مواضيع المحاضرة:
background image

 

48 

 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

49 

Innate and adaptive immunity 

  Defense against microbes consists of 2 types of reactions. 

   Innate immunity (also called natural, or native, immunity) 

is mediated by cells and proteins that are always present 
& fight against microbes & action immediately in 
response to infection 

  The major components of innate immunity are

  epithelial barriers of the skin,  
  gastrointestinal tract,  
   respiratory tract, which prevent microbe entry  
  phagocytic leukocytes (neutrophils and macrophages); 

natural killer (NK) cell;  

   Several circulating plasma proteins, the most important 

of which are the proteins of the complement system.  

  However, many pathogenic microbes have evolved to 

overcome innate immune defenses, and protection against 
these infections requires the more powerful mechanisms 
of adaptive immunity (also called acquired, or specific, 
immunity).  

 

Adaptive immunity is normally silent and "adapts” to the 
presence of infectious microbes by becoming active, 
expanding, and generating potent mechanisms for 
neutralizing and eliminating the microbes.  

  The components of the adaptive immune system are 

lymphocytes and their products.  

  There are two types of adaptive immune responses: 

  humoral immunity, mediated by soluble antibody proteins 

that are produced by B lymphocytes (also called B cells 

   cell-mediated (or cellular) immunity, mediated by T 

lymphocytes (also called T cells)  

  Antibodies provide protection against extracellular 

microbes in the blood, mucosal secretions, and tissues. 

   T lymphocytes are important in defense against 

intracellular microbes.  

  They work by either directly killing infected cells 

(accomplished by cytotoxic T lymphocytes) or by 
activating phagocytes to kill ingested microbes, via the 
production of soluble protein mediators called cytokines 
(made by helper T cells).  

  When the immune system is inappropriately triggered or 

not properly controlled, the same mechanisms that are 
involved in host defense cause tissue injury and disease.  

  The reaction of the cells of innate and adaptive immunity 

may be manifested as inflammation.  

  Inflammation is a beneficial process, but it is also the 

basis of many human diseases.  

 

 

Cells & Tissues of the Immune System 

Lymphocytes 

  Lymphocytes: are present in the circulation and in various 

lymphoid organs. 

  T lymphocytes are so called because they mature in the 

thymus, whereas B lymphocytes mature in the bone 
marrow.  

  They are recognizing tens or hundreds of millions of 

antigens. This enormous diversity of antigen recognition 
is generated by the somatic rearrangement of antigen 
receptor genes during lymphocyte maturation, and 
variations that are introduced during the joining of 
different gene segments to form antigen receptors 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

50 

1- T (thymus-derived) lymphocytes  

  Express Ag receptors called T cell receptors (TCRs) that 

recognize peptide fragments of protein antigens that are 
displayed by MHC molecules on the surface of antigen-
presenting cells. 

  T cells recognize only peptide fragments of protein 

antigens that are displayed on other cells bound to 
proteins of the major histocompatibility complex (MHC
or in humans, human leukocyte antigen [HLA] complex 

  the normal function of MHC molecules is to display 

peptides for recognition by T lymphocytes. 

  In every individual, T cells recognize only peptides 

displayed by that individual's MHC molecules, which, of 
course, are the only MHC molecules that the T cells will 
encounter normally. This phenomenon is called MHC 
restriction.
 

  TCRs are noncovalently linked to a cluster of five 

invariant polypeptide chains, the γ, δ, and ε proteins of the 
CD3 molecular complex and two ζ chains 

  T cells express a number of other invariant function-

associated molecules. CD4 & CD8 are expressed on distinct 
T-cell subsets & serve as coreceptors for T-cell activation 

  CD4+ T cells are "helper" T cells because they secrete 

soluble molecules (cytokines) that help B cells to produce 
antibodies (the origin of the name "helper" cells) and also 
help macrophages to destroy phagocytosed microbes. 

  CD8+ T cells can also secrete cytokines, but they play a 

more important role in directly killing virus-infected or 
tumor cells, and hence are called "cytotoxic" T 

lymphocytes (CTLs). Other important invariant proteins 
on T cells include CD28, which functions as the receptor 
for molecules that are induced on APCs by microbes (and 
are called costimulators), 

  Another small population of T cells expresses markers of 

T cells and NK cells. These NKT cells recognize 
microbial glycolipids 

  Another populations of T cells that functions to suppress 

immune response is that of regulatory T lymphocytes (T 
reg) 
 

MHC Molecules: the Peptide Display System 
of Adaptive Immunity 

 

  The human MHC, known as the human leukocyte antigen 

(HLA) complex, consists of a cluster of genes on chrom. 6 

  The HLA system is highly polymorphic 

  this polymorphism also constitutes a formidable barrier to 

organ transplantation 

  On the basis of their chemical structure, tissue 

distribution, and function, MHC gene products fall into 
three categories:  
  Class I MHC molecules are encoded by three closely 

linked loci, designated HLA-A, HLA-B, and HLA-C 

  Class II MHC molecules are encoded by genes in the 

HLA-D region, which contains at least three 
subregions: DP, DQ, and DR.  

  Class III proteins include some of the complement 

components (C2, C3, and Bf); genes encoding tumor 
necrosis factor (TNF) and lymphotoxin (LT) 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

51 

  Different MHC alleles bind to different peptide fragments 

depending on the particular amino acid sequence of a 
given peptide
;
 the expression of many different MHC 
molecules allows each cell to present a wide array of 
peptide antigens.  

  The role of the MHC in T-cell stimulation also has 

important implications for the genetic control of immune 
responses

  The ability of any given MHC allele to bind the peptide 

antigens generated from a particular pathogen will 
determine whether an individual's T cells can actually 
"see" and respond to that pathogen. 

  An individual will recognize and mount an immune 

response against a given antigen only if he or she inherits 
MHC molecules that can bind the antigenic peptide and 
present it to T cells.  

  The inheritance of particular alleles influences both 

protective and harmful immune responses.  

  For example, if the antigen is pollen and the response is 

an allergic reaction,  

  Inheritance of some HLA genes may make individuals 

susceptible to this disease.  

  On the other hand, good responsiveness to a viral antigen, 

determined by inheritance of certain HLA alleles, may be 
beneficial for the host.  
 

2- B (bone marrow-derived) lymphocytes  

  Express membrane-bound antibodies that recognize a 

wide variety of antigens.  

  B cells are activated to become plasma cells, which 

secrete antibodies. 

  They are also present in bone marrow and in the follicles 

of peripheral lymphoid tissues (lymph nodes, spleen, 
tonsils, and other mucosal tissues). 

  B cells express several invariant molecules that are 

responsible for signal transduction & for activation of the 
cells. 

  These molecules include the CD40 receptor, which binds 

to its ligand expressed on helper T cells, and CD21 (also 
known as the CR2 complement receptor), which 
recognizes a complement breakdown product that is 
frequently deposited on microbes 

  EBV use CD21 as a receptor for the binding to B cell and 

infecting them 

 

3- Natural killer (NK) cells  

  Kill cells that are infected by some microbes.  

  It has 2 types of receptors: activating & inhibitory receptors 

  To avoid attacking normal host cells, NK cells express 

inhibitory receptors that recognize self class I MHC 
molecules, which are expressed on all healthy cells; 
engagement of these inhibitory receptors typically 
overrides the activating receptors and thus prevents 
activation of the NK cells. 

  NK cells express inhibitory receptors that recognize MHC 

molecules that are normally expressed on healthy cells, 
and are thus prevented from killing normal cells. 

 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

52 

Antigen-presenting cells (APCs)  

Capture microbes and other antigens, transport them to 
lymphoid organs, and display them for recognition by 
lymphocytes.  
The most efficient APCs are: 
 

Dendritic cells,  

  Cells with dendritic morphology (i.e., with fine dendritic 

cytoplasmic processes) occur as two functionally distinct 
types. 

  Interdigitating DCs, or more simply, DCs, are 

nonphagocytic cells that express high levels of class II 
MHC and T-cell costimulatory molecules 

  It is live in and under epithelia in most tissues.  

1)  One subset of DC is called Plasmacytoid DCs because of 

their resemblance to plasma cells  
They present in the blood and lymphoid organs  
They are major source of antiviral cytokines type I 
interferon produce to many viruses  

2)  The second type of DCs is called follicular dendritic 

cells (FDCs). They are located in the germinal centers of 
lymphoid follicles in the spleen and lymph nodes. These 
cells bear receptors for the Fc tails of IgG and for 
complement proteins, and hence efficiently trap antigen 
bound to antibodies and complement. These cells display 
antigens to activated B lymphocytes in lymphoid follicles 
and promote secondary antibody responses.  
 

Overview of normal immune responses 

The early innate immune response to microbes

 

  The physiologic function of the immune system is defense 

against infectious microbes. The early reaction to microbes 
is mediated by the mechanisms of innate immunity, which 
are ready to respond to microbes. These mechanisms 
include epithelial barriers, phagocytes, NK cells, and 
plasma proteins, e.g., of the complement system.  

  The reaction of innate immunity is often manifested as 

inflammation
 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

53 

The Capture & Display of Microbial Antigens

 

  The defense reactions of adaptive immunity develop 

slowly, but are more potent and specialized.  

  Microbes and other foreign antigens are captured by 

dendritic cells and transported to lymph nodes, where the 
antigens are recognized by naïve lymphocytes.  

  The lymphocytes are activated to proliferate and 

differentiate into effector and memory cells. 
 

Cell-Mediated Immunity: Activation of T 
Lymphocytes & Elimination of Cell-
Associated Microbes 

 

  Cell-mediated immunity is the reaction of T lymphocytes, 

designed to combat cell-associated microbes (e.g., 
phagocytized microbes and microbes in the cytoplasm of 
infected cells).  

  Humoral immunity is mediated by antibodies and is 

effective against extracellular microbes (in the circulation 
and mucosal lumens). 

  Cells neutralize microbes and block their infectivity, and 

promote the Antibodies secreted by plasma phagocytosis 
and destruction of pathogens. Antibodies also confer 
passive immunity to neonates.  

  CD4+ helper T cells help B cells to make antibodies, 

activate macrophages to destroy ingested microbes, and 
regulate all immune responses to protein antigens. The 
functions of CD4+ T cells are mediated by secreted 
proteins called cytokines.  

  CD8+ cytotoxic T lymphocytes kill cells that express 

antigens in the cytoplasm that are seen as foreign (e.g. 
virus-infected and tumor cells). 
 

Cytokines 

  Are Messenger Molecules of the Immune System Body” 

  Cytokines are polypeptide products of many cell types 

(but principally activated lymphocytes and macrophages) 
that function as mediators of inflammation and immune 
responses 

  Although different cytokines have diverse actions and 

functions, they all share some common features. 

  Cytokines are synthesized and secreted in response to 

external stimuli, which may be microbial products, 
antigen recognition, and other cytokines.  

  Their secretion is typically transient and is controlled by 

transcription and post-translational mechanisms.  

  The actions of cytokines may be 

  autocrine (on the cell that produces the cytokine),  

  paracrine (on adjacent cells), and, less commonly,  
  Endocrine (at a distance from the site of production).  

  The effects of cytokines tend to be 

   Pleiotropic (one cytokine has effects on many cell types)  
  Redundant (the same activity may be induced by many 

proteins).  

  Cytokines may be grouped into several classes based 

on their biologic activities and functions. 
1)  
Cytokines involved in innate immunity and 

inflammation (IL-1,IL-12,IL-6. IL-23.IFN TNF) 

2)  Cytokines that regulate lymphocyte responses and 

effector functions in adaptive immunity(IL-2, IL-4) 

3)  Cytokines that stimulate hematopoiesis. Many of these 

are called colony-stimulating factors 

Effector Functions of T Lymphocytes 

  The best defined subsets of CD4+ helper cells are the T

H

and T

H

2 and TH17subsets 

  One of the earliest responses of CD4+ helper T cells is 

secretion of the cytokine IL-2 and expression of high-
affinity receptors for IL-2. IL-2 is a growth factor that acts 
on these T lymphocytes and stimulates their proliferation, 
leading to an increase in the number of antigen-specific 
lymphocytes.  

  A third subset, called T

H

17, has been described recently 

that produces the cytokine IL-17, which promotes 
inflammation, and is believed to play an important role in 
some T cell-mediated inflammatory disorders.  

  These effector cells migrate to sites of infection and 

accompanying tissue damage.  

  When the differentiated effectors again encounter cell-

associated microbes, they are activated to perform the 
functions that are responsible for elimination of the 
microbes. 

  The key mediators of the functions of helper T cells are 

the surface molecule called CD40 ligand (CD40L), which 
binds to its receptor, CD40, on B cells and macrophages,  
 

Humoral immunity: activation of B lymphocytes 
& elimination of extracellular microbes 

 

  Upon activation, B lymphocytes proliferate and then 

differentiate into plasma cells that secrete different classes 
of antibodies with distinct functions  

  B cells can also act as APCs, i.e. ingest protein antigens, 

degrade them, and display peptides bound to class II 
MHC molecules for recognition by helper T cells. The 
helper T cells express CD40L and secrete cytokines, 
which work together to activate the B cells.  


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

54 

Decline of immune responses & Immunologic 
Memory 

 

  The majority of effector lymphocytes induced by an 

infectious pathogen die by apoptosis after the microbe is 
eliminated, thus returning the immune system to its basal 
resting state.  

  This return to a stable or steady state is called homeostasis.  

  It occurs because microbes provide essential stimuli for 

lymphocyte survival and activation and effector cells are 
short-lived.  

  Therefore, as the stimuli are eliminated, the activated 

lymphocytes are no longer kept alive 

  The initial activation of lymphocytes also generates long-

lived memory cells, which may survive for years after the 
infection.  

  Memory cells are an expanded pool of antigen-specific 

lymphocytes (more numerous than the naive cells specific 
for any antigen that are present before encounter with that 
antigen), and memory cells respond faster and more 
effectively against the antigen than do naive cells. This is 
why the generation of memory cells is an important goal 
of vaccination.  
 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

55 

Hypersensitivity reactions: 

mechanisms of immune-mediated 

injury 

 

  Immune responses are capable of causing tissue injury 

and diseases that are called hypersensitivity diseases.  

  This term originated from the idea that individuals who 

mount immune responses against an antigen are said to be 
"sensitized
" to that antigen, and therefore, pathologic or 
excessive reactions are manifestations of "hypersensitivity 

  Normally, an immune system of checks and eradicate the 

infecting organisms without serious injury to host tissues.  

  However, immune responses may be inadequately 

controlled or inappropriately targeted to host tissues, and 
in these situations, the normally beneficial response is the 
cause of disease.  
 

Causes of Hypersensitivity Diseases  

Pathologic immune responses may be directed against 
different types of antigens, and may result from various 
underlying abnormalities: 

1)  Autoimmunity 

Normally, the immune system does not react against an 
individual's own antigens. This phenomenon is called self-
tolerance,
 implying that all of us "tolerate" our own 
antigens. Sometimes, self-tolerance fails, resulting in 
reactions against one's own cells and tissues that are 
called autoimmunity.  

2)  Reactions against microbial antigens  

that may cause disease. In some cases, the reaction 
appears to be excessive or the microbial antigen is 
unusually persistent.  
If antibodies are produced against such antigens, the 
antibodies may bind to the microbial antigens to produce 
immune complexes, which deposit in tissues and trigger 
inflammation; this is the underlying mechanism of 
poststreptococcal glomerulonephritis  
T-cell responses against persistent microbes may give rise 
to severe inflammation, sometimes with the formation of 
granulomas this is the cause of tissue injury in 
tuberculosis and other infections. 
Rarely, antibodies or T cells reactive with a microbe 
cross-react with a host tissue; this is believed to be the 
basis of rheumatic heart disease  

3)  Reactions against environmental antigens.  

Most healthy individuals do not react strongly against 
common environmental substances (e.g., pollens, animal 
danders, or dust mites), but almost 20% of the population is 

"allergic" to these substances                                    
Allergies are diseases caused by unusual immune responses 
to a variety of noninfectious,  

 

Types of Hypersensitivity Diseases 

Hypersensitivity reactions are traditionally subdivided 
into four types; three are variations on antibody-mediated 
injury, whereas the fourth is cell mediated  
 

Immediate (Type I) Hypersensitivity 

  Often called allergy, 

  Results from the activation of the T

H

2 subset of CD4+ 

helper T cells by environmental antigens, leading to the 
production of IgE antibodies, which become attached to 
mast cells. 

  When these IgE molecules bind the antigen (allergen), the 

mast cells are triggered to release mediators that transiently 
affect vascular permeability & induce smooth muscle 
contraction in various organs & that also may stimulate more 
prolonged inflammation (the late-phase reaction). These 
diseases are commonly called allergic, or atopic, disorders. 

  This type is a tissue reaction that occurs rapidly (typically 

within minutes) after the interaction of antigen with IgE 
antibody that is bound to the surface of mast cells in a 
sensitized host.
  

  The reaction is initiated by entry of an antigen, which is 

called an allergen because it triggers allergy. 

   Many allergens are environmental substances that are 

harmless for most persons on exposure.  

  Some people apparently inherit genes that make them 

susceptible to allergies.  

  This susceptibility is manifested by the ability of such 

persons to mount strong T

H

2 responses and, subsequently, 

to produce IgE antibody against the allergens.  

  The IgE is central to the activation of the mast cells and 

release of mediators that are responsible for the clinical 
and pathologic manifestations of the reaction.  

  Immediate hypersensitivity may occur as a local reaction 

that is merely annoying (e.g., seasonal rhinitis or hay fever), 
severely debilitating (asthma), or even fatal (anaphylaxis). 
 

Sequence of Events in Immediate Hypersensitivity 
Reactions 

  Most hypersensitivity reactions follow the same 

sequence of cellular responses: 
  Activation of T

H

2 cells and production of IgE antibody.  

  Allergens may be introduced by inhalation, ingestion, 

or injection.  


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

56 

  Variables that probably contribute to the strong T

H

responses to allergens include: 
  The route of entry,  
  dose,  
  chronicity of antigen exposure,  
  The genetic makeup of the host.  
  Structural properties that endow them with the ability 

to elicit T

H

2 responses.  

 

  The TH2 cells that are induced secrete several cytokines:  

  IL-4 stimulates B cells specific for the allergen to undergo 

heavy-chain class switching to IgE and to secrete this 
immunoglobulin isotype. 

  IL-5 activates eosinophils that are recruited to the reaction, 
  IL-13 acts on epithelial cells & stimulates mucus secretion. 
  TH2 cells often are recruited to the site of allergic reactions 

in response to chemokines that are produced locally 

  Chemokines is eotaxin, which also recruits eosinophils to 

the same site. 

 

  Sensitization of mast cells by IgE antibody. 

Mast cells are derived from precursors in the bone marrow, 
are widely distributed in tissues, and often reside near blood 
vessels and nerves and in subepithelial locations.  
Mast cells express a high-affinity receptor for the Fc 
portion of the Ε heavy chain of IgE, called FcΕRI.  
These antibody-bearing mast cells are "sensitized" to react 
if the antigen binds to the antibody molecules.  

 

  Basophiles 

They also express FcΕRI, but their role in most immediate 
hypersensitivity reactions is not established (since these 
reactions occur in tissues and not in the circulation).  

 

  Eosinophils  

  The third cell type that expresses FcΕRI , which often are 

present in these reactions and also have a role in IgE-
mediated host defense against helminth infections, 

  Activation of mast cells and release of mediators. When a 

person who was sensitized by exposure to an allergen is 
reexposed to the allergen, it binds to multiple specific IgE 
molecules on mast cells, usually at or near the site of 
allergen entry.  

  When these IgE molecules are cross-linked, a series of 

biochemical signals is triggered in the mast cells. The 
signals culminate in the secretion of various mediators 
from the mast cells. 

 

 

  3 groups of mediators are the most important in 

different immediate hypersensitivity reactions: 

 

1)  Vasoactive amines released from granule stores. 

The granules of mast cells contain  
a)  Histamine, which is released within seconds or 

minutes of activation. Histamine causes vasodilation, 
increased vascular permeability, smooth muscle 
contraction, and increased secretion of mucus.  

b)  2-neutral proteases (e.g., tryptase), which may damage 

tissues and also generate kinins and cleave 
complement components to produce additional 
chemotactic and inflammatory factors (e.g., C3a)  


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

57 

2)  Newly synthesized lipid mediators. 

  Mast cells synthesize and secrete prostaglandins and 

leukotrienes,  

  These lipid mediators have several actions that are 

important in immediate hypersensitivity reactions.  

a)  Prostaglandin D

2

 (PGD

2

is the most abundant mediator 

generated by the cyclooxygenase pathway in mast cells. It 
causes intense bronchospasm as well as increased mucus 
secretion. 

b)  The leukotrienes LTC

4

 and LTD

4

 are the most potent 

vasoactive and spasmogenic agents known;   LTB

4

 is 

highly chemotactic for neutrophils, eosinophils, and 
monocytes. 

3)  Cytokines.  

  Activation of mast cells results in the synthesis and 

secretion of several cytokines that are important for the 
late-phase reaction. These include TNF and chemokines, 
which recruit and activate leukocytes  

   IL-4 and IL-5, which amplify the T

H

2-initiated immune 

reaction; and IL-13, which stimulates epithelial cell 
mucus secretion. 

  Often, the IgE-triggered reaction has 2 well-defined phases: 

a)  The immediate response, characterized by vasodilation, 

vascular leakage, and smooth muscle spasm, usually 
evident within 5 to 30 minutes after exposure to an 
allergen and subsiding by 60 minutes;  

b)  a second, late-phase reaction  

  that usually sets in 2 to 8 hours later and may last for 

several days  

  Characterized by inflammation as well as tissue 

destruction, such as mucosal epithelial cell damage. 

   The dominant inflammatory cells in the late-phase 

reaction are neutrophils, eosinophils, and lymphocytes, 
especially T

H

2 cells.   

  Eosinophils are recruited by eotaxin and other 

chemokines 
 
Eosinophils produce  

1)  major basic protein  
2)  Eosinophil cationic protein, which are toxic to epithelial 

cells 

3)  LTC

4

  

4)  Platelet-activating factor, which promote inflammation.  

 

  T

H

2 cells produce cytokines  

   Because inflammation is a major component of many 

allergic diseases, notably asthma and atopic dermatitis, 
therapy usually includes anti-inflammatory drugs such as 
corticosteroids. 

 

 

Clinical and Pathologic Manifestations 

  An immediate hypersensitivity reaction occurs as a 

systemic disorder or as a local reaction.  

  The nature of the reaction is often determined by the route 

of antigen exposure.  

  Systemic exposure to protein antigens (e.g., in bee 

venom) or drugs (e.g., penicillin) may result in systemic 
anaphylaxis.  urticaria (hives), and skin erythema appear, 
followed in short order by profound respiratory difficulty 
caused by pulmonary bronchoconstriction and 
accentuated by hypersecretion of mucus. the musculature 
of the entire gastrointestinal tract may be affected, with 
resultant vomiting, abdominal cramps, and diarrhea. 
(Anaphylactic shock), and the patient may progress to 
circulatory collapse and death within minutes. 

  Local reactions generally occur when the antigen is 

confined to a particular site, such as: 
  Skin (contact, causing urticaria),  
  Gastrointestinal tract (ingestion, causing diarrhea),  
  Lung (inhalation, causing bronchoconstriction).  
  Nose,  (inhalation)hay fever,  

  Patients who suffer from allergy often have a family 

history of similar conditions.  

  Genes involved in: 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

58 

  encoding HLA molecules  

   cytokines (which may control T

H

2 responses),  

 

a component of the FcΕRI,   

  The immune response dependent on T

H

2 cells and IgE-in 

particular, the late-phase inflammatory reaction-plays an 
important protective role in combating parasitic infections. 

   IgE antibodies are produced in response to many 

helminthic infections, and their physiologic function is to 
target helminths for destruction by eosinophils & mast cells 

 
 

Antibody-Mediated Diseases (Type II 
Hypersensitivity) 

 

Antibody-mediated (type II) hypersensitivity disorders are 
caused by 

 

 

Antibodies that bind to fixed tissue or cell surface antigens, 
promoting phagocytosis and destruction of the coated cells 
or triggering pathologic inflammation in tissues. 

 

Antibodies directed against: target antigens on the surface 
of cells or other tissue components.  The antigens may be 
normal molecules intrinsic to cell membranes or in the 
extracellular matrix, they may be adsorbed exogenous 
antigens (e.g., a drug metabolite).  

 
Mechanisms of Antibody-Mediated Diseases
 

   Antibodies cause disease by targeting cells for 

phagocytosis, and by interfering with normal cellular 
functions  

  The antibodies that are responsible typically are high-

affinity antibodies capable of activating complement and 
binding to the Fc receptors of phagocytes. 

 

1)  Opsonization and phagocytosis. 

   When circulating cells, such as erythrocytes or platelets, 

are coated (opsonized) with autoantibodies, with or 
without complement proteins, the cells become targets for 
phagocytosis by neutrophils and macrophages  

  These phagocytes express receptors for the Fc tails of IgG 

antibodies and for breakdown products of the C3 
complement protein, and use these receptors to bind and 
ingest opsonized particles.  

  Opsonized cells are usually eliminated in the spleen, and 

this is why splenectomy is of clinical benefit in 
autoimmune thrombocytopenia and some forms of 
autoimmune hemolytic anemia 

 

2) 

Antibodies bound to cellular or tissue antigens 

activate the complement system by the "classical" 
pathway  end with inflammation 
Products of complement activation serve several functions 
of which is to recruit neutrophils and monocytes, 
triggering inflammation in tissues. 

 

3)  Antibody-mediated cellular dysfunction. 

  In some cases, antibodies directed against cell surface 

receptors impair or dysregulate cellular function without 
causing cell injury or inflammation.  

  In myasthenia gravis, antibodies against acetylcholine 

receptors in the motor end plates of skeletal muscles inhibit 
neuromuscular transmission, with resultant muscle weakness.  

  In Graves disease, Abs against the thyroid-stimulating 

hormone receptor stimulate thyroid epithelial cells to 
secrete thyroid hormones, resulting in hyperthyroidism.  

  Antibodies against hormones and other essential proteins 

can neutralize and block the actions of these molecules, 
causing functional derangements 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

59 

 

Immune complex diseases (type III 
hypersensitivity) 

 

 

Are caused by antibodies binding to antigens to form 
immune complexes that circulate and deposit in vascular 
beds and stimulate inflammation, typically as a 
consequence of complement activation. Tissue injury in 
these diseases is the result of the inflammation.

 

  Antigen-antibody (immune) complexes that are formed in 

the circulation may deposit in blood vessels, leading to 
complement activation and acute inflammation.
  

  The antigens in these complexes may be exogenous 

antigens, such as microbial proteins, or endogenous 
antigens, such as nucleoproteins.  

  Small amounts of antigen-antibody complexes may be 

produced during normal immune responses and are 
usually phagocytosed and destroyed. 

  Immune complex-mediated injury is systemic when 

complexes are formed in the circulation and are deposited 
in several organs, or it may be localized to particular 
organs (e.g., kidneys, joints, or skin) if the complexes are 
formed and deposited in a specific site.  

 

Systemic Immune Complex Disease 

The pathogenesis of systemic immune complex disease 
can be divided into three phases:  

(1) formation of antigen-antibody complexes in the circulation  
(2) deposition of the immune complexes in various tissues 
(3)  inflammatory reaction in various sites throughout the body  

 

Acute serum sickness  

  It was first described in humans when large amounts of 

foreign serum were administered for passive immunization 
(e.g., in persons receiving horse serum containing 
antidiphtheria antibody 

  Approximately 5 days after the foreign protein is injected, 

specific antibodies are produced; these react with the 
antigen still present in the circulation to form antigen-
antibody complexes.  

  The complexes deposit in blood vessels in various tissue 

beds, triggering the subsequent injurious inflammatory 
reaction. 

  Several variables determine whether immune complex 

formation leads to tissue deposition and disease.  


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

60 

1)  The size of the complexes. Very large complexes or 

complexes with many free IgG Fc regions (typically 
formed in antibody excess) are rapidly removed from the 
circulation by macrophages in the spleen and liver and are 
therefore usually harmless.  

2)  The charge of the complex,   
3)  The valency of the antigen,  
4)  The avidity of the antibody,   5-the hemodynamics of a 

given vascular bed  

  The favored sites of deposition are: 

Kidneys, joints, and small blood vessels in many tissues. 

  Localization in the kidney and joints is explained in part 

by the high hemodynamic pressures associated with the 
filtration function of the glomerulus and the synovium.  

 

The third phase, the inflammatory reaction

  During this phase (approximately 10 days after antigen 

administration), clinical features such as fever, urticaria, 
arthralgias, lymph node enlargement, and proteinuria 
appear.  

  The immune complexes activate the complement system, 

leading to the release of biologically active fragments 
such as the anaphylatoxins (C3a and C5a), which increase 
vascular permeability and are chemotactic for neutrophils 
and monocytes  

 

The complexes also bind to Fcγ receptors on neutrophils 
and monocytes, activating these cells.  

  phagocytosis of immune complexes by the leukocytes 

results in the secretion of a variety of additional pro-
inflammatory substances, including prostaglandins, 
vasodilator peptides, and chemotactic substances, as well 
as lysosomal enzymes capable of digesting basement 
membrane, collagen, elastin, and cartilage, and reactive-
oxygen species that damage tissues.  

  Immune complexes can also cause platelet aggregation 

and activate Hageman factor; both of these reactions 
augment the inflammatory process and initiate formation 
of microthrombi, which contribute to the tissue injury by 
producing local ischemia  

  The resultant pathologic lesion is termed vasculitis if it 

occurs in blood vessels, glomerulonephritis if it occurs in 
renal glomeruli,arthritis if it occurs in the joints, & so on. 

  (IgG and IgM) and antibodies that bind to phagocyte Fc 

receptors (IgG). During the active phase of the disease, 
consumption of complement may result in decreased 
serum complement levels.  

 

Morphology

:  

  The morphologic appearance of immune complex injury 

is dominated by acute necrotizing 

vasculitis, microthrombi, and superimposed ischemic 
necrosis accompanied by acute inflammation of the 
affected organs. 

  The necrotic vessel wall takes on a smudgy eosinophilic 

appearance called fibrinoid necrosis, caused by protein 
deposition  

  However, chronic immune complex disease develops 

when there is persistent antigenemia or repeated exposure 
to an antigen. 

  This occurs in some human diseases, such as systemic 

lupus erythematosus (SLE).  

 

 

 

Local Immune Complex Disease

 

Arthus reaction: 

  In which an area of tissue necrosis appears as a result of 

acute immune complex vasculitis.  

  The reaction is produced experimentally by (injecting an 

antigen into the skin of a previously immunized animal 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

61 

i.e., pre-formed antibodies against the antigen are already 
present in the circulation).  

  Because of the initial antibody excess, immune complexes 

are formed as the antigen diffuses into the vascular wall; 
these are precipitated at the site of injection and trigger 
the same inflammatory reaction and histologic appearance 
as in systemic immune complex disease.  

  Arthus lesions evolve over a few hours and reach a peak 4 

to 10 hours after injection, when the injection site 
develops visible edema with severe hemorrhage, 
occasionally followed by ulceration. 

 

T cell–mediated (type IV) hypersensitivity 

  Are caused mainly by immune responses in which T 

lymphocytes of the T

H

1 and T

H

17 subsets produce 

cytokines that induce inflammation and activate 
neutrophils and macrophages, which are responsible for 
tissue injury. CD8+ CTLs also may contribute to injury 
by directly killing host cells. 

  Two types of T cell reactions are capable of causing tissue 

injury and disease:  
(1) cytokine-mediated inflammation, in which the 

cytokines are produced mainly by CD4+ T cells 

(2) direct cell cytotoxicity, mediated by CD8+ Tc cells  

  In inflammation, exemplified by the delayed-type 

hypersensitivity (DTH) reaction, CD4+ T cells of the T

H

and T

H

17 subsets secrete cytokines, which recruit and 

activate other cells, especially macrophages, and these are 
the major effector cells of injury.  
 

Inflammatory reactions elicited by CD4+ T cells 

1)  First exposure to antigen and is essentially cell-

mediated immunity  

  Naive CD4+ T lymphocytes recognize peptide antigens of 

self or microbial proteins in association with class II 
MHC molecules on the surface of DCs (or macrophages) 
that have processed the antigens.  

  If the DCs produce IL-12, the naive T cells differentiate 

into effector cells of the T

H

1 type.  

  The cytokine IFN-γ, made by NK cells and by the T

H

cells themselves, further promotes T

H

1 differentiation, 

providing a powerful positive feedback loop.  

  If the APCs produce IL-1, IL-6, or IL-23 instead of IL-

12, the CD4+ cells develop into T

H

17 effectors.  

2)  On subsequent exposure to the antigen,  

  The previously generated effector cells are recruited to the 

site of antigen exposure and are activated by the antigen 
presented by local APCs.  

  The T

H

1 cells secrete IFN-γ, which is the most potent 

macrophage-activating cytokine known.  

   Activated macrophages also express more class II MHC 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

62 

molecules and costimulators, and the cells secrete more 
IL-12, thus stimulating more T

H

1 responses.  

  T

H

17 effector cells secrete IL-17 which promote the 

recruitment of neutrophils (and monocytes) and thus 
induce inflammation. Because the cytokines produced by 
the T cells enhance leukocyte recruitment and activation, 
these inflammatory reactions become chronic unless the 
offending agent is eliminated or the cycle is interrupted 
therapeutically.  

  Contact dermatitis is an example of tissue injury resulting 

from T cell-mediated inflammation. It is evoked by 
contact with the active component of poison ivy and 
poison oak, which probably becomes antigenic by binding 
to a host protein).  

  On reexposure of a previously exposed person to the 

plants, sensitized T

H

1 CD4+ cells accumulate in the 

dermis and migrate toward the antigen within the 
epidermis. Here they release cytokines that damage 
keratinocytes, causing separation of these cells and 
formation of an intraepidermal vesicle, and inflammation 
manifested as a vesicular dermatitis.  

  type 1 diabetes  

  multiple sclerosis, are caused by T

H

1 and T

H

17 reactions 

against self-antigens, and  

  Crohn disease may be caused by uncontrolled reactions 

involving the same T cells but directed against intestinal 
bacteria.  

  rejection of transplants 

 

  Delayed-Type Hypersensitivity 

  DTH is a T cell-mediated reaction that develops in 

response to antigen challenge in a previously sensitized 
individual. In contrast with immediate hypersensitivity, 
the DTH reaction is delayed for 12 to 48 hours, which is 
the time it takes for effector T cells to be recruited to the 
site of antigen challenge and to be activated to secrete 
cytokines.  

  Tuberculin reaction, elicited by challenge with a protein 

extract of M. tuberculosis (tuberculin) in a person who has 
previously been exposed to the tubercle bacillus. Between 
8 and 12 hours after intracutaneous injection of 
tuberculin, a local area of erythema and induration 
appears, reaching a peak (typically 1 to 2 cm in diameter) 
in 24 to 72 hours and thereafter slowly subsiding. 

  On histologic examination, the DTH reaction is 

characterized by perivascular accumulation ("cuffing") of 
CD4+ helper T cells and macrophages 

  Local secretion of cytokines by these cells leads to 

increased microvascular permeability, giving rise to 

dermal edema and fibrin deposition; the latter is the main 
cause of the tissue induration in these responses. 

   DTH reactions are mediated primarily by T

H

1 cells; the 

contribution of T

H

17 cells is unclear.  

  The tuberculin response is used to screen populations for 

people who have had previous exposure to tuberculosis 
and therefore have circulating memory T cells specific for 
mycobacterial proteins.  

  Notably, immunosuppression or loss of CD4+ T cells 

(e.g., resulting from HIV infection) may lead to a 
negative tuberculin response even in the presence of a 
severe infection.
 

 

 

Delayed-type hypersensitivity reaction in the skinA, 
Perivascular accumulation ("cuffing") of mononuclear 
inflammatory cells (lymphocytes and macrophages), with 
associated dermal edema and fibrin deposition. B, 
Immunoperoxidase staining reveals a predominantly perivascular 
cellular infiltrate that marks positively with anti-CD4 antibodies 

 

  Prolonged DTH reactions against persistent microbes or 

other stimuli may result in a special morphologic pattern 
of reaction called granulomatous inflammation. 

  The initial perivascular CD4+ T cell infiltrate is 

progressively replaced by macrophages over a period of 2 
to 3 weeks. They become large, flat, and eosinophilic, and 
are called epithelioid cells.  

  The epithelioid cells occasionally fuse under the influence 

of cytokines (e.g., IFN-γ) to form multinucleate giant cells.  

  A microscopic aggregate of epithelioid cells, typically 

surrounded by a collar of lymphocytes, is called a granuloma  

  The process is essentially a chronic form of T

H

1-mediated 

inflammation and macrophage activation  

  Older granulomas develop an enclosing rim of fibroblasts 

and connective tissue.  


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

63 

 

Granulomatous inflammation.  

A, A section of a lymph node shows several granulomas, each 
made up of an aggregate of epithelioid cells and surrounded by 
lymphocytes. The granuloma in the center shows several 
multinucleate giant cells. 
 B, The events that give rise to the formation of granulomas in 
type IV hypersensitivity reactions. Note the role played by T-
cell-derived cytokines. 

 

T Cell-Mediated Cytotoxicity 

  CD8+ CTLs kill antigen-bearing target cells.  

  Class I MHC molecules bind to intracellular peptide 

antigens and present the peptides to CD8+ T lymphocytes, 
stimulating the differentiation of these T cells into effector 
cells called CTLs.  

  CTLs play a critical role in resistance to virus infections 

and some tumors.  

  The principal mechanism of killing by CTLs is dependent 

on the perforin-granzyme system. Perforin and granzymes 

are stored in the granules of CTLs and are rapidly released 
when CTLs engage their targets.  

  Perforin binds to the plasma membrane of the target cells 

and promotes the entry of granzymes, which are proteases 
that specifically cleave and thereby activate cellular 
caspases. These enzymes induce apoptotic death of the 
target cells  

  CTLs play an important role in the rejection of solid-

organ transplants and may contribute to many 
immunologic diseases, such as type 1 diabetes (in which 
insulin-producing β cells in pancreatic islets are destroyed 
by an autoimmune T cell reaction).  

  CD8+ T cells may also secrete IFN-γ and contribute to 

cytokine-mediated inflammation, but less so than CD4+ 
cells.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

64 

Autoimmune diseases  

  Is an immune reaction to self-antigens (i.e., autoimmunity 

due to presence of autoreactive antibodies or T cells  

  Presumed autoimmune diseases range from those in 

which specific immune responses are directed against one 
particular organ or cell type and result in localized 
tissue damage,
 to multisystem diseases characterized by 
lesions in many organs and associated with multiple 

autoantibodies or cell-mediated reactions against 
numerous self-antigens
 

  In the systemic diseases, the lesions affect principally the 

connective tissue and blood vessels of the various 
organs 
involved. 

  The diseases are often referred to as "collagen vascular" 

or "connective tissue" disorders. 
 

Immunological Tolerance 

  lack of immune responsiveness to one's own tissue antigens  

  Central tolerance. This refers to deletion of self-reactive 

T and B lymphocytes during their maturation in central 
lymphoid organs (i.e., in the thymus for T cells and in the 
bone marrow for B cells).  

  Peripheral tolerance. Self-reactive T cells that escape 

negative selection in the thymus can potentially dangerous 
unless they are deleted. 

 

Several mechanisms in the peripheral tissues that 
silence autoreactive T cells have been identified:
 

1)  Anergy: This refers to functional inactivation (rather than 

death) of lymphocytes induced by encounter with antigens 

under certain conditions 

2)  Suppression by regulatory T cells: The responses of T 

lymphocytes to self-antigens may be actively suppressed 
by regulatory T cells (Treg). 

3)  Activation-induced cell death: apoptosis of mature 

lymphocytes as a result of self-antigen recognition.  
 

Mechanisms of Autoimmunity 

The breakdown of self-tolerance and the development of 
autoimmunity are probably related to the inheritance of 
various susceptibility genes 
and environmental factors  
that cause changes in tissues, often induced by infections or 
injury
, that alter the display & recognition of self-antigens 
 

Genetic Factors in Autoimmunity 

Autoimmune diseases have a tendency to run in families
and there is a greater incidence of the same disease in 
monozygotic than in dizygotic twins 
Several autoimmune diseases are linked with the HLA 
locus,
 especially class II alleles (HLA-DR, -DQ). 
Genome-wide linkage analyses are revealing many 

genetic loci that are associated with different 
autoimmune
 diseases due to mutation or polymorphism  

Role of Infections and Tissue Injury 

  Viruses and other microbes may share cross-reacting 

epitopes with self-antigens, 

  Microbial infections with resultant tissue necrosis and 

inflammation can cause upregulation of costimulatory 
molecules
 on APCs in the tissue, thus favoring a break-

Central and 
peripheral 
tolerance (T -and 
B- cell) 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

65 

down of T cell anergy and subsequent T cell activation. 

  Tissue antigens may be altered by a variety of 

environmental insults, like ultraviolet (UV) radiation 
causes cell death and may lead to the exposure of nuclear 
antigens, which elicit pathologic immune responses 
in lupus; this mechanism is the proposed explanation for 
the association of lupus flares with exposure to 
sunlight. Smoking had an effect
 

 

there is a strong gender bias of autoimmunity,♀>♂ 

 

 

Systemic Lupus Erythematosus 

  Systemic lupus erythematosus (SLE) is a multisystem 

autoimmune disease of variable clinical behavior.  

  Clinically, it is an unpredictable, remitting and relapsing 

disease of acute or insidious onset that may involve 
virtually any organ in the body 

   It affects principally the skin, kidneys, serosal 

membranes, joints, and heart. 

  Immunologically, the disease is associated with an 

enormous array of autoantibodies, classically including 
antinuclear antibodies (ANAs). The clinical presentation 
of SLE is so variable, with so many overlapping features 
with those of other autoimmune diseases (RA, 
polymyositis, and others), that it has been necessary to 
develop diagnostic criteria for SLE  

  The diagnosis is established by demonstration of 4 or 

more of the criteria during any interval of observation. 
4/11 
1. Malar rash      2. Discoid rash  3. Photosensitivity           
4. Oral ulcers    5. Arthritis   6. Serositis   7. Renal disorder          
8. Neurologic disorder     9. Hematologic disorder            
10. Immunologic disorder   11. Antinuclear antibody 
 

Pathogenesis 

1)  Genetic Factors. Many lines of evidence support a 

genetic predisposition to SLE.(Familial association, 
HLA association,
 Genetic deficiencies of classical 
pathway complement proteins, especially C1q, C2, or C4, 
are seen in about 10% of patients with SLE.) 

2)  Environmental Factors.(Ultraviolet (UV) radiation, 

Cigarette smoking, Sex hormones, Drugs 

3)  Immunologic Abnormalities in SLE. 

Production abnormally large amounts of  IFN-α.  
TLR signals (Toll -like receptors) that activate B cells 
specific for self-nuclear Ags.  Failure of B cell tolerance 
 

Spectrum of Autoantibodies in SLE 

  Antibodies have been identified against a host of nuclear & 

cytoplasmic components of the cell(DNA, histones, nucleolar 

  Another group of antibodies is directed against surface 

Ags of blood cells, platelets, lymphocytes, phospholipids 
 

Mechanisms of Tissue Injury 

Most organ damage in SLE is caused by immune complex 
deposition.   (Type III hypersensitivity) 
Autoantibodies of different specificities contribute to the 
pathology & clinical manifestations of SLE (type II hyper-
sensitivity). Autoantibodies against red cells, white cells, & 
platelets opsonize these cells and lead to their phagocytosis 
 

Morphology 

The morphologic changes in SLE are therefore extremely 
variable and depend on the nature of the autoantibodies
the tissue in which immune complexes deposit, and the 
course and duration of disease. The most characteristic 
morphologic changes result from the deposition of 
immune complexes in a variety of tissues. 

1)  Blood Vessels. An acute necrotizing vasculitis 
2)  Kidneys. The pathogenesis of all forms 

of glomerulonephritis in SLE involves deposition of 
DNA-anti-DNA complexes within the glomeruli.  

3)  Skin is involved in a majority of patients; a characteristic 

erythematous or maculopapular eruption over the malar 
eminences and bridge of the nose ("butterfly pattern")  


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

66 

4)  Joints. 5) CNS.  6) spleen  7) heart  8) liver 

 

 

 

Lupus nephritis 

A.  Focal lupus nephritis, with two necrotizing lesions in a glomerulus 

(segmental distribution) (H&E stain).  

B.  Diffuse lupus nephritis. Note the marked global increase in 

cellularity throughout the glomerulus (H&E stain). 

C.  Lupus nephritis showing a glomerulus with several "wire loop" 

lesions representing extensive subendothelial deposits of immune 
complexes (periodic acid Schiff stain).  

D.  Electron micrograph of a renal glomerular capillary loop from a 

patient with SLE nephritis. Confluent subendothelial dense deposits 
correspond to "wire loops" seen by light microscopy. 

E.  Deposition of IgG antibody in a granular pattern, detected by 

immunofluorescence.  
B, basement membrane;         End, endothelium;  
Ep, epithelial cell with foot processes; Mes, mesangium; RBC, red 
blood cell in capillary lumen; US, urinary space; *, electron-dense 
deposits in subendothelial location. 

 

Clinical Manifestations 

  The patient is a young woman with some, but rarely all, of 

the following features: a butterfly rash over the face, 
fever, pain and swelling in one or more peripheral joints 
(hands and wrists, knees, feet, ankles, elbows, shoulders), 
pleuritic chest pain, and photosensitivity.  

  The most common causes of death are renal failure, 

intercurrent infections, and cardiovascular disease 

 

 

Systemic lupus erythematosus involving the skin.  

A, An H&E-stained section shows liquefactive degeneration of the 
basal layer of the epidermis and edema at the dermoepidermal 
junction.  
B, An immunofluorescence micrograph stained for IgG reveals 
deposits of immunoglobulin along the dermoepidermal junction. 
H&E, hematoxylin-eosin; IgG, immunoglobulin G. 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

67 

Rheumatoid Arthritis (RA) 

Is a systemic, chronic inflammatory disease affecting 
many tissues but principally attacking the joints to 
produce a nonsuppurative proliferative synovitis that 
frequently progresses to destroy articular cartilage and 
underlying bone with resulting disabling arthritis.  
 

Morphology  

RA typically presents as symmetric arthritis, 
principally affecting the small joints
 of the hands and 
feet, ankles, knees, wrists, elbows, and shoulders. 
Typically, the proximal interphalangeal and 
metacarpophalangeal joints are affected, but distal 
interphalangeal joints are spared.  
Histologically, the affected joints show chronic 
synovitis, characterized by
 

1)  synovial cell hyperplasia and proliferation; 
2)  dense perivascular inflammatory cell infiltrates 

(frequently forming lymphoid follicles) in the synovium 
composed of CD4+ T cells, plasma cells & macrophages; 

3)  increased vascularity due to angiogenesis; 
4)  neutrophils and aggregates of organizing fibrin on the 

synovial surface and in the joint space; and  

5)  increased osteoclast activity in the underlying bone, 

leading to synovial penetration and bone erosion 

 

  The classic appearance is that of a pannus, formed by 

proliferating synovial-lining cells admixed with 
inflammatory cells, granulation tissue, and fibrous 
connective tissue; the overgrowth of this tissue is so 
exuberant that the usually thin, smooth synovial 
membrane is transformed into , edematous, frondlike 
(villous) projections 
 

  With full-blown inflammatory joint involvement, 

periarticular soft tissue edema usually develops, 
classically manifested first by fusiform swelling of the 
proximal interphalangeal joints 

  With progression of the disease, the articular cartilage 

subjacent to the pannus is eroded and, virtually destroyed.  

   The subarticular bone may also be attacked and eroded. 

Eventually the pannus fills the joint space, and subsequent 
fibrosis and calcification may cause permanent ankylosis.  

 

Rheumatoid arthritisA, A joint lesion. B, Low magnification reveals 
marked synovial hypertrophy with formation of villi. C, At higher 
magnification, dense lymphoid aggregates are seen in the synovium  

 

Sjögren Syndrome 

  Sjögren syndrome is a clinicopathologic entity 

characterized by dry eyes (keratoconjunctivitis sicca) 
and dry mouth (xerostomia), 
resulting from immune-
mediated destruction of the lacrimal and salivary glands. 
It occurs as an isolated disorder (primary form), or more 
often in association with another autoimmune disease 
(secondary form).  


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

68 

  Involved tissues show an intense lymphocyte (primarily 

activated CD4+ T cells) & plasma-cell infiltrate, 
occasionally forming lymphoid follicles with germinal 
centers. 
 

  The disease is believed to be caused by an autoimmune 

T-cell reaction against an unknown self-antigen(s) 
expressed in these glands, or immune reactions against the 
antigens of a virus that infects the tissues The disease is 
believed to be caused by an autoimmune T-cell reaction 
against an unknown self-antigen(s) 
expressed in these 
glands, or immune reactions against the antigens of a 
virus that infects the tissues  

 

Sjögren syndromeA, Enlargement of the salivary gland. B, 
The histologic view shows intense lymphocytic and plasma cell 
infiltration with ductal epithelial hyperplasia.  

 

Systemic Sclerosis (Scleroderma) 

  This disorder is better labeled (SS), because it is 

characterized by excessive fibrosis throughout the body 
and not just the skin.  

  Cutaneous involvement is the usual presenting symptom  

in approximately 95% of cases, 

   but it is the visceral involvement-of the gastrointestinal 

tract, lungs, kidneys, heart, and skeletal muscles-that 
produces the major morbidity and mortality. 

  Fibroblast activation with excessive fibrosis is the 

hallmark of systemic sclerosis. . 

   It is proposed that CD4+ cells responding to an 

unidentified antigen accumulate in the skin and release 
cytokines that activate mast cells and macrophages; in 
turn, these cells release fibrogenic cytokines such as IL-
1, PDGF, TGF-β, and fibroblast
 growth factors.  

  B-cell activation also occurs, as indicated by the presence 

of hypergammaglobulinemia and ANAs.  

  Almost all patients develop Raynaud phenomenon  

  Endothelial injury and microvascular disease are 

commonly present in the lesions of systemic sclerosis  

 

Systemic sclerosis.  
A, Normal skin.  
B, Extensive deposition of dense collagen in the dermis. C, The 
extensive subcutaneous fibrosis has virtually immobilized the 
fingers, creating a clawlike flexion deformity. 
Loss of blood supply has led to cutaneous ulcerations.  

Pathogenesis of SS: unknown 
external stimuli cause vascular 
abnormalities and immune 
activation in genetically 
susceptible individual leads to 

excessive fibrosis    


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

69 

Inflammatory Myopathies 

  Inflammatory myopathies make up a heterogeneous group 

of rare disorders characterized by immune-mediated 
muscle injury and inflammation. 

  Three disorders-: 

  polymyositis,  
  dermatomyositis, 
   and inclusion body myositis-have been described. 

  Women with dermatomyositis have a slightly increased risk 

of developing visceral cancers (of the lung, ovary, stomach) 

  The immunologic evidence supports antibody-mediated 

tissue injury in dermatomyositis, whereas polymyositis and 
inclusion body myositis seem to be mediated by CTLs.  

  ANAs are present in most patients. 

  Only Jo-1 antibodies, directed against transfer RNA 

synthetase, are specific for this group of disorders  

 

Rejection of transplants 

  The major barrier to transplantation of organs from one 

individual to another of the same species (called allografts
is immunologic rejection of the transplanted tissue  

  Rejection of allografts is a response to MHC molecules, 

which are so polymorphic that no two individuals in an 
outbred population are likely to express exactly the same 
set of MHC molecules  

  Effector Mechanisms of Graft Rejection  

  Recognition of alloAgs by direct and indirect pathway 

lead to T cells and antibodies reactive with the graft are 
involved in the rejection of most solid-organ allografts 

Morphology (Types) 

 

Hyperacute Rejection

.  

Occurs within minutes to a few hours after transplantation 
in a presensitized host and is typically recognized by the 
surgeon just after the vascular anastomosis is completed. 
The histology is characterized by widespread acute 
arteritis and arteriolitis, vessel thrombosis, and 
ischemic necrosis, all resulting  
From the binding of preformed antibodies to graft 
endothelium.
 Virtually all arterioles and arteries exhibit 
characteristic acute fibrinoid necrosis of their walls,  

 

Acute cellular rejection 

 

Is most commonly seen within the first months after 
transplantation and is typically accompanied by clinical 
signs of renal failure.  

Histologically, there is usually extensive interstitial CD4+ 
and CD8+ T-cell infiltration with edema and mild 
interstitial hemorrhage.  

Glomerular and peritubular capillaries contain large 
numbers of mononuclear cells
, which may also invade 
the tubules and cause focal tubular necrosis. In addition to 
tubular injury, CD8+ T cells may also injure the 
endothelium, causing an endotheliitis.  

 

Acute humoral rejection (rejection vasculitis)

 

caused by antibodies  
The histologic lesions may take the form of necrotizing 
vasculitis with endothelial cell necrosis; neutrophilic 
infiltration; deposition of antibody, complement, and 
fibrin; and thrombosis.  
Such lesions may be associated with ischemic necrosis of 
the renal parenchyma.  
The resultant narrowing of the arterioles may cause 
infarction or renal cortical atrophy.  
The proliferative vascular lesions mimic arteriosclerotic 
thickening and are believed to be caused by cytokines 

 

Chronic Rejection

:  

Present clinically late after transplantation (months to 
years) with a progressive rise in serum creatinine levels 
(an index of renal dysfunction) over a period of 4 to 6 
months. 
The vascular changes occur predominantly in the arteries 
and arterioles, which exhibit intimal smooth muscle cell 
proliferation and extracellular matrix synthesis  
 
Result in renal ischemia manifested by loss or hyalinization 
of glomeruli, interstitial fibrosis, and tubular atrophy.  
The vascular lesion may be caused by cytokines released by 
activated T cells that act on the cells of the vascular wall. 
Chronic rejection does not respond to standard immune-
suppression regimens& need other renal transplant 
Hyperacute Rejection. Hyperacute rejection occurs 
within minutes to a few hours after transplantation in a 
presensitized host and is typically recognized by the 
surgeon just after the vascular anastomosis is completed.  
 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

70 

 

 

 

Morphologic patterns of graft rejection. 
A,
 Hyperacute rejection of a kidney allograft showing endothelial 
damage, platelet and   thrombi in a glomerulus. 

B, Acute cellular rejection of a kidney allograft with inflammatory 
cells in the interstitium and between epithelial cells of the tubules.  
C, Acute humoral rejection of a kidney allograft (rejection 
vasculitis) with inflammatory cells & proliferating smooth muscle 
cells in the intima 
D, Chronic rejection in a kidney allograft with graft arteriosclerosis. 
The arterial lumen is replaced by an accumulation of smooth muscle 
cells and connective tissue in the intima. 

 

Transplantation of Hematopoietic Cells 

  Bone marrow transplantation is increasingly used as 

therapy for hematopoietic and some nonhematopoietic 
malignancies, aplastic anemias, and certain immune 
deficiency states  

  HSC previously was obtained from donor bone marrow

now was  harvested from peripheral blood after 
administration of hematopoietic growth factor or from the 
umbilical cord of newborn as a rich source of HSC 

Two complications were raised from these 
transplantations:
 

 

1)  1-Graft –versus –host Disease (GVHD) occurs when 

immunologically competent T cells (or their precursors) 
are transplanted into recipients who are immunologically 
compromised. Either acute or chronic 

2)  2-Immune deficiency leads to viral infections (EBV, CMV) 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

71 

Immune deficiency diseases 

Immune deficiency diseases may be caused by inherited 
defects affecting immune system development, or they 
may result from secondary effects of other diseases (e.g., 
infection, malnutrition, aging, immunosuppression, 
autoimmunity, or chemotherapy).  
Clinically, patients with immune deficiency present with 
increased susceptibility to infections as well as to certain 
forms of cancer.  
 

Primary Immune Deficiencies (congenital)  

Most primary immune deficiency diseases are genetically 
determined and affect either adaptive immunity (i.e., 
humoral or cellular) or innate host defense mechanisms, 
including complement proteins and cells such as 
phagocytes and NK cells. 
Most primary immune deficiencies occur early in life 
(between 6 months and 2 years of age). 
 

X-Linked Agammaglobulinemia (XLA, Bruton 
Disease) 

  It is characterized by the failure of pre-B cells to 

differentiate into B cells; as a consequence, and as the 
name implies, there is a resultant absence of gamma 
globulin
 in the blood. 

  B-cell maturation stops because of mutations in a tyrosine 

kinase that is associated with pre-B-cell signal transduction 

  Absent or markedly decreased numbers of B cells in the 

circulation, depressed serum levels of all classes of 
immunoglobulins.  

  The numbers of pre-B cells in the bone marrow may be 

normal or reduced. 

  Underdeveloped germinal centers in peripheral lymphoid 

tissues, Absence of plasma cells throughout the body 

  Normal T-cell-mediated responses  

 

Common Variable Immunodeficiency  

This is a heterogeneous group of disorders characterized by: 
hypogammaglobulinemia, impaired Ab responses to 
infection (or vaccination), increased susceptibility to 
infections 
The basis of the Ig deficiency is variable (hence the name). 
 

Isolated IgA Deficiency  

The pathogenesis of IgA deficiency seems to involve 
block in the terminal differentiation of IgA-secreting B 
cells to plasma cells;
 IgM and IgG subclasses of antibodies 
are present in normal or even supranormal levels 

Hyper-IgM Syndrome  

  Patients with the hyper-IgM syndrome produce normal (or 

even supranormal) levels of IgM antibodies to antigens 
but lack the ability to produce the IgG, IgA, or IgE 
isotypes; the underlying defect is an inability of T cells 
to induce B-cell isotype switching
 

  The most common genetic abnormality is mutation of the 

gene encoding CD40L. 

  The contact-dependent signals are provided by interaction 

between CD40 molecules on B cells and CD40L (also 
known as CD154), expressed on activated helper T cells. 

  There is also a defect in cell-mediated immunity because 

the CD40-CD40L interaction is critical for helper T cell-
mediated activation of macrophages, the central reaction 
of cell-mediated immunity.  

  These patients are also susceptible to a variety of 

intracellular pathogens that are normally combated by 
cell-mediated immunity 
 

Thymic Hypoplasia: DiGeorge Syndrome 

The disorder is a consequence of a developmental 
malformation affecting the third and fourth pharyngeal 
pouches-structures
 that give rise to the thymus, 
parathyroid glands, and portions of the face and aortic 
arch. Thus, in addition to the thymic and T-cell defects, 
there may be parathyroid gland hypoplasia resulting in 
hypocalcemic tetany, 
 

Severe Combined Immunodeficiency (SCID) 

  Defects in both humoral & cell-mediated immune responses 

  Affected infants are susceptible to severe recurrent 

infections by a wide array of pathogens, including 
bacteria, viruses, fungi, and protozoans; opportunistic 
infections by Candida. 

  These are caused by mutations in the gene encoding the 

common γ chain shared by the receptors for the cytokines 
IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, and IL-15. 

  IL-7 is the most important in this disease because it is the 

growth factor responsible for stimulating the survival 
and expansion of immature B- and T-cell precursors 
in 
the generative lymphoid organs.  

  It is X- linked (X-SCID) caused by mutations in 

adenosine deaminase (ADA), an enzyme involved in 
purine metabolism. ADA deficiency results in 
accumulation of adenosine, which inhibit DNA synthesis 
& are toxic to lymphocytes. It is Autosomal SCID 

  Patients with SCID are currently treated by bone marrow 

transplantation. 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

72 

   X-SCID is the first disease in which gene therapy has 

been used to successfully replace the mutated gene 

 
 

Secondary Immune Deficiencies 

  Immune deficiencies secondary to other diseases or 

therapies are much more common than the primary 
(inherited) disorders.
  

  Secondary immune deficiencies may be encountered in 

patients with malnutrition, infection, cancer, renal 
disease, or sarcoidosis
. However, the most common cases 
of immune deficiency are therapy-induced suppression of 
the bone marrow
 and of lymphocyte function.  
 

Acquired Immunodeficiency Syndrome  

AIDS is a retroviral disease caused by the human 
immunodeficiency virus (HIV
). It is characterized by 
infection and depletion of CD4+ T lymphocytes, and by 
profound immunosuppression leading to opportunistic 
infections, secondary neoplasms, and neurologic 
manifestations 
 

 

 

 

 

 
 
 

 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

73 

Amyloidosis 

  Is a condition associated with a number of inherited and 

inflammatory disorders in which extracellular deposits 
of fibrillar proteins
 are responsible for tissue damage 
and functional compromise 

  These abnormal fibrils are produced by the aggregation 

of misfolded proteins  

  The presence of abundant charged sugar groups in these 

adsorbed proteins give the deposits staining characteristics 
that were thought to resemble starch (amylose).  

  Therefore, the deposits were called amyloid, despite the 

realization that the deposits are unrelated to "starch."  

Pathogenesis of Amyloid Deposition 

  Amyloidosis is fundamentally a disorder of protein 

misfolding.  

  More than 20 (at last count, 23) different proteins can 

aggregate & form fibrils with the appearance of amyloid.  

  All amyloid deposits are composed of nonbranching 

fibrils that are wound together .The dye Congo red 
binds to these fibrils and produces a red-green 
 

 

Structure of amyloid. 
 A, Schematic diagram of an amyloid fiber showing fibrils (4 
shown, may be up to 6) wound around one another with 
regularly spaced binding of the Congo red dye. 
 B, Congo red staining shows an apple-green birefringence under 
polarized light, a diagnostic feature of amyloid.  
C, Electron micrograph of 7.5-10 nm amyloid fibrils.  

  The proteins that form amyloid fall into 2 general 

categories: 
1)  normal proteins that have an inherent tendency to fold 

improperly,  

2)  Mutant proteins that is prone to misfolding and 

subsequent aggregation. three are most common: 

  The AL (amyloid light chain) protein: is produced by 

plasma cells and is made up of complete immunoglobulin 
light chains, 

  The AA (amyloid-associated) fibril: is a protein derived 

from serum precursor called SAA (serum amyloid-
associated) protein that is synthesized in the liver under 
the influence of cytokines such as IL-6 and IL-1 that are 
produced during inflammation. 

  Aβ amyloid: is found in cerebral lesion  of Alzheimer 

disease . constitutes the core of cerebral plaques 

  Transthyretin (TTR) : s a normal serum protein that 

binds and transports thyroxine and retinol,  

 

β

2

-Microglobulin: a component of MHC class I molecules 

 

Classification of Amyloidosis 

  Amyloid may be 

systemic (generalized), 

involving 

several organ systems,  

  On clinical grounds, the systemic, or generalized, pattern 

is subclassified into primary amyloidosis when 
associated with a monoclonal plasma cell proliferation &  
Secondary amyloidosis when it occurs as a complication 
of an underlying chronic inflammatory 

  Or it may be 

localized

, when deposits are limited to a 

single organ, such as the heart.  

  Hereditary or familial amyloidosis constitutes a 

separate, heterogeneous group, with several distinctive 
patterns of organ involvement. 
 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

74 

 

Morphology 

  There are no consistent or distinctive patterns of organ or 

tissue distribution of amyloid deposits 

  In amyloidosis secondary to chronic inflammatory 

disorders, kidneys, liver, spleen, lymph nodes, adrenals, 
and thyroid, as well as many other tissues, 

  On histologic examination, the amyloid deposition is 

always extracellular and begins between cells, often 
closely adjacent to basement membranes. As the amyloid 
accumulates, it surrounding the cells and destroying them. 
In the AL form, perivascular and vascular localizations 
are common. 

  The histologic diagnosis of amyloid is based almost 

entirely on its staining characteristics. The most 
commonly used staining technique uses the dye Congo 
red, which under ordinary light imparts a pink or red 
color to amyloid deposits
. Under polarized light the 
Congo red-stained amyloid shows so-called apple-
green birefringence
 

Kidney 

  Grossly, the kidney may appear unchanged, or it may be 

abnormally large, pale, gray, and firm; in long-standing 
cases, the kidney may be reduced in size. 

   Microscopically, the amyloid deposits are found 

principally in the glomeruli, but they also are present in 
the interstitial peritubular tissue as well as in the walls 

of the blood vessels.  

 

  The glomerulus first develops focal deposits within the 

mesangial matrix and diffuse or nodular thickenings 
of the basement membranes of the capillary loops. 
 

  The interstitial peritubular deposits frequently are 

associated with the appearance of amorphous pink casts 
within the tubular lumens, presumably of a 
proteinaceous nature.  
 

 

Amyloidosis. A, Amyloidosis of the kidney. The glomerular 
architecture is almost totally obliterated by the massive 
accumulation of amyloid 

 

Spleen 

  The deposits may be virtually limited to the splenic 

follicles, splenic sinuses, splenic pulp, producing tapioca-
like granules  

Pathogenesis of 
amyloidosis
. The 
proposed 
mechanisms 
underlying 
deposition of the 
major forms of 
amyloid fibrils 


background image

Unit 4: Diseases of the Immune System

 

 

 

75 

  Gross examination ("sago spleen"), the spleen is firm in 

consistency.  

  The presence of blood in splenic sinuses usually imparts a 

reddish color to the waxy, friable deposits. 
 

Liver 

  Grossly: massive enlargement liver, is extremely pale, 

grayish, and waxy on both the external surface and the cut 
section.  

  Histologic analysis : amyloid deposits first appear in 

the space of Disse and then progressively enlarge to 
encroach on the adjacent hepatic parenchyma & sinusoids  

  The trapped liver cells undergo compression atrophy and 

are eventually replaced by sheets of amyloid;  
 

 

 

Amyloidosis. 
A,
 A section of the liver stained with Congo red reveals pink-red 
deposits of amyloid in the walls of blood vessels and along 
sinusoids.  
B, Note the yellow-green birefringence of the deposits when 
observed by polarizing microscope 

 

Heart 

  Grossly The deposits may not be evident on gross 

examination, or they may cause minimal to moderate 
cardiac enlargement. The most characteristic gross 
findings are gray-pink, dewdrop-like subendocardial 
elevations, 
particularly evident in the atrial chambers. 

   histologic examination, deposits typically are found 

throughout the myocardium, beginning between myocardial 
fibers
 and eventually causing their pressure atrophy  
 

 

Cardiac amyloidosis. The atrophic myocardial fibers are 
separated by structureless, pink-staining amyloid. 

 

Clinical Course 

  The clinical course depends on organs affected and the 

severity of the involvement. 

   Nonspecific complaints such as weakness, fatigue, and 

weight loss are the most common presenting 
manifestations. 

   Later in the course, amyloidosis tends to manifest in one 

of several ways: renal disease, hepatomegaly, 
splenomegaly, or cardiac            abnormalities.  
 

Diagnosis  

Biopsy and subsequent Congo red staining is the most 
important tool in the diagnosis of amyloidosis. 
Renal biopsy is useful in the presence of urinary 
abnormalities.  
Rectal and gingival biopsy specimens contain amyloid in 
as many as 75% of cases with generalized amyloidosis. 
Mean survival time after diagnosis ranging from 1 to 3 
years. 
 
Patients with myeloma-associated amyloidosis have a 
poorer prognosis, although they may respond to 
cytotoxic drugs used to treat the underlying disorder.  
Resorption of amyloid after treatment of the associated 
condition has been reported, but this is a rare occurrence. 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 152 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