In the past decade,
we have witnessed some unusual types of grafts. For instance, the
fetal  pancreas  has  been  implanted  as  a  potential  treatment  for
diabetes, and fetal brain tissues for Parkinson disease. Part of a liver
has been transplanted from a live parent to a child, and parents have
donated  a  lobe  from  their  lungs  to  help  restore  function  in  their
children with severe cystic fibrosis.

FIGURE  17.20

Potential  reactions  in  transplantation.

(a) The  host’s  immune  system  (primarily  cytotoxic  T  cells)  encounters  the  cells  of  the  donated  organ  (heart)

and  rejects  the  organ  by  secreting  cytokines.  (b) Grafted  tissue  (bone  marrow)  contains  endogenous  T  cells  that  recognize  the  host’s  tissues  as
foreign  and  mount  a  cytokine  attack.  The  recipient  will  develop  symptoms  of  graft  versus  host  disease.

(a)

(b)


background image

Talaro−Talaro: Foundations 
in Microbiology, Fourth 

Edition

17. Disorders in Immunity

Text

© The McGraw−Hill 
Companies, 2002

Immunodeficiency Diseases: Hyposensitivity of the Immmune System

521

Bone  marrow  transplantation  is  a  rapidly  growing  medical

procedure for patients with immune deficiencies, aplastic anemia,
leukemia and other cancers, and radiation damage. This procedure
is extremely expensive, costing up to $200,000 per patient. Before
bone marrow from a closely matched donor can be infused (Med-
ical  Microfile  17.4),  the  patient  is  pretreated  with  chemotherapy
and  whole-body  irradiation,  a  procedure  designed  to  destroy  his
own blood stem cells and thus prevent rejection of the new marrow
cells. Within 2 weeks to a month after infusion, the grafted cells are
established  in  the  host.  Because  donor  lymphoid  cells  can  still
cause GVHD, anti-rejection drugs may be necessary. An amazing
consequence  of  bone  marrow  transplantation  is  that  a  recipient’s
blood type may change to the blood type of the donor.

Immunodeficiency Diseases:
Hyposensitivity of the Immune System

It is a marvel that development and function of the immune system
proceed as normally as they do. On occasion, however, an error oc-
curs and a person is born with or develops weakened immune re-
sponses. In many cases, these very “experiments’’ of nature have
provided  penetrating  insights  into  the  exact  functions  of  certain
cells, tissues, and organs because of the specific signs and symp-
toms shown by the immunodeficient individuals. The predominant
consequences of immunodeficiencies are recurrent, overwhelming
infections, often with opportunistic microbes. Immunodeficiencies
fall into two general categories: primary diseases, present at birth
(congenital)  and  usually  stemming  from  genetic  errors,  and  sec-
ondary diseases, 
acquired after birth and caused by natural or arti-
ficial agents (table 17.5).

PRIMARY IMMUNODEFICIENCY DISEASES

Deficiencies  affect  both  specific  immunities  such  as  antibody
production  and  less-specific  ones  such  as  phagocytosis.  Consult
figure 17.21 to survey the places in the normal sequential develop-
ment  of  lymphocytes  where  defects  can  occur  and  the  possible
consequences. In many cases, the deficiency is due to an inherited
abnormality,  though  the  exact  nature  of  the  abnormality  is  not
known for a number of diseases. Because the development of B cells
and T cells departs at some point, an individual can lack one or both
cell lines. It must be emphasized, however, that some deficiencies
affect other cell functions. For example a T-cell deficiency can af-
fect B-cell function because of the role of T helper cells. In some
deficiencies, the lymphocyte in question is completely absent or is
present at very low levels, whereas in others, lymphocytes are pres-
ent but do not function normally.

MEDICAL MICROFILE

17.4

The  Mechanics  of  Bone  Marrow Transplantation

In some ways, bone marrow is the most exceptional form of transplanta-
tion. It does not involve invasive surgery in either the donor or recipient,
and it permits the removal of tissue from a living donor that is fully re-
placeable. While the donor is sedated, a bone marrow/blood sample is
aspirated by inserting a special needle into an accessible marrow cavity.
The most favorable sites are the crest and spine of the ilium (major bone
of the pelvis). During this procedure, which lasts 1 to 2 hours, 3% to 5% of
the donor’s marrow is withdrawn in 20 to 30 separate extractions. Between
500 and 800 ml of marrow is removed. The donor may experience some
pain and soreness, but there are rarely any serious complications. In a few
weeks, the depleted marrow will naturally replace itself. Implanting the
harvested bone marrow is rather convenient, because it is not necessary to
place  it  directly  into  the  marrow  cavities  of  the  recipient.  Instead,  it  is
dripped intravenously into the circulation, and the new marrow cells auto-
matically settle in the appropriate bone marrow regions. The survival and
permanent establishment of the marrow cells are increased by administer-
ing various growth factors and stem cell stimulants to the patient.

Removal  of  a  bone  marrow  sample  for  transplantation.  Samples  are
removed  by  inserting  a  needle  into  the  spine  or  crest  of  the  ilium.  (The
ilium  is  a  prolific  source  of  bone  marrow.)

Type  IV  hypersensitivity  reactions  occur  when  cytotoxic T  cells  attack

either  self  tissue  or  transplanted  foreign  cells. Type  IV  reactions  are
also  termed  delayed  hypersensitivity  reactions  because  they  occur
hours  to  days  after  the  antigenic  challenge.

Type  IV  hypersensitivity  reactions  are  mediated  by T  lymphocytes  and

are  carried  out  against  foreign  cells  that  show  both  a  foreign  MHC  and
a  nonself  receptor  site.

Examples of type IV reactions include the tuberculin reaction, contact

dermatitis, and mismatched organ transplants (host rejection and GVHD
reactions).

The  four  classes  of  transplants  or  grafts  are  determined  by  the  degree  of

MHC  similarity  between  graft  and  host. From  most  to  least  similar,
these  are: autografts,  isografts,  allografts,  and  xenografts.

Graft rejection can be minimized by tissue matching procedures,

immunosuppressive drugs, and use of tissues that do not provoke a 
type IV response.

CHAPTER CHECKPOINTS




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام عضوان و 94 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