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Immunopathology

  


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Immunopathology  

 

• “pathological changes that occur in tissues 

due to improper immune response.” 

 
• Diseases result from 
   

- inadequate immune response 

   

- excessive immune response 

   

- inappropriate immune response 


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Inadequate immune response 

 

 

These can result from immuno-deficiency states. 

 There are two classes of immunodeficiency   syndromes:   

• Primary immune deficiency  

  which is present at birth & often the result of a genetic 
disorder  

• Secondary immune deficiency 

   

- more common  

   

- secondary to 

   

 

- drugs 

   

 

- diseases  


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Primary immunodeficiency states 

Abnormal component of the 
immune system 

Example 

Antibodies 

X-linked 
hypogammaglobulinemia 
(Bruton’s disease) 
Isolated IgA deficiency 

T-cells 

Thymic aplasia (DiGeorge’s 
syndrome) 

B-cels and T-cells 

Severe combined immune 
deficiency 

 

Phagocytes 

Chronic grnulomatous disease 

Complement  

C2, C4 deficiency 


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X-linked agammaglobulinemia 

 

• This is one of the most common forms of primary 

immunodeficiency.  

• Failure of pre-B cells to differentiate to B-cell 
• Depressed serum levels of Igs. 
• Affects males primarily. 
• Manifested after 6 months of age 
• Patients susceptible for bacterial and other infections 
• Associations with autoimmune diseases 20% 
•  such as SLE & dermatomyositis  


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Isolated IgA deficiency 

 

•  This is the most common of all primary 

immunodeficiency states.  

•  There is marked reduction in the level of serum IgA 

but other immunoglobulins are normal. 

•  most cases it is asymptomatic & detected 

accidentally   

•  some patients have recurrent respiratory infections 

& diarrhea  

 

 

 


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Hyper-IgM syndrome 

 

• Normally immune responses to protein antigens, 

IgM & IgD antibodies are produced first  

•  followed by the  elaboration of IgG, IgA, & IgE 

antibodies.  

•  This orderly appearance of antibody types is called 

isotype switching  

•  Patients with this syndrome produce normal or even 

above normal levels of IgM  

• fail to produce other antibody classes (IgG, IgA, or 

IgE isotypes).  

 


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Thymic hypoplasia (DiGeorge synd) 

• Failure  of  development  of  3

rd

  +  4

th

  pharyngeal 

pouches in  affected infants  

   

- Thymus hypoplasia   

 

T-cell defect 

   

- parathyroid hypoplasia 

 

hypocalcemic 

   

 

 

 

 

 

 

tetany 

   

-  cleft  palate,  small  receding  mandible,  low  set 

 

   ears 

   

- cardiac malformations 

•  90%  of  cases  there  is  a  deletion  affecting 

chromosome 22q11.  

 

 


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Severe combined immunodeficiency  

 

•  This condition may be inherited as a recessive disorder 

either autosomal or an X-linked  

• Failure of development of B- cells + T-cells 
• Atrophy of lymphoid tissue 
   

- of thymus, lymph nodes   & Peyer’s patches  

• Presents early with recurrent infections  including candidal 

thrush, pneumonia & diarrhea  

• Lymphopenia + hypoimmunoglobulinemia 
• Death within first 2-3 yrs 
• Treatment: BM transplant 

 


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Main causes of secondary immunodeficiency states 

Old age 

Chronic malnutrition 

Widespread malignancy 

Metabolic diseases (diabetes, chronic liver failure, chronic 
renal failure) 

Drug therapy (cytotoxic therapy, steroid therapy) 

Splenectomy (pneunococcal sepitcemia) 

AIDS  


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AIDS 

• Retroviral disease 
• Caused by HIV  
• Profound immune suppression leading to 
   

-opportunistic infections 

   

- secondary neoplasms 

   

- neurological manifestations 

• 35 million people are HIV infected 
• Represents the 5

th

 most common cause of death 

 


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Epidemiology  

   Risk groups 

1. Homosexuals or bisexual males (46%) 

2. IV drug abusers (25%) 

3. Recipients of blood and blood components (1%) 

     4.  Hemophiliacs (1%)  

Those who received large amounts of factor VIII or IX 
concentrates  

      5.  Heterosexual contacts of other groups (11%) 

 


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Sexual transmission 

• Predominant mode of infection worldwide  
 
• The virus is present in semen 
 
• Direct entry of virus into blood or into mucosal 

dendritic cells 

 

• Other sexually transmitted disease aid HIV 

transmission 


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Parenteral transmission 

 

• IV drug abusers 

 

• Hemophiliacs receiving factor VIII or IX 

concentrates  

 
• Recipients of blood transfusion 

 

 


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Mother to infant transmission  

• Three routes 
   

 

- tranasplacental spread 

 

    - intrapartum 

 

(during delivery)  

 

   

  - ingestion of HIV-contaminated breast milk 

 


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Etiology  

• HIV causative agent 
   

- retrovirus of lenti-virus family 

   

- two genetically different  (HIV1, HIV2) but  

 

genetically related 

   

- composed of a core  + lipid envelop 

   

core contains  

   

 

 

1. major capsid protein P

24  

 which is the 

most  detectable viral antigen useful in the diagnosis of HIV 
infection in blood screening.  

 

 

 

 

 

2. nucleocapsid protein 

   

 

 

3. genomic RNA 

 
• The viral core is surrounded by a matrix protein called P17

 

 

 

 

 


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• 4. Viral enzymes (protease, reverse  

transcriptase & integrase) 

 

  

– 

Envelope contains 

   Two viral glycoproteins (gp120 & gp41) 

critical for HIV infection of cells.   

 
    The highly effective anti HIV-1 protease 

inhibitor drugs prevent viral assembly by 
inhibiting the formation of mature viral 
proteins.  


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• Most  variations  cluster  in  certain  regions  of 

the  envelope  glycoproteins.  Because  the 
immune  response  against  HIV-1  is  targeted 
against its envelope, such extreme variability 
in  antigen  structure  poses  a  barrier  for 
vaccine development.  

   

 

 

 

 


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Pathogenesis  

• Two targets 

 

1. immune system 

   

severe impairment of cell mediated immun. 

   

- destruction of CD4+ lymphocytes

 

 

   

- decreased helper/suppressor T-cell ratio in the blood  

   

- virus attacks CD4 surface molecule 

          - It takes over cellular metabolism to synthesize new 

virus  

          -The CD4 molecule is a high-affinity receptor for HIV 

          - This explains the selective tropism of the virus for   

CD4 +T-cells & its ability to infect other CD4+cells, 
particularly macrophages & dendritic cells.  

   

 

 

 

 

 


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• However binding to CD4 is not sufficient for infection; 

the  HIV  envelope  gp120  must  also  bind  to  other  cell 
surface molecules (co-receptors) to facilitate cell entry .  

• The  virus  core  containing  the  HIV  genome  enters  the 

cytoplasm of the cell. 

• The viral genome then undergoes reverse transcription, 

leading to formation of complementary DNA (cDNA).   

• In the dividing T-cells, the cDNA enters the nucleus & 

integrates into the host genome.  

• After integration, the provirus may remain non-

transcribed for months or years & the infection 
becomes latent.   

 

 

 

 

 


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• alternatively, proviral DNA may be transcribed to form 

complete  viral  particles  that  bud  from  the  cell 
membrane, leading to cell death. 

• HIV  colonize  lymphoid  organs,  T  cells,  macrophages, 

dendritic cells (reservoir) 

• Vigorous proliferation of T cells 
• Due  to  loss  of  CD4+  cells,  patients  will  have  an 

inversion  of  the  CD4-/CD8  ratio  in  the  peripheral 
blood 

• normally it is about 2, while in AIDS patients the ratio 

≤ 0.5 


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2. CNS

  

• Major target  
• Macrophages (microglia) main site of infection 
• Virus carried to CNS via monocytes. 
• Mechanism of damage is obscure 
• Damage is indirect by viral products (cytokines 

produced by microglia) 


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Clinical phases 

 

1- Primary infection (sero-conversion) 

• This phase represents the early acute phase. 

 

• Antibodies to HIV are detected in the blood 2 months after 

infection. 

• P24 antigen is detectable in blood .  
• increased number of virus-specific CD8+cytotoxic T-cells.  
• 50% of patients develop an influenza-like illness, skin 

rashes or lymphadenopathy, associated with transient fall in 
CD4+T-cells. 

 


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 2- Asymptomatic phase (incubation period)

:  

 

• The length of this phase is uncertain, it can last 

for years.

 

• The immune system is largely intact, but there 

is continued HIV replication.

.  

• Patients have antibodies to HIV in blood, are 

infective, can transmit the disease, & are 
asymptomatic

.  

  

 


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3- AIDS-related complex

 

• CD4 infected cells increases, their function is impaired 

& their numbers in blood fall to around 400 cells/μliter

 

• It is associated with general malaise, fever night 

sweats, weight loss & diarrhea.  

• generalized lymphadenopathy is common, with 

serological & hematological evidence of impaired cell-
mediated immunity & reduced CD4+T-cells 

 

• 2 & 3 phases represent the chronic phase ,  may last 7 

to 10 years. However, sometimes rapid progression 
after 2 to 3 years happens.  

 

 

 

 

 

1. Crises phase 

 

 


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 4-  AIDS (crisis phase): 

 

• I it represent the final phase with fully developed 

immunodeficiency characterized by fever , fatigue , 
weight loss , generalized lymphadenopathy & diarrhea . 

•  the CD4+cell count is below 500 cells/μL.

 

• The patients develop serious  infections, secondary 

neoplasms &/or neurologic manifestations  

• any individual with CD4+cell counts less than or equal 

to 200/ μL is diagnosed as having ADIS.  

 

 


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Opportunistic infections  

• Responsible for 80% death 
• Occur when ↓ 200/μL CD4+  
• Include 
  - mucosal candiasis 

  - CMV 

  - Herpes simplex virus 

  - TB (disseminated) 

  - Atypical mycobacteria 

  - Toxoplasmosis (CNS) 

  - Cryptococcal meningitis 


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Neoplasms  

• Increased risk due 
  1. defect in T cell immunity 

  2. dysregulated B cell and monocyte function 

  3. multiple viral infections (EBV, HPV, HSV) 

 
• Tumors include 
  1. Kaposi Sarcoma : this vascular tumor is the most 

common neoplasm in AIDS patients  

 

   

 


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2- Non-Hodgkin lymphomas:  

second most common neoplasm in AIDS patients. highly 
aggressive, & involve many extra-nodal sites, commonly 
the brain; so primary lymphoma of the brain is considered 
as an AIDS-defining condition  

 

3- Cervical carcinoma

 

due to human papilloma virus infection in ADIS 
patients  

 

 


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CNS involvement 

• Common manifestation of AIDS (40-60%) 
• Diseases include 
  - aseptic meningitis 

  - myelopathy 

  - peripheral neuropathy 

  - progressive encephalopathy (AIDS-

Dementia complex) 

• Vaccine  
 

difficult due to viral polymorphism

 


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Inappropriate 

immune response 

 

 


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Transplant rejection  

This is a complex immunologic phenomenon involving 
both cell -& humoral-mediated hypersensitivity responses 
of the host  

Directed against MHC, (HLA) on donor allograft  

The endothelial cells that line the blood vessels of the 
graft are particularly rich in both HLA . 

•    blood vessels are important targets of the host's immune   

response to a transplanted allograft.  

     Patterns of rejection 

1. Hyperacute 

2.

Acute  

3.

Chronic 

  


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Hyperacute rejection  

• Occurs within minutes to few hr 

• Incidence < 0.4% 

• Histologically  

  - acute arteritis + arteriolitis 

  - thrombosis   

  - ischemic necrosis 


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Acute rejection 

• Within days to weeks  
• Mediated by T cells against donor’s HLA class II 
• Clinically renal failure 
• Histologically 
  - interstitial lymphocytic infiltration 

  - glomeruli: mononuclear infiltration 

  - tubules: necrosis 

  - vessels: vasculitis 


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Chronic rejection 

• Slowly progressive (ms to yrs) 
• Due to breakdown of host tolerance 
• progressive rise in serum creatinine levels (which is an 

index of renal dysfunction ) 

•  histologically 
  - intimal fibrosis (arteries and arterioles) 

   

 

 

   

 

 

                     hyalinization of glomeruli 

   

 

interstitial fibrosis 

   

 

tubular atrophy 


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Complications of renal transplant 

1. Thrombosis of vascular graft 

 

 

2. Recurrence of original renal disease 

 

 

3. Rejections  


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Other solid transplants 

 

Including liver, heart, lung, pancreas 

No need for histocompatibilty typing 

 

  In transplantation of these organs instead we  
consider  

 

1. ABO blood group typing 

 

2. absence of preformed Abs 

 

3. body habitus (e.g. a child cannot receive a heart 
transplant from an adult).

). 

 


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Autoimmune diseases 

• Result of immune reaction against self Ags 

 could be due to:  

  1. Ab- response 

  2. cell-mediated immune response 

• The result of breakdown of self tolerance  

• Some autoimmune diseases have a genetic component; e.g. 

certain diseases are associated with particular HLA 

histocompatibility types

.  

• Some autoimmune diseases triggered by microbial Ags 


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Mechanisms involved in the pathogenesis 

of autoimmune diseases  

• Immunological tolerance  

• Both T- and B-cells bear self-reactive molecules (receptors) that 

can  recognized  self-antigens  and  react  with  them  to  produce 
eventually tissue damage and this is the essence in the production 
of various autoimmune diseases.  

• To  avoid  such  incidents  T-  and  B-cells  bearing  such  (receptors) 

must  be  either  eliminated  or  down-regulated  so  that  the  immune 
system  is  made  specifically  non-reactive  i.e.  tolerant  to  self 
antigens  

•    Processes that induce specific tolerance arise inside the  thymus 

(thymic tolerance) or outside the thymus (peripheral tolerance)  


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• Thymic tolerance 
    

is achieved through eliminating all T-cells capable of 

recognizing self-proteins

.  

• Peripheral tolerance 
     

this involves several mechanisms  

1. Immunological ignorance:   the self-antigens are 

invisible to the immune system  

2. Anergy:  CD4+ T-cells requires two signals to 

become activated and initiate an immune response  an 
antigen-specific signal through the T-cell antigen 
receptor and a second, nonspecific signal through 
interaction of CD4+ cells with antigen-presenting 
dentritic cells.  


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• If  no  second  signal  is  available  then  stimulation 

through  T-cell  receptor  alone  leads  to  apoptosis  or  a 
state of longstanding unresponsiveness called anergy. 

  

3. Suppression   

self-reactive T-cells may be suppressed by inhibitory T-
cells,  which  recognize  the  same  antigen  (suppressor  T-
cells;  CD8+).  This  is  achieved  through  cytokines 
produced  by  the  suppressor  T-cells  to  inhibit  nearby 
helper (CD4+) T-cells.  


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   4. B-cell tolerance: 

this is less complete than T-cell 

tolerance. The production of self-reactive antibodies by these 
B-cells is limited mainly by the lack of T-cell help for cell 
antigens.  

   

Breakdown of tolerance: 

For autoimmune diseases to occur, the above mechanisms of 
immunological tolerance must be broken down

.  

1. Overcoming peripheral tolerance; 

resulting from 

excessive of self-antigens to antigen presenting cells, 
excessive nonspecific alterations in which self-antigens are 
presented to the immune system.  

      This happen when inflammation or tissue damage is 
present  


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  2.  Molecular  mimicry: 

structural  similarity 

between  self-antigens  and  microbial  antigens  may 
trigger an immune response

For example, rheumatic heart disease sometimes follows 
Streptococcal 

infection 

because 

antibodies 

to 

Streptococcal  M  protein  cross-react  with  cardiac 
glycoprotiens.   


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Genetic factors in autoimmunity 

1. Familial clustering of autoimmune diseases 

2. Linkage with particular HLA (class II) 

 

- HLA-B

27

 

 

 

Divisions of autoimmune diseases 

1. Organ specific  

2. Non-organ-specific (connective tissue diseases: 

Collagen vascular disease) 

 


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The organ specific autoimmune diseases are listed in following tables: 

 

Organ 

Disease 

Associated 
autoantibody
 

Comment 

Skin  

Vitiligo 

Antityrosine Ab 

Hypopigmentation 

Thyroid 

Grave's disease 

thyroid-stimulating Ab 
thyroid 

growth-

stimulating Ab 

Hyperthyroidism 

Thyroid 

Hashimoto's disease 

Anti-thyroid  specific 
Ab 

Hypothyroidism 

Adrenal cortex 

Addison's disease 

Anti-adrenal Ab 

Hypoadrenocorticalis

Stomach 

Autoimmune  (type  A) 
gastritis 

Anti-intrinsic  factor  & 
parietal cell Ab 

Pernicious anemia 

Pancreatic  islet  cells 
(insulin-producing) 

Type 

diabetes 

mellitus 

Anti-islet 

B-cell 

(insulin) Ab 

Diabetes mellitus 

Skeletal muscle 

Myasthenia gravis 

Acetylcholine 
receptors Ab 

Muscle fatigue 


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Disease 

Main organ involved 

Systemic  lupus 
erythematosus 

Skin , kidney , joints , heart , 
lung 

progressive  systemic 
sclerosis 

Skin , gut , lung 

Polymyositis- 
dermatomyositis 

Skeletal muscle , skin 

Rheumatoid disease 

Joints  ,  lungs  ,  systemic 
vessels 


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SLE 

• Fairly common (1/2500) 

 

• Female predominance (9/1) 

 

• Major causes of death 
  - intercurrent infections 

  - diffuse CNS involvement 

  - renal failure 


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Etiology/pathogenesis 

• Multifactorial: genetic, hormonal, environmental 

• Failure to maintain self-tolerance 

• autoAbs 

  - ANAs (nonspecific) 

  - against double stranded DNA (diagnostic)  

  - against RBCs, lymphocytes, platelets 

  - antiphospholipid Abs 

 


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Genetic factors 

1. Higher rate in monozygotic twins 

 

2. Familial predisposition 

 

3. Association with HLA-II 

 

4. Inherited deficiency of complement (6%) 


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Non-genetic factors 

1. Drugs (procainamide, hydralazine) 

 

 

2. Sex hormones (estrogen effects) 

 

 

3. Exposure to UV: DNA-anti-DNA complexes 


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Mechanisms of tissue injury 

• Type III hypersensitivity reaction (immune 

complex): DNA/AntiDNA in glomeruli 

 

 

• Type II HSR: thrombocytopenia’ leukopenia, 

hemolytic anemia 

 

 

• LE cells 


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L E CELLS 


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DISCOID LUPUS 


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MALAR RASH 


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VASCULITIS 


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MUCOSAL ULCERATION 


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SLE  


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Lupus nephritis 


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Libman-Sacks endocarditis 


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Systemic sclerosis  

• Multisystemic connective tissue disease 
• Excess formation of fibrous tissue 
• Skin affected mainly (scleroderma) 
• Pathological changes 
  - skin 

  - GIT 

  - lung 

  - kidney 

  - heart 


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Rheumatoid disease  

• Multisystem connective disease 
• Seropositive arthritis 
• Prevalence: 1%  
• F/M: 3-5/1 
• Pathology  
  -symmetric polyarthritis 

 

   

1. rheumatoid synovitis 

   

2. pannus formation   

cartilage destruction 

   

3. bone resorption (erosion) 

   

4. permanent ankylosis (Swan-neck deformity 

   

 

 


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Rheumatoid disease 

arthritis 

 
 


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- rheumatoid subcutaneous nodules 

   

- pulmonary involvement 

   

- honeycomb lung 

   

- anemia 

   

- susceptibility to infections and sepsis (common 

 

cause of death) 


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HONEYCOMB LUNG 


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Pathogenesis 

• Genetic predisposition 
   

- strong association with HLA-DR

4  

 

 

 

 

 

      

&/or HLA-DR

 

 

• Rheumatoid factor (RF)  
   

 

- positive in 80% (serum/synovial fluid) 

   

 

- autoAb (IgM) 


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Clinical course and complications  

• Chronic remitting/relapsing course 
• Destructive arthritis 
• Reduced life expectancy 
• Amyloidosis (5-10%) 

 

• Juvenile form  

  - large joints 

  - negative RF 

  - no rheumatoid nodules  

  - HLA-B

27 

 


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Amyloidosis

  


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Amyloidosis  

• “ generic term for a variety of proteinaceous 

materials that are abnormally deposited in tissue’s 
interstitium (extracellular).” 
 

• Morphology of amyloid 
   

- H & E 

   

- Congo red 

• Effects  
 

- pressure atrophy

 


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Physical nature  

Major component: 7.5-10 nm nonbranching fibrils 

Minor component: nonfibrillar protein 

 

• Chemical nature  

1. AL 

2. AA 

3. Aß 

4. Transthyretin (TTR) 

5. ß

2

-microglobulin 

 


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Classification of amyloidosis  

Clinicopathological category 

 

 

Associated diseases 

 

 

 

 

 

 

 

1-Systemic (generalized) 

Immunocyte dyscrasia  

 

 

 

multiple myeloma 

(Primary amyloidosis) AL TYPE 

 

2-Reactive systemic (AA 

 

 

                         chronic 

 

 

 

  

 

                               inflammatory  

 

 

 

 

 

                                  disorders 

 

 

3-Heredofamilial (AA)                                 Familial Mediterranean fever 
  
   


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4-Localized amyloidosis                 Alzheimer disease 
       (AL) 
5-Endocrine(TTR)                        Medullary ca thyroid 
                                                         Islet of Langerhans
 

 

 

 6- Amyloidosis  of aging(TTR) 

  


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Amyloidosis liver (H & E, congo red) 


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Amyloidosis kidney  


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End

  




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
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