audioplayaudiobaraudiotime

background image

Lecture 2: The immune system and antigen                                                                        Dr Dhafer Alghezi 

 

The immune system  

It is a group of structures (cells, tissues and organs) that is collectively referred to the lymphoid system. 
The major lymphoid organs and tissues are classified into either: 
 

 

 

The cell of immune system: 

 
Hematopoietic stem cells consist of myeloid and lymphoid lineages which are both involved in dendritic 
cell  formation.  Myeloid  cells  include  monocytes,  macrophages,  neutrophils,  basophils,  eosinophils, 
erythrocytes, and megakaryocytes to platelets. Lymphoid cells include T cells, B cells, and natural killer 
cells.  The peripheral blood contains two large populations of cells: the red cells (RBCs), whose main 
physiological role is to carry oxygen to tissues, and the white blood cells (WBCs), which have as their 
main physiological role the elimination of potentially harmful organisms or compounds. 

 

1. Phagocytic cells  

Phagocytic cells, such as monocytes, macrophages, and granulocytes, play significant roles as effectors 
of the immune response. One of their main functions is to eliminate antigens that have elicited an immune 

a.  Primary  (central):    where  the  cells  of  immune  system  are 

produce &/or developed, like the thymus and bone marrow. 
 

b. Secondary (peripheral): where the cells of immune system 

are functioned. like the spleen (when we speak about blood 
born  invader),  lymph  nodes  (when  we  speak  about  skin 
invader), mucosa associated lymphoid tissue -MALT-, tonsils 
& Peyer’s Patches (when we speak about mucus membrane 
invader). 

 


background image

Lecture 2: The immune system and antigen                                                                        Dr Dhafer Alghezi 

 

response. This is achieved by means of antibodies and complement. However, if the antigen is located on 
the  surface  of  a  cell,  antibody  induces  the  attachment  of  cytotoxic  cells  that  cause  the  death  of  the 
antibody-coated  cell  [antibody-dependent  cellular  cytotoxicity  (ADCC)].  phagocyte  which  internalize 
antigens and pathogenic microorganisms and degrade them. They fall into two categories: 
 

a.  Mononuclear phagocytes: It is long-lived phagocytic cells. Many organs contain phagocytic cells 

derived from blood monocytes which are manufactured in the bone marrow. Monocyte cells pass out 
of the blood vessel and become macrophages in the tissue. Resident phagocytic cells of different tissues 
were previously referred to as reticuloendothelial system (RES) like the microglial cell (brain), alveolar 
macrophages (lung), Kupffer cell (liver), mesangial phagocytes (kidney), synovial A-cells (joints) and 
the monocyte in the blood. 

 
b.  Polymorphonuclear Neutrophils: short-lived phagocytic cells, it constitutes the majority of the 

blood leucocytes. They migrate into tissue, particularly at site of inflammation, in one-way trap. Since, 
it engulfs material, destroy it and then die. 

 

2.  Lymphocytes:  

 
A  lymphocyte  is  one  of  the  subtypes  of  white  blood  cells  in  a  vertebrate's  immune  system.  It  is  an 
important  cell  because  of  its  central  role  in  the  immune  response.  The  adaptive  immune  system  is 
coordinated by lymphocytes (a class of leukocyte) and results in the production of antibodies. They are 
responsible for the specific immune recognition of the pathogens. There are several subpopulations of 
lymphocytes have been defined, including natural killer cells (which function in cell-mediated, cytotoxic 
innate  immunity),  T  cells  (for  cell-mediated,  cytotoxic  adaptive  immunity),  and  B  cells  (for  humoral, 
antibody-driven adaptive immunity). 

a.  B lymphocytes: represent a precursor of antibody-producing cells, known as plasma cells. They are 

genetically programmed to encode a surface receptor specific for a particular Ag. Having recognized 
its specific Ag they multiply and differentiated into plasma cells, which produce large number of 
antibodies. 

b.  T lymphocytes: Several T- lymphocytes subpopulations have been observed.  

1.  Helper  T  lymphocytes  (T

h

),  which  play  a  very  significant  amplification  role  in  the  immune 

responses. Two functionally distinct subpopulations of Th lymphocytes emerging from a precursor 
population (T

h

0) have been defined. The T

h

1 population assists the differentiation of cytotoxic cells 

and also activates macrophages (One group interacts with MNP and helps them destroy intracellular 
pathogens). Activated macrophages, in turn, play a role as effectors of the immune response. The T

h

lymphocytes are mainly involved in the amplification of B lymphocyte responses (these cells interact 
with B-cells and help them to divide, differentiate and make Antibody). The amplifying effects of T

h

 

lymphocytes are mediated in part by soluble mediators—cytokines— and in part by signals delivered 
as a consequence of cell–cell interactions.  
 

2.  Cytotoxic T lymphocytes, which are the main immunologic effector mechanism involved in the 

elimination of non-self or infected cells.  This kind of cells is responsible for the destruction of host 


background image

Lecture 2: The immune system and antigen                                                                        Dr Dhafer Alghezi 

 

cells which have become infected by viruses or another intracellular pathogen. These T-cells generate 
their effects, either by releasing soluble proteins (cytokines) or by direct cell-cell interactions.  

 

3.   Immunoregulatory T lymphocytes, which have the ability to downregulate the immune response 

through  the  release  of  cytokines  such  as  interleukin-10  (IL-10)  and  through  the  expression  of 
membrane molecules such as CTLA4, whose interaction with the corresponding receptors delivers a 
downregulatory signal.   

 

4.  Other T-cells can suppress the immune response, and this might   operate through   direct killing of 

APCs or through suppressive cytokines like TGFb or via a negative regulation of signal transduction 
(CTLA-4) or via idiotype network). 

 

5.  Natural killer cells: they play a dual role in the elimination of infected and malignant cells. These 

cells are unique in that they have two different mechanisms of recognition: they can identify 
malignant or viral-infected cells by their decreased expression of histocompatibility antigens (HLA), 
and they can recognize antibody-coated cells and mediate ADCC.  

 

3. 

Cytotoxic cells

: They have the ability to recognize and destroy other cells. They can be divided 

into:  

a)   Large granular lymphocytes which recognize the surface changes that occur on a variety of 

tumor cells and virally infected cells. They recognize cells which lack or have lost their MHC-
molecules.  NK-cells-  or  like  (macrophage,  neutrophil  &  NK)  large  granulocyte  lymphocytes 
recognize and destroy some target cells which have become coated with specific Ab in what is 
called Ab-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC). 
 

b)  Eosinophil PMN: they comprise 2-5% of leukocytes and their cytoplasmic granules stain acidic 

dye. It plays a role to engage and damage large extracellular parasites, they damage their different 
targets  by  releasing  the  contents  of  their  intracellular  granules  close  to  them.  Eosinophils  also 
release histamine and aryle-sulphatase which inactivate histamine and some of the leukotrienes 
(SRS-A). 


background image

Lecture 2: The immune system and antigen                                                                        Dr Dhafer Alghezi 

 

4. 

Auxiliary cells:

 this kind of cells can mediate inflammation. For example 

 

a.  Basophils  and  mast  cells,  they  have  granules  containing  a  variety  of  mediators  that  produce 

inflammation in surrounding tissues. They can also synthesize and secrete a number of mediators 
which control the development of immune reaction. Mast cells lie close to blood vessels in all 
tissue and basophiles are mobile, circulating cells. They represent less than 0.2% of leukocytes, 
the cytoplasmic granules that stain with basic dyes.  
 

b.  platelets: They also release inflammatory mediators when activated during thrombogenesis or by 

mean of Ab-Ag complexes. 

Ag-presenting  cells  (APCs)

  are  a  heterogeneous  population  of  leukocytes  such  as  macrophages, 

macrophage-related cells, and dendritic cells with very efficient immunostimulatory capacity. These cells 
play a very significant role in the induction stages of the immune response by trapping and presenting 
both native antigens and antigen fragments in a most favorable way for the recognition by lymphocytes. 
In addition, these cells also deliver activating signals to lymphocytes engaged in antigen recognition, both 
in the form of soluble mediators (interleukins, such as IL-1, IL-12, and IL-18) and in the form of signals 
delivered by cell–cell contact. APCs are the interface between the innate and adaptive immune systems. 
They are found primarily in the skin, lymph node, spleen, within or underneath most mucosal epithelia 
and in thymus. Langerhans cells in the skin and interdigitating cells (IDCs) which is a migrating cell 
provides an efficient mechanism for carrying Ag from the skin and mucosa to the Th-cells located in the 
lymph node. These APCs are rich in class II MHC-molecules, which are important for presenting Ag to 
Th-cells. They bind Ag via complement receptor (CD21, CD35) and Fc-gamma Receptor. Macrophage 
and classical B-cells are rich in MHC-II, thus able to present Ag to T-cells and these cells also called 
professional APCs. Somatic cells do not normally express MHC-II but cytokines such as IFN-gamma and 
TNF-alpha can induce the expression of MHC-II on some of these cells and become able to present Ag 
like the skin and thyroid epithelium and endothelia. These cells known as non-professional APCs. 

Soluble mediators of the immune system: 

A wide variety of molecules are involved in the development of the immune response. These includes 
Abs, complements and cytokines. 

A-complement proteins; about 30 serum proteins, present in an inactive state, are activated by different 
mechanisms  to  mediate  variable  functions  in  the  immune  system  like;  opsonization  (enhanced 
phagocytosis), chemotaxis (unidirectional migration of the inflammatory cells), anaphylaxis (mast cells 
degranulation and release of further inflammatory mediator) and lysis of targeted cells. 

B- Antibodies: they are also called immunoglobulin (Igs), they are group of serum molecules produced 
by B-cells, it’s a soluble form of B-cells surface Ag-receptors. In general, each Abs can bind specifically 
to just one Ag. The part of an AB molecule that bind to Ag called Fab-portion and the other part called 
constant portion (Fc) which interact with other cells of immune system and act as opsonin which enhance 
phagocytosis   


background image

Lecture 2: The immune system and antigen                                                                        Dr Dhafer Alghezi 

 

C.  Cytokines  are  large  group  of  molecules  involved  in  signaling  between  cells.  The  principle  sets  of 
cytokines are:  

•  Interferons it is important in limiting the spread of certain viral infection like IFN alpha and beta 

since these IFNs induce a state of antiviral resistance in uninfected tissue cells. IFN gamma which 
released by activated T-cells and its very important in cell-mediated immunity. 

•  Interleukines (Ils) these are a large group of cytokines IL1-IL22 produced by T-cells, 

mononuclear phagocytes, most of them are involved in directing other cells to divide and 
differentiate. 

•  Colony stimulating factors (CSFs) they are involved in directing the division and differentiation 

of bone marrow stem cells and the precursors of blood outside the bone marrow. 

•  Chemokines; they direct movement of cells around the body, from the blood to the appropriate 

location. Some of the chemokines also activate cells to carry out particular functions. 

•  Others; like TNF alpha & beta and transforming growth factors-beta.  

Antigen: 

Antigen (Ag) is a substance that reacts with the products of a specific immune response. It is usually 
exogenous  substances  (cells,  proteins,  and  polysaccharides),  which  are  recognized  by  receptors  on 
lymphocytes, thereby eliciting the immune response. The receptor molecules located on the membrane of 
lymphocytes interact with small portions of those foreign cells or proteins that are designated as antigenic 
determinants  or  epitopes.  An  adult  human  being  has  the  capability  to  recognize  millions  of  different 
antigens, producing antibodies.  
Immunogen is a substance that induces a specific immune response.  A stimulus that produces a humoral 
or cell-mediated mediated immune response humoral immune response by antibody and Cell mediated 
immune response by T cells. It can be classified into:  
 
T-dependent antigens are antigens that do not directly stimulate the production of antibody without the 
help of T cells.  

•  Mostly proteins 
•  require macrophages or another APC  
•  Require T-helper cells for formation of Abs  
•  Require major histocompatibility antigens  
•  Memory  

T-independent antigens are antigens which can directly stimulate the B cells to produce antibody 
without the requirement for T cell help.  

•  Complex carbohydrates  
•   The antigen stimulates antibody production without T-cell help (Do not require processing) 
•  The immune response to these Ag usually by IgM  
•  Can directly interact with B cells 
•  Little or no memory  

By definition All immunogens are antigens, but not all antigens are immunogens. 
 


background image

Lecture 2: The immune system and antigen                                                                        Dr Dhafer Alghezi 

 

Epitope (antigenic determinant): it is an active region of an immunogen (or antigen) that binds to 
antigen-specific receptors on lymphocytes or to secreted antibodies.  
Superantigen: A class of antigens that cause non-specific activation of T-cells, resulting in polyclonal 
T-cell activation and massive cytokine release. 

Exogenous and Endogenous antigens: 

Exogenous antigens are antigens that have entered the body from the outside, for example, by 
inhalation, ingestion or injection. The immune system's response to exogenous antigens is often 
subclinical. By endocytosis or phagocytosis, exogenous antigens are taken into the antigen-presenting 
cells (APCs) and processed into fragments. APCs then present the fragments to T helper cells (CD4+) 
by the use of class II MHC molecules on their surface. Some antigens start out as exogenous, and later 
become endogenous (for example, intracellular viruses). Intracellular antigens can be returned to 
circulation upon the destruction of the infected cell. 

Endogenous antigens, by definition, are part of self, and the immune system is usually tolerant to them. 
The  response  to  self-antigens  may  have  an  important  role  in  normal  catabolic  processes.  The  loss  of 
tolerance to self-antigens, however, can also have pathogenic implications (autoimmune diseases). 

They  are  generated  within  normal  cells  as  a  result  of  normal  cell  metabolism,  or  because  of  viral  or 
intracellular bacterial infection. The fragments are then presented on the cell surface in the complex with 
MHC class I molecules. If activated cytotoxic CD8+ T cells recognize them, the T cells secrete various 
toxins that cause the lysis or apoptosis of the infected cell. In order to keep the cytotoxic cells from killing 
cells just for presenting self-proteins, the cytotoxic cells (self-reactive T cells) are deleted as a result of 
tolerance (negative selection). 

Antigenicity and Immunogenicity  

Antigenicity is defined as the property of a substance (antigen) that allows it to react with the products 
of a specific immune response (antibody or T cell receptor). On the other hand, immunogenicity is 
defined as the property of a substance (immunogen) that endows it with the capacity to provoke a 
specific immune response (The ability to induce a humoral or cell mediated immune response).  
 
Hapten is a substance that fails to induce immune responses in their native form due to low molecular 
weight (MW) and / or their chemical simplicity. Hapten is term used to describe any antigen that is unable 
to induce an immune response. It has the property of antigenicity but not immunogenicity. It can react 
with  the  products  of  a  specific  immune  response  with  no  antibodies  formation.  This  non  antigenic 
substance  can  be  immunogenic  if  coupled  to  a  larger  molecule  referred  to  as  a  carrier  molecule.  For 
example, small molecules with a low molecular weight (Less than 10,000) that could never induce an 
immune response when administered by themselves unless it coupled to a carrier molecule.  
 

Factors Influencing Immunogenicity:

  Many different substances can induce immune 

responses. The following characteristics influence the ability for a substance to behave as an 
immunogen: 


background image

Lecture 2: The immune system and antigen                                                                        Dr Dhafer Alghezi 

 

§

  Foreignness

: Only substances recognized as “non-self” will trigger the immune response. Microbial 

products and exogenous molecules are obviously “non-self” and may be strongly immunogenic.

(More foreign substance can give more immunogenic). 

•  Molecular size: The most potent immunogens are macromolecular proteins (MW.100,000 Daltons). 

Molecules smaller than 10,000 Daltons are often only weakly immunogenic, unless coupled to an 
immunogenic carrier protein.  

•  Chemical structure: Protein represents the best immunogenic molecules, followed by CHO, whereas 

lipid and nucleic acids are weak immunogic. 

•  Chemical complexity: There appears to be a direct relationship between antigenicity and chemical 

complexity—aggregated or chemically polymerized proteins are much stronger immunogens than their 
soluble monomeric counterparts.  

•  Degradability: Peptides composed of D-amino acids, which are resistant to enzymatic degradation, 

are not immunogenic, while L-isomers are susceptible to enzymes and are thus immunogenic whereas, 
CHO are not processed or presented and are thus unable to activate T cells, although they can activate 
B cells.   

•  Other factors play a role in whether or not a substance is immunogenic 

§

  Genetic make-up 

§

  Some substances are immunogenic in one species but not in another.  

§

  Immune responsiveness controlled by genes mapping within the MHC 

§

  Age: it can also influence immunogenicity. Usually the very young and the very old 

have a diminished ability to mount an immune response in response to an immunogen.  

§

 Dosage and route of administration 

§

  Threshold amount of Ag 

•  Insufficient doses tend to render the responding cells unresponsive – tolerance 
§

  Number of doses administered 

•  Repeated doses stimulate a stronger response 
§

  Route of Administration 

•  Determines which organs and cell populations respond, subcutaneous (S.C.) and 

intramuscular better than oral or intravenous injection. 
 

Immunologic Adjuvants: is substances that can enhance the immune response to an immunogen. The 
use of adjuvants, however, is often hampered by undesirable side effects such as fever and 
inflammation. 

o  It is not immunogenic by itself.  
o  Cannot evoke immune response by itself. 

•  There are two types of adjuvants 

o  Repository: like the Al- & Ca- salts, they act by slowing the release of immunogen when 

they form insoluble complex with it. 

o  Emulsifying agent: like the Freund’s adjuvant which composed of water, oil and killed 

mycobacterium, the different size droplets are degraded at different rates (prolonged 
presence) and the induce granuloma reaction act as physical barrier, delayed it release. 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 13 عضواً و 133 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