مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

32 

Lecture 8+9+10 - Immune response to 
infectious diseases  

 

 

(Viral infection) 

 

  Definition of a Virus 

Sub microscopic organism consisting of a single nucleic acid 
surrounded by a protein coat and capable of replication only 
within the living cells of bacteria, human, animals or plants.  
It is obligate Intracellular Parasite 

 

 

  Virus Replication 

A. Virus attachment and entry 
B. Uncoating of virion 
C. Migration of genomic nucleic acid to nucleus, and 
Transcrirption 
D. Genomic replication 
E. Translation of viral mRNA 
F and G. Viroin assembly 
H. Release of new virus particles 

 

 

Transmission of Viruses 

  Respiratory transmission 

  Influenza A virus 

  Faecal-oral transmission 

  Enterovirus 

  Blood-borne transmission 

  Hepatitis B virus 

  Sexual Transmission 

  HIV 

  Animal or insect vectors 

  Rabies virus 

Virus Tissue Tropism 

  Targeting of the virus to specific tissue and cell types 

  Receptor Recognition 

  CD4+ cells infected by HIV 
  CD155 acts as the receptor for poliovirus 
 

  In vivo Disease Processes 

  Cell destruction 
  Virus-induced changes to gene expression 
  Immunopathogenic disease 

 

Acute Virus Infections 
  Localised to specific site of body 
  Development of viraemia with widespread infection of tissues 
 

  Immunity against Viral Infections 

  Within viruses life cycle they have a relatively short 

extracellular period, prior to infecting the cells, and a longer 
intracellular period
 during which they undergo replication.  

  The immune system has mechanisms which can attack the 

virus in both these phases of its life cycle, and which involve 
both innate and adaptive effectors mechanisms.  

  Immunological reactions are thus of two kinds:  

  Those directed against the virion are predominantly humoral   
  Those that act upon the virus infected cell are T-cell-mediated

 

1)  Innate Immunity: 

Involves skin, mucous membrane, HCL, enzymes in tears and 
secretions, toll-like receptors, but primarily through the 
induction of type I interferons (α,β) and activation of NK 
cells. 
 

  Toll-like receptors (TLR): 

TLR allow cells to “see” molecules, it signifying presence of 
microbes outside the   cell e.g. TLR2, TLR4 and found in 
variety of cell types 
  Toll-like receptor 9 (TLR9) Intracellular sensing in 

monocytes, dendritic cells and lymphocytes 

  NOD proteins: 

Are dipeptides binding intracellular protein, signaling via NF-
κb. These receptors recognize bacterial cell wall components 
within cytoplasm 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

33 

  RIG-I:  

Intracellular sensing of RNA viruses e.g. Hepatitis C. 
It induces type I interferons 

 

 

A.  Induction of type I interferons (IFN-α and IFN-β).  

Are one of the first lines of defense against viral infections. ds 
RNA produced during the viral life cycle can induce the 
expression of IFN- α and IFN- β by the infected cells leading 
to  induction of  "antiviral response or resistant to viral 
replication”
 by binding to IFN- α / β  receptor.  They activate 
the (JAK-STAT) transcription pathway, which in turn induces 
the activation of several genes. One of these genes encodes the 
enzyme known oligo-adenylate synthetase which activates a 
ribonuclease (RNAse) that degrades viral RNA. and also 
blocking viral replication. 

B.  Natural Killer Cells (NK):  

  NK cells possess the ability to recognize and lyses virally 

infected cells and certain tumor cells.  

  During the initial stages of infection, NK cells undergo non- 

specific proliferation mediated by IFN- α and IFN- β and IL-
12. There is no "lag" phase of clone expansion for NK cells to 
be active as effectors, as there is with antigen-specific T and B 
lymphocytes. Thus NK cells may be effective within 2 days of 
viral infection, and may limit the spread of infection during 
this early stage.  
 

2)  Adaptive Immunity: 

A.  Viral neutralization by humoral antibodies 

Antibodies specific for viral surface antigens are crucial in 
preventing the spreading of the virus during the acute infection 
and in protecting against reinfection. 

  Secretary IgA (sIgA): blocking viral attachment to mucosal 

cells. 

  IgG, IgM, IgA: blocks fusion of viral envelop to host cell 

plasma membrane.  

  IgG, IgM: enhance phagocytosis by opsonization.  
  IgM: agglutinates viral particles.  

  Complement activated by Ag-Ab immune complex leading to 

lysis of virus by membrane attack complex and lysis of 
enveloped viral particles. 
 

B.  Cell mediated immune response mediated by cytotoxic T 

lymphocytes (CD8+) that kill virus infected cell, after 
induction by activated Th1 cells which produce a number of 
cytokines including IL-2, IFN-γ and TNF-α that defends 
against viruses either directly or indirectly. 

  Mechanism of killing of MHC class I- restricted CD8+ CTLs 

cells specific for the virus elimination through the release of 
perforin and granzymes or through Fas-FasL interaction. CTL 
activity arises within 3-4 days, peak by 7-10 days and then 
decline. 

  But in case of persistent virus infection (e.g. hepatitis B 

virus), CTLs release IFN-γ and TNF, resulting in clearance 
of the virus without death of the cell.
 

 

  Viral evasion of host- defense mechanism 

1) 

Some viruses developed strategies to evade the action of IFN-
α/β.
 These include hepatitis C virus, which binds to IFN 
receptor & blocking or inhibiting the action of protein kinase 
(PKR). 

2) 

Herpes Simplex Viruses (HSV) inhibiting antigen 
presentation by infected host cells.
 

  HSV -1 and HSV-2 both express an immediate- early protein 

that synthesized shortly after viral replication, they effectively 
inhibits the human transporter protein TAP needed for 
antigen processing, and thus blocks peptide association with 
the class I MHC and effectively shut down a CD8+ T- cell 
responses to HSV- infected cells. 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

34 

  Other viruses used this strategies are: Adenoviruses and 

Cytomegalovirus (CMV) 

 

 

 

  How can viruses interfere with endogenous Ag processing 

as part of the active mechanism of evading immunity?  

  Herpes zoster virus can remain inactive or in latent state 

inside the cell (latency virus genome in sensory ganglion) and 
undergoing periodic cycles of activation and replication. The 
viral genome remains within the host cell but no expression of 
viral antigens occurs. When the host defense is upset perhaps 
by other infections, the virus may be activated (it is the most 

effective mechanism). 

 

3) 

CMV, Measles virus and HIV, have been shown to down 
regulation of class II MHC on the cell surface,
 thus blocking 
the function of antigen- specific anti- viral helper T cells. 

  HIV 

 
 

4) 

Vaccina virus is the prototypic member of the poxvirus 
family of cytoplasmic DNA viruses have strategies for 
evading complement- mediated destruction, by secretion a 
protein that binds to the C4b complement component thus 
inhibiting the classical pathway.  
  HSV have glycoprotein component that binds to C3b 

complement components, and inhibiting both the classical 
and alternative pathways. 

 

5) 

Large number of viruses causing generalized 
immunosuppresion

  Either by direct infection of B lymphocytes (e.g. Epestien 

Bar Virus), or macrophages (e.g. Measles virus) resulting in 
direct lysis of immune cells or alter their function. HIV 
destroy CD4+ T cells and macrophages 

  Some causes cytokine imbalance(e.g. EBV) inhibits T 

lymphocytes by producing a protein termed BCRF1 that is 
homologous to IL-10 and thus suppress the cytokine 
production by the Th 1 subset, resulting in decreased levels of 
IL-2, TNF, and IFN-γ.  

  Measles Virus binds the complement regulatory protein CD46 

(is a human cell receptor for measles virus ) on macrophages. 
Example: paramyxoviruses that cause mumps, the measles 
virus, epstein- barr virus (EBV), CMV and HIV. 

 

6) 

Some viruses escape immune attack by constantly changing 
their antigens, 
as in the Influenza virus, Rhinoviruses, the 
causative agent of the common cold, and HIV results in the 
frequent emergence of new infectious strains due to mutation 
and antigenic variation. 

 

  Influenza virus 

Properties of the virus 

o  Myxovirus 
o  Enveloped virus with a segmented RNA genome 
o  Infects a wide range of animals other than humans 
o  Undergoes extensive antigenic variation 
o  Major cause of respiratory infections 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

35 

o  Influenza viral particles or virions are spherical in shape 

surrounded by an outer envelope, a lipid bilayer. Two 
glycoproteins particles inserted into the envelope, 
hemagglutinin (HA) and neuraminidase (NA), which form 
radiating projections.  
  Hemagglutinin are responsible for the attachment of the 

virus to host cells. 

  Neuraminidase facilitates viral budding from the infected 

host cell. 

  Each virus strain is defined by its animal host of origin or 

human, strain number, year of isolation,  antigenic 
description of HA and NA 

 

 

o  Two different mechanisms generate antigenic variation in HA 

and NA: 

1.  Antigenic drift involves a series of spontaneous point 

mutations that occur gradually, resulting in minor changes in 
HA and NA. 

2.  Antigenic shift results in the sudden emergence of a new 

subtype of influenza whose HA and possibly also NA are 
different from that of the virus present in a preceding 
epidemic. 

 

Generation of Novel Influenza A Viruses 

 

 

o  Host response to influenza infection 

  Humoral antibody specific for the HA molecule is produced 

during an influenza infection.  

  The antibody protects against influenza infection, but its 

specificity is strain- specific and is readily bypassed by 
antigenic drift.
 

  CTLs can play a role in immune response to influenza. 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

36 

 

Bacterial infection 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

37 

 

 

 

 
 
 
 

 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

38 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

39 

 

 

 
 
 
 
 

 

Parasitic Infection 

Immunity against parasites 

  Parasites of major medical important successfully adapted 

to innate & acquired immune responses of host.  

  Parasites can cause direct damage to host by:  

  Competing for nutrients (e.g. tapeworms). 
  Disrupting tissues (e.g. Hydatid cyst) or destroying 

cells (e.g. malaria, hookworm, schistosomiasis; feeding 
on or causing destruction of cells causing anaemia). 

  Mechanical blockage (e.g. Ascaris in intestine).  

  However, severe disease often has a specific immune or 

inflammatory component.  

 

  Protozoan Diseases 

  Protozoans are unicellular eukaryotic organisms. They are 

responsible for several serious diseases in humans, 
including amoebiasis, African sleeping sickness, 
malaria, leishmaniasis, and toxoplasmosis.
 

  Parasitic protozoa may live: 

  In the gut (e.g. amoebae) 
  In the blood (e.g. African trypanosomes) 
  Within erythrocytes (e.g. Plasmodium spp.) 
  In macrophages (e.g. leishmania spp., Trypanosomes) 
  In liver and spleen (e.g. leishmania spp.)  

Immune responses against protozoan infection

 

  The types of immune response that develop depend on 

the location of the parasite within the host. 

  Many protozoans have life-cycle stages in which they are 

free within the blood stream , the humoral antibody is 
most effective (e.g. T. brucei


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

40 

  Many of these same pathogens are also capable of 

intracellular growth, during these stages, cell mediated 
immune reaction are more effective in host defense.  
(e.g. Plasmodium  malariae (liver and blood stages),   
  T. cruzi and Leishmamia ( inside macrophages) 

 

Role of Abs in protozoan infection 

Antibody responses.   

  Extracellular protozoa are eliminated by: 

  Opsonisation and enhance phagocytosis.  
   Has direct damage, lysis of protozoa by Ag-Ab 

immune complex and complement activation. 

  Intracellular protozoa are  

  Prevented from entering the host cells by a process of 

neutralizing attachment sites, e.g. neutralising 
antibody against malaria sporozoites, blocks cell 
receptor for entry into liver cells.  

   Prevents escape from  lysosomal vacuoles  

 

  Malaria (Plasmodium Species) 

It is caused by various spp. of genus Plasmodium, of 
which the P. falciparum is the most 
virulent. Human infection begins when 
sporozoites are introduced into 
individual's blood stream as an infected 
mosquito takes a blood meal. Then they 
migrate to the liver, after that the released 

merozoites infect RBCs initiating the symptoms and 
pathology of malaria. 

Host Response to Plasmodium Infection 

  In regions where malaria is endemic, the immune 

response to plasmodium infection is poor with low 
antibody titer.
 

  The type of T cells responsible for controlling an infection 

varies with the stage of infection, and depends upon the 
kinds of cytokine they produce.  

  B cells mediate immunity against blood stage 

  CD8 T cells protect against the liver stage  

The action of CD8+ T cells is two folds
1)  They secrete IFN-γ which inhibits the multiplication of 

parasites within hepatocytes. 

2)  They are able to kill infected hepatocytes, but not 

infected erythrocytes. 

 

 

Evasion strategies of Plasmodium 

  Plasmodium needs time in host to complete complex 

development, to sexually reproduce & to ensure vector 
transmission. 

  Chronic infections (from a few months to many years) are 

normal; therefore parasite needs to avoid immune 
elimination.  

  Plasmodium has evolved a way of overcoming the 

immune response by sloughing off the surface CS- 
antigen coat, 
thus rendering the antibodies ineffective 
(immunosupression) 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

41 

The maturational changes from sporoziote to merozoite 
to gametocyte allow the organism to keep changing its 
surface molecule resulting in continual changes in the 
antigen seen by the immune system. 

African sleeping sickness (Trypanosoma 
Species) 

  Two spp. of African trypanosomes (Trypanosoma brucei, 

Trypanosoma cruzi), which are flagellated protozoan
can cause sleeping sickness, it transmitted to humans and 
cattle by the bite of tsetse fly.  

  The disease beginning with an early (systemic) stage in 

which trypanosomes multiply in the blood and 
progressing to a neurologic stage in which the parasite 
infects the CNS
 causing meningeoecephalitis. 

 

 
Host Response to Trypanosoma Infection
 
Humoral antibody 

  African Trypanosomes have one surface glycoprotein that 

covers the parasite. This protein is immunodominant for 
antibody responses . 

  The glycoprotein coat, called variant surface 

glycoprotein (VSG).  

  These Abs eliminate most of the parasites from the blood 

stream both by complement- mediated lysis and by 
opsonization and subsequent phagocytosis.  

  However about 1% of the organisms which bear an 

antigenically different VSG escape the initial Abs 
response. 

Evasion strategies of Trypanosoma 

1)  Antigenic variation    

  Trypanosoma brucei have “gene cassettes” of variant 

surface glycoproteins (VSG’s) which allow them to 
switch to different VSG. 

  Several unusual genetic processes generate the 

extensive variation in trypanosomal VSG that enable 
the organism to escape the immunological clearance. 

  VSG gene is switched regularly. The effect of this is 

that host mounts immune response to current VSG 
Abs but parasite is already switching VSG to another 
type which is not recognised by the host. A parasite 

expressing the new VSG will escape antibody 
detection and replicate to continue the infection.  

  This allows the parasite to survive for months or years.  
  Up to 2000 genes involved in this process. 
  This type of antigenic variation is known as 

phenotypic variation and is in contrast to genotypic 
variation in the case of influenza virus in which a new 
strain periodically results 

2)  Suppression of the immune response, e.g. 

Trypanosoma cruzi produces molecules that either inhibit 
the formation or accelerate the decay of C3 convertase, so 
blocking complement activation on the parasite surface.  

 

Leishmaniasis: 

  For Intra cellular protozoa 

Leishmania major is a protozoan that 
lives in the phagosomes of 
macrophages
.   

  Resistance to the infection correlates 

with the cytokines secreted from TH1 

and activation of Macrophages by 
IFN-γ and TNF-α and killing by 
Nitrous oxide and O2 metabolites 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

42 

Immune evasion mechanisms of Intracellular protozoa 
There are three main ways in which protozoa can evade or 
modify the host's immunological attack: 

1. Antigenic modulation 
2. Resistance to macrophages killing 
3. Suppression of the immune response  

Protozoan immune evasion strategies 

1.  Leishmania can evade the immune surveillance by 

Antigenic modulation, which can rapidly change their 
surface coat (cap off)
 within minutes of exposure to 
antibodies, so becoming refractory to the effects of 
antibodies and complement. 

2.  Toxoplasma has evolved mechanisms which prevent 

fusion of phagocytic vacuoles with lysosomes and resist 
to macrophages killing.
 

3.  Leishmania produce anti-oxidases to counter products of 

macrophage oxidative burst, resist lysosomal enzymes 
and  suppressed the immune responses 

 

  Parasitic Worms (Helminthes) 

  Too large for phagocytosis BUT Immune response can 

activate inflammation which results in expulsion of 
worms.
 

  Anti-worm IgE can activate degranulation of mast cells 

and eosinophils leads to Type I hypersensitivity like 
responses. 

  Initiation of response is poorly understood. Unusual 

carbohydrates can be recognized by innate and adaptive 
(antibody) responses. These responses are regulated by 
the TH2 subsets of CD4 T lymphocytes.  

 
 

The immunological responses in helminthes diseases 

1)  High titer of IgE that induced by a substance released 

from the parasite acting as B cell mitogens. 

2)  Accumulation of mast cell and degranulation of these 

cells releasing Eosinophils chemotactic factor (ECF), 
Neutrophil chemotactic factor (NCF) 

3)  cytokines secretion by Th2 :  

  IL-4 induces B-cells to class switching to IgE 

production ,  

  IL-5 induces bone marrow precursors to differentiate 

into Eosinophils ,  

  IL-13 stimulates growth of mast cells 

 

 

 

4)  Ab- Ag complex activates complement ending in cell lysis  
5)  The eosinophils express Fc receptors for IgE and IgG and 

bind to the Ab- coated parasite. Once bound to the 
parasite, an eosinophil can participate in Ab- dependent 
cell- mediated cytotoxicity (ADCC), releasing mediators 
from its granules called Major basic protein (MBP) that 
is toxic to helminthes causing small holes in the surface of 
the helminth.  

6)  Neutrophils and macrophages act by releasing toxic O2 

and N2   metabolites 

7)  In case of Nematodes, there is proliferation and 

stimulation of goblet cells, increased mucus secretion 
leads to expulsion of worm 

 

 

 
 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

43 

Helminth immune evasion strategies 

1)  Antigenic disguise: (e.g. Adult Schistosoma) 

  Decrease expression of Ag on its outer surface.  
  Enclosed itself in a glycolipid and a glycoprotein coat 

derived from the host , masking its own Ags Like 
ABO blood group Ags 

2)  Suppression of T- & B- cell responses: young schistosomes 

actively protect themselves by releasing peptidases that 
cleave bound immunoglobulin & other factors that inhibit 
both T-cell proliferation 7 release of IFN-γ or the mast cell 
signal required for eosinophil activation. 

 

 

3)  Location inside the lumen of the gut like nematodes or 

encysted inside protective cyst like Trichenella   spirallis. 

4)  Presence of a thick extracellular cuticle like tegument 

of Schistosomes which protect them from the immune 
system 

5)  Molecules production that interfere with host immune 

function e.g. Filarial worms secrete a protease inhibitor 
Filarial worm evasion of immune responses 

 

 

Compare between immune response to protozoa 
and helminthes 

 

 

Fungal Infection 

  Fungi are eukaryotes with a rigid cell wall enriched in 

complex polysaccharides such as chitin, glucans. Among 
the 70000 species of fungi, only a small number are 
pathogenic for humans. 

  Fungal infections are regularly seen in: 

* Patients with untreated AIDS. 
* Patients with cancer and undergoing chemotherapy. 
* Patients with transplants on immunosuppressive agents. 
* Some patients taking long-term corticosteroids. 

  Degree of fungal infection can range from cutaneous to 

deep and systemic 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 135 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