Universitaire biologie — jaar 3 · Bachelor Year 3

15Aangeboren afweer en ontsteking

Een splinter onder de huid brengt tienduizend bacteriën binnen die zich elk half uur verdubbelen. Binnen minuten verwijden de vaten eromheen zich en gaan zij lekken; binnen een uur hebben de eerste neutrofielen zich uit het bloed geperst en kruipen zij langs een chemisch spoor naar de indringers; binnen een dag is de plek rood, warm, gezwollen en pijnlijk — de vier tekenen van ontsteking die Celsus tweeduizend jaar geleden opsomde — en zijn de bacteriën dood, levend opgegeten door cellen die hen als vreemd herkenden zonder hen ooit eerder te hebben ontmoet. Dat is de aangeboren afweer: de verdediging die elk dier heeft, klaar vóór de besmetting, in het genoom vastgelegd en niet geleerd. Zij is snel, zij doodt de meeste indringers, en zij is wat de tragere, geleerde afweer van het volgende hoofdstuk vertelt dat er iets te leren valt. Haar uitwassen — septische shock, chronische ontsteking, de koortsen van auto-inflammatoire ziekten — zijn even leerzaam als haar successen.

15.1 Lagen en cellen

Definitie 15.1 (Aangeboren afweer)

De aangeboren afweer is het geheel van verdedigingen dat vóór elke blootstelling aanwezig is, vastgelegd door kiembaangenen die zich niet herschikken, dat geconserveerde kenmerken van microben herkent en geen afzonderlijke individuen, dat binnen minuten tot uren werkt en (met voorbehoud) zonder geheugen. Haar eerste laag zijn de barrières: het keratine van de huid, het slijm en de trilharen van de luchtwegen, het zuur van de maag, het spoelen van urine en tranen, het enzym lysozym dat peptidoglycaan knipt, de antimicrobiële peptiden (defensines, cathelicidines) die de membranen van microben doorboren, en het commensale microbioom dat de nissen bezet houdt (Hoofdstuk 14). Haar cellen, alle uit de myeloïde lijn behalve de laatste: de neutrofielen, $60\,\%$ van de leukocyten van het bloed, $10^{11}$ per dag gemaakt, één dag levend, de eerste die aankomen en de belangrijkste doders van bacteriën; de macrofagen, langlevende bewoners van elk weefsel (kupffercellen in de lever, microglia in de hersenen, alveolaire macrofagen in de long) die eten, opruimen en alarm slaan; de dendritische cellen, die weefsels bemonsteren en wat zij vinden naar de lymfeknopen dragen; mestcellen, basofielen en eosinofielen, gewapend tegen parasieten en verantwoordelijk voor allergie; en de natuurlijke doodcellen (NK-cellen), lymfocyten die besmette of getransformeerde cellen op het eerste gezicht doden.

Bewijsmateriaal. Metchnikoff (1882) duwde in Messina een rozendoorn in een doorzichtige zeesterlarve en zag de volgende ochtend beweeglijke cellen eromheen samendrommen; hij had dezelfde cellen voedseldeeltjes en kleurstofkorrels zien verzwelgen, en stelde voor dat zij ook microben verzwolgen — fagocyten, de handhavers van een afweer die hij daarna in elk dier opspoorde dat hij kon vinden, van amoeben tot de mens. Hij deelde de Nobelprijs van 1908 met Ehrlich, wiens antilichamen de tegenovergestelde, humorale opvatting vertegenwoordigden; beiden hadden gelijk, en een eeuw later bleken de twee helften van de afweer één systeem, waarin de aangeboren helft de adaptieve onderwijst. ∎

Élie Metchnikoff, die fagocyten zag samendrommen rond een doorn in een zeesterlarve en de cellulaire immunologie stichtte (Library of Congress, publiek domein). Midden: een neutrofiel die bacteriën verzwelgt. Rechts: een macrofaag die haar geplooide membranen over een oppervlak uitspreidt.

15.2 De vijand herkennen

Definitie 15.2 (Patroonherkenning)

Cellen van de aangeboren afweer herkennen met ziekteverwekkers verbonden moleculaire patronen (PAMP’s): moleculen die hele klassen microben gemeen hebben, die voor hen onmisbaar zijn en die de gastheer niet heeft — lipopolysacharide van gramnegatieve wanden, peptidoglycaan en lipoteichoïnezuur van grampositieven, flageline, $\beta$ -glucanen van schimmels, dubbelstrengs RNA, RNA zonder 5 $'$ -kap, DNA met ongemethyleerd CpG, DNA in het cytosol. De receptoren zijn patroonherkenningsreceptoren (PRR’s), enkele tientallen in totaal, die elk door één gen worden vastgelegd: de Toll-achtige receptoren (TLR’s) op het oppervlak en in endosomen (TLR4 voor lipopolysacharide, TLR5 voor flageline, TLR3 voor dubbelstrengs RNA, TLR9 voor CpG-DNA); de cytosolische NOD-eiwitten voor fragmenten van peptidoglycaan, RIG-I voor viraal RNA, cGAS–STING voor cytosolisch DNA; C-type-lectines voor schimmelsuikers. Dezelfde receptoren, of andere uit dezelfde families, herkennen met schade verbonden moleculaire patronen (DAMP’s) die door beschadigde cellen worden vrijgelaten — ATP, urinezuur, het kerneiwit HMGB1, mitochondriaal DNA — zodat ook steriele beschadiging ontsteekt. De binding activeert de transcriptiefactoren NF- $\kappa$ B en de regulerende factoren van het interferon, die binnen een uur cytokinen, chemokinen, adhesiemoleculen en antimicrobiële genen aanzetten; een deel van de cytosolische sensoren stelt het inflammasoom samen, een platform dat caspase-1 activeert om interleukine-1 $\beta$ in zijn werkzame vorm te knippen en om de ontstekingsdood pyroptose uit te lokken (Hoofdstuk 10).

Bewijsmateriaal. Janeway stelde in 1989 voor dat het adaptieve afweersysteem niet op antigeen alleen reageert maar een signaal nodig heeft van aangeboren receptoren die microbiële patronen hebben herkend — de verklaring waarom vaccins adjuvantia nodig hebben, “het vuile geheimpje van de immunoloog”. Hoffmann (1996) vond dat Drosophila zonder de receptor Toll, bekend van zijn rol bij de aanleg van het embryo, geen afweer tegen schimmels op gang kon brengen en onder de schimmel bedolven stierf; Beutler (1998) bracht de weerstand tegen lipopolysacharide van een muizenstam, die doses endotoxine overleefde die voor andere dodelijk waren en gramnegatieve infecties niet opruimde, terug tot een mutatie in de homoloog bij zoogdieren, TLR4. De receptor voor endotoxine, vijftig jaar lang gezocht, was een Toll. ∎

Drie armen van de patroonherkenning. Een Toll-achtige receptor aan het oppervlak, gebonden door lipopolysacharide, geeft via NF-B door aan de ontstekingscytokinen; cytosolische sensoren van viraal nucleïnezuur zetten interferon aan; het inflammasoom maakt van de opgeslagen voorloper van interleukine-1 het werkzame cytokine. — Drie armen van de patroonherkenning. Een Toll-achtige receptor aan het oppervlak, gebonden door lipopolysacharide, geeft via NF- $\kappa$ B door aan de ontstekingscytokinen; cytosolische sensoren van viraal nucleïnezuur zetten interferon aan; het inflammasoom maakt van de opgeslagen voorloper van interleukine-1 het werkzame cytokine.

Definitie 15.3 (Complement)

Het complement is een systeem van zo’n dertig plasma-eiwitten, $10\,\%$ van de serumglobulines, dat microben met een cascade van proteolytische activeringen merkt en vernietigt. Drie routes komen samen op het knippen van het centrale eiwit C3: de klassieke route, gestart doordat C1q antilichamen op een oppervlak bindt (of C-reactief eiwit, of apoptotische cellen); de lectineroute, gestart doordat mannosebindend lectine microbiële suikers herkent; en de alternatieve route, waarin C3 spontaan met lage snelheid hydrolyseert en het C3b dat daarbij ontstaat zich aan elk oppervlak hecht dat het tegenkomt. Elke route bouwt een C3-convertase, een enzym dat meer C3 knipt; het C3b dat het covalent op het oppervlak neerlegt bouwt op zijn beurt meer convertase — een versterkingslus — zodat een bacterie binnen minuten met miljoenen C3b is bedekt. C3b is een opsonine: fagocyten dragen er receptoren voor en eten wat het bedekt. De kleine fragmenten C3a en C5a zijn anafylatoxinen die vaten verwijden, neutrofielen aantrekken en mestcellen activeren. En C5b stelt C6–C9 samen tot het membraanaanvalscomplex, een porie van $10\,\mathrm{nm}$ die gramnegatieve bacteriën en virussen met envelop doet uiteenvallen. Gastheercellen worden gespaard omdat zij regulatoren dragen — factor H, CD55, CD59 — die het convertase op hun eigen oppervlak uiteenhalen en de porie blokkeren; microben, die ze missen, worden door de lus verteerd.

Stelling 15.4 (De complementlus als kinetische scheidsrechter)

Zij $B(t)$ het aantal C3b-moleculen dat op een oppervlak is neergelegd. C3b wordt met een kleine constante snelheid $k_{0}$ neergelegd uit het langzame doorlopen van C3, en elk neergelegd C3b bouwt convertase dat er met snelheid $a$ per C3b per seconde meer neerlegt, terwijl regulatoren (bij de gastheer) en verval de convertase-activiteit met snelheid $d$ per C3b per seconde weghalen:

\frac{\mathrm{d}B}{\mathrm{d}t} = k_{0} + (a - d)\,B .

Op een oppervlak waar $a > d$ — een microbe, zonder regulatoren — groeit $B(t) = \bigl[k_{0}/(a-d)\bigr]\bigl(e^{(a-d)t} - 1\bigr)$ exponentieel met tijdconstante $1/(a - d)$ ; op een gastheeroppervlak waar $d > a$ nadert $B$ de kleine evenwichtswaarde $k_{0}/(d - a)$ . Dezelfde moleculen leggen bij dezelfde concentraties in enkele minuten een miljoen C3b op een bacterie neer en enkele tientallen op de cel ernaast: het onderscheid tussen eigen en vreemd wordt niet door herkenning gemaakt maar door het teken van $a - d$ .

Bewijs. De vergelijking is lineair met constante coëfficiënten. Voor $a \ne d$ is het vaste punt $B^{*} = -k_{0}/(a-d)$ ; met $B = B^{*} + u$ geldt $\mathrm{d}u/\mathrm{d}t = (a-d)u$ , dus $u = u_{0}e^{(a-d)t}$ , en met $B(0) = 0$ is $B(t) = \bigl[k_{0}/(a-d)\bigr](e^{(a-d)t} - 1)$ . Voor $a > d$ groeit dit onbegrensd (tot het C3 of het oppervlak opraakt); voor $a < d$ dooft de exponentiële uit en gaat $B \to k_{0}/(d-a) > 0$ . Met $k_{0} = 1$ per seconde en $a - d = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ op een bacterie is $B(2\,\mathrm{min}) = 10(e^{12} - 1) \approx 1.6\times 10^{6}$ ; met $d - a = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ op een gastheercel is $B^{*} = 10$ . ∎

De complementlus op twee oppervlakken met k_0 = 1 per seconde en |a - d| = 0.1\, s-1: op een microbe zonder regulatoren groeit C3b exponentieel en haalt het in twee minuten een miljoen; op een gastheercel met regulatoren vlakt het af bij tien. — De complementlus op twee oppervlakken met $k_{0} = 1$ per seconde en $|a - d| = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ : op een microbe zonder regulatoren groeit C3b exponentieel en haalt het in twee minuten een miljoen; op een gastheercel met regulatoren vlakt het af bij tien.

Complement. Drie wegen bouwen een C3-convertase; het C3b dat het neerlegt bouwt er meer (de lus van de stelling), en het neergelegde C3b opsoniseert, de fragmenten ontsteken, en het eindcomplex doet de cel uiteenvallen. Gastheercellen dragen regulatoren die de lus doorsnijden (en, met CD59, de porie blokkeren) op hun eigen membranen.

15.3 Ontsteking

Definitie 15.5 (Acute ontsteking)

De ontsteking is het antwoord van doorbloed weefsel op beschadiging of besmetting, geregisseerd door cytokinen — de kleine signaaleiwitten van afweercellen, hier vooral TNF, interleukine-1 en interleukine-6 van geactiveerde macrofagen — en door chemokinen, de cytokinen die de migratie sturen. Haar stappen verklaren de tekenen van Celsus. Histamine uit mestcellen, stikstofmonoxide en prostaglandines verwijden de arteriolen: de roodheid en de warmte. Het endotheel van de venulen trekt samen en laat plasma door, waarvan de eiwitten — complement, antilichamen, stollingsfactoren — het weefsel overspoelen: de zwelling. Bradykinine en prostaglandine E $_{2}$ maken de zenuwuiteinden gevoelig: de pijn. En de leukocyten komen aan door extravasatie: TNF en interleukine-1 laten het endotheel selectines tonen, waarop voorbijkomende neutrofielen haken en rollen; chemokinen (interleukine-8) op het endotheeloppervlak activeren de integrines van de neutrofielen, die stevig aan adhesiemoleculen van het endotheel binden en de cel stilzetten; en de neutrofiel wringt zich tussen de endotheelcellen door en volgt de chemokinegradiënt het weefsel in — de hele reeks in enkele minuten, tot een miljoen cellen per uur naar een besmette plek.

Extravasatie. Cytokinen uit macrofagen in het weefsel maken de venulewand kleverig; een voorbijkomende neutrofiel haakt aan selectines en rolt, wordt door zijn integrines stilgezet, wringt zich tussen de endotheelcellen door, en volgt de chemokinegradiënt naar de bacteriën.

Propositie 15.6 (Koorts, de acutefasereactie en de oplossing)

Interleukine-1, TNF en interleukine-6 werken ook op afstand. In de hypothalamus zetten zij prostaglandine E $_{2}$ aan, dat het instelpunt van de lichaamstemperatuur verhoogt: de koorts, die veel bacteriën vertraagt, de eigen reacties van de afweercellen versnelt, en per graad ongeveer $12\,\%$ meer stofwisseling kost. In de lever zetten zij de acutefase-eiwitten aan — het C-reactieve eiwit, dat bacterieel fosfocholine bindt en het complement activeert en dat binnen twee dagen duizendvoudig stijgt, de maat van de ontsteking voor de arts; fibrinogeen; mannosebindend lectine; en hepcidine, dat het ijzer wegsluit voor de microben die het nodig hebben. In het beenmerg laten zij neutrofielen los en versnellen zij hun aanmaak. Een ontsteking is bedoeld om te eindigen: naarmate de prikkel is opgeruimd gaan de lipidebemiddelaars van prostaglandines over op lipoxines en resolvines, sterven neutrofielen door apoptose en worden zij door macrofagen opgegeten, die daarna op een herstelprogramma overgaan en groeifactoren en interleukine-10 uitscheiden — de oplossing. Houdt de prikkel aan (een tuberkelbacil die niet te doden is, een kristal, een lichaamseigen antigeen), dan wordt de reactie chronisch: macrofagen muren de plek in een granuloom in, fibroblasten leggen littekenweefsel aan, en het weefsel wordt door zijn eigen verdediging vernield.

Voorbeeld 15.7 (Sepsis)

Een ontsteking die tot een splinter beperkt blijft is een genezing; dezelfde reacties door het hele lichaam zijn een ramp. Wanneer bacteriën of hun lipopolysacharide in hoeveelheid het bloed bereiken, laten macrofagen overal tegelijk TNF en interleukine-1 los: elk vat verwijdt zich en gaat lekken, de bloeddruk stort in, de stolling wordt in tienduizend haarvaten geactiveerd en verbruikt de stollingsfactoren, en de organen begeven het bij gebrek aan doorbloeding — de septische shock, die een kwart tot de helft van wie zij treft doodt, zo’n elf miljoen mensen per jaar. Enkele microgrammen lipopolysacharide in een vrijwilliger gespoten geven binnen twee uur koorts, koude rillingen en een daling van de bloeddruk; een muis zonder TLR4 trekt zich niets aan van een dosis die honderd keer dodelijk is. De ziekte is de reactie van de gastheer, en de antibiotica die de bacteriën doden kunnen haar enkele uren lang verergeren door meer endotoxine vrij te maken.

Acute ontsteking rond een schram van een doorn: roodheid en warmte door verwijde vaten, zwelling door gelekt plasma, en de pijn die het lidmaat stil houdt — de plaatselijke reactie die, over het hele lichaam veralgemeend, de septische shock is.

15.4 Doden

Definitie 15.8 (Fagocytose en de ademhalingsuitbarsting)

Een fagocyt bindt zijn prooi via receptoren voor opsoninen — C3b en de constante gebieden van antilichamen — of rechtstreeks via patroonreceptoren, wikkelt haar in membraan, en sluit het fagosoom, dat met granules en lysosomen versmelt. Het doden gebeurt op verscheidene manieren tegelijk. De ademhalingsuitbarsting: het enzym NADPH-oxidase, op het fagosoommembraan samengesteld, pompt elektronen op zuurstof en maakt zo superoxide, dat waterstofperoxide wordt, dat het myeloperoxidase met chloride in hypochloriet omzet — bleekmiddel, in millimolaire concentratie binnen een compartiment van een micrometer. Verder stikstofmonoxide van het induceerbare NO-synthase, dat met superoxide peroxynitriet geeft. Zuur, tot pH 5. Lysozym, proteasen, lactoferrine dat de prooi van ijzer berooft, en defensines die haar doorboren. Een neutrofiel die niet kan opeten wat hij vindt — een schimmeldraad, een klont — kan zijn eigen chromatine als een kleverig net van DNA en granule-eiwitten uitwerpen, een extracellulair net van neutrofielen, en daarbij sterven. Kinderen die een gebrekkig NADPH-oxidase erven (chronische granulomateuze ziekte) krijgen telkens terugkerende abcessen en granulomen door bacteriën en schimmels die gewone fagocyten moeiteloos doden: de uitbarsting is niet vrijblijvend.

Definitie 15.9 (Natuurlijke doodcellen en interferon)

Virussen verschuilen zich in cellen, waar het complement en de fagocyten niet bij hen kunnen. Natuurlijke doodcellen speuren naar cellen die MHC klasse I niet meer tonen — het “ontbrekende eigen” van een cel waarvan de virale of tumorale bewoner de antigeenpresentatie heeft uitgezet om aan de T-cellen te ontsnappen (Hoofdstuk 16) — en naar stresseiwitten die besmette en getransformeerde cellen op hun oppervlak zetten; remmende receptoren voor MHC I en activerende receptoren voor de stressliganden worden opgeteld, en een cel die de balans doet omslaan wordt binnen minuten gedood door perforine en granzymen die in haar worden gespoten en haar apoptose in gang zetten. Type-I-interferonen ( $\alpha$ en $\beta$ ) worden gemaakt door elke cel waarvan RIG-I of cGAS viraal nucleïnezuur heeft opgemerkt; eenmaal uitgescheiden binden zij receptoren op naburige cellen en zetten zij via de JAK–STAT-route honderden genen aan die die cellen in een antivirale toestand brengen: een kinase dat de translatie stillegt zodra het dubbelstrengs RNA tegenkomt, een nuclease dat RNA afbreekt, eiwitten die de intrede en de assemblage van virussen blokkeren, en meer MHC I om de T-cellen te tonen wat er binnen is. De cel die het interferon maakte kan sterven; haar buren zijn gewaarschuwd. Het interferon werd door Isaacs en Lindenmann (1957) ontdekt als de factor in het medium van met virus besmette cellen die verse cellen bestand maakte, en het is de reden dat een cel die door het ene virus is besmet een tweede weerstaat.

Methode 15.10 (Ontsteking en de werking van fagocyten meten)

Aan het bed: (1) het C-reactieve eiwit in serum, met een immunotest — in rust onder $5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , tientallen bij een virusinfectie, honderden bij een bacteriële sepsis, en binnen dagen na een werkzame behandeling dalend; (2) het aantal neutrofielen, verhoogd bij een bacteriële infectie, met onrijpe vormen die vroeg uit het beenmerg komen; (3) de bezinkingssnelheid van de rode bloedcellen, een trage maat voor het fibrinogeen. Voor de fagocyten: (4) de nitroblauwtetrazolium- of dihydrorodaminetest, waarin in vitro gestimuleerde neutrofielen een kleurstof reduceren als hun NADPH-oxidase werkt — de diagnose van chronische granulomateuze ziekte in één ochtend; (5) een chemotaxistoets, waarbij de cellen worden geteld die door een filter naar een chemokine toe migreren.

15.5 Van aangeboren naar adaptief, en door het hele leven

Propositie 15.11 (De beslissing van de dendritische cel)

De adaptieve afweer begint niet uit zichzelf. Een dendritische cel in een weefsel eet wat zij vindt; worden haar patroonreceptoren geraakt — door een microbe of door schade — dan rijpt zij: zij houdt op met eten, trekt via de lymfevaten naar de afvoerende lymfeknoop, toont de peptiden van wat zij at op MHC-moleculen, en zet co-stimulerende moleculen (B7) en cytokinen op waarmee zij een T-cel die het peptide herkent zegt te reageren, en hoe (Hoofdstuk 16). Een T-cel die haar peptide op een dendritische cel ziet zonder co-stimulatie wordt uitgezet. De aangeboren herkenning beslist dus of een antigeen een reactie waard is, en de cytokinen die de dendritische cel maakt — bepaald door welke patroonreceptoren afgingen — beslissen of de reactie zich op virussen, bacteriën of wormen richt. Een adjuvans is een ligand voor een patroonreceptor dat aan een vaccin wordt toegevoegd om dat signaal te leveren; het aluin en de lipidenanodeeltjes van moderne vaccins werken doordat zij het in gang zetten.

Opmerking 15.12 (Aangeboren afweer overal, en haar geheugen)

Elk meercellig organisme heeft aangeboren afweer, en planten, schimmels en ongewervelden hebben niets anders. Planten herkennen flageline en chitine met receptorkinasen en brengen een tweetrapsreactie op gang (Hoofdstuk 22); insecten hebben Toll en antimicrobiële peptiden; zelfs bacteriën hebben restrictie-enzymen en CRISPR (Hoofdstuk 6). Het dogma dat de aangeboren afweer geen geheugen heeft is verzacht: een monocyt die $\beta$ -glucaan of het BCG-vaccin heeft ontmoet wordt epigenetisch herprogrammeerd (Hoofdstuk 1) om maandenlang sterker op niet-verwante microben te reageren — de getrainde afweer, die verklaart waarom BCG de kindersterfte door andere infecties dan tuberculose verlaagt. En het teveel van het systeem is een ziekte van onze tijd: steriele ontsteking gedreven door urinezuurkristallen (jicht), cholesterolkristallen in de vaatwand (atherosclerose), amyloïd in de hersenen, en de laaggradige ontsteking van obesitas en ouderdom.

15.6 Opgaven

Oefening 15.1 ★

Noem vier barrières en vijf celtypen van de aangeboren afweer, met bij elk één functie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.1.

Barrières: het keratine van de huid (mechanisch), het slijm en de trilharen van de luchtwegen (vangen en afvoeren), het maagzuur (doodt ingeslikte microben), lysozym en defensines in afscheidingen (laten uiteenvallen en doorboren), het commensale microbioom (bezet de nissen). Cellen: neutrofielen (doden bacteriën door fagocytose), macrofagen (eten, ruimen op, slaan alarm), dendritische cellen (dragen antigeen naar de lymfeknopen en starten adaptieve reacties), mestcellen (laten histamine los, ontsteken), natuurlijke doodcellen (doden besmette en getransformeerde cellen).

Oefening 15.2 ★

Wat maakt een molecuul tot een goed met ziekteverwekkers verbonden moleculair patroon? Geef drie voorbeelden en bij elk de receptor.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.2.

Gedeeld door een hele klasse microben, voor hen onmisbaar (zodat het niet kan worden verloren om te ontsnappen), en afwezig bij de gastheer. Lipopolysacharide — TLR4; flageline — TLR5; dubbelstrengs RNA — TLR3 (en RIG-I in het cytosol); ongemethyleerd CpG-DNA — TLR9; fragmenten van peptidoglycaan — de NOD-eiwitten; $\beta$ -glucaan — dectine-1.

Oefening 15.3 ★

Verklaar elk van de vier tekenen van Celsus met een bemiddelaar en een verandering in de vaten of de zenuwen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.3.

Roodheid: verwijding van de arteriolen door histamine, stikstofmonoxide en prostaglandines. Warmte: dezelfde toegenomen bloedstroom. Zwelling: lekkage van plasma uit de venulen nadat het endotheel is samengetrokken (histamine, C3a, C5a). Pijn: bradykinine en prostaglandine E $_{2}$ die de pijnzenuwuiteinden gevoelig maken, plus de druk van de zwelling.

Oefening 15.4 ★

Noem de drie complementroutes, wat elk daarvan start, en de drie uitkomsten van het knippen van C3.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.4.

Klassiek: C1q dat een antilichaam (of C-reactief eiwit) op een oppervlak bindt. Lectine: mannosebindend lectine op microbiële suikers. Alternatief: het spontane doorlopen van C3 en het neerslaan van C3b op elk onbeschermd oppervlak. Uitkomsten: C3b opsoniseert voor de fagocytose; C3a en C5a ontsteken en trekken cellen aan; C5b start het membraanaanvalscomplex dat de cel doet uiteenvallen.

Oefening 15.5 ★★

Hoeveel C3b zijn er in het complementmodel met $k_{0} = 2$ per seconde, $a = 0.15\,\mathrm{s}^{-1}$ en $d = 0.05\,\mathrm{s}^{-1}$ op een microbe na $60\,\mathrm{s}$ neergelegd? En na $90\,\mathrm{s}$ ? Wat is op een gastheercel met $a = 0.05$ en $d = 0.15$ de evenwichtstoestand?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.5.

$B = [k_{0}/(a-d)](e^{(a-d)t} - 1)$ met $a - d = 0.1$ : na $60\,\mathrm{s}$ $20(e^{6} - 1) \approx 8000$ ; na $90\,\mathrm{s}$ $20(e^{9} - 1) \approx 1.6\times 10^{5}$ . Gastheercel: $k_{0}/(d - a) = 2/0.1 = 20$ .

Oefening 15.6 ★★

Zet de gebeurtenissen van de extravasatie op volgorde, noem bij elke stap de klasse van moleculen, en voorspel het fenotype van een kind waarvan de neutrofielen $\beta_{2}$ -integrines missen (adhesiegebrek van leukocyten).

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.6.

Rollen op selectines (lectines die koolhydraten binden); signalering door chemokinen die de integrines activeert; vaste hechting van de integrines aan adhesiemoleculen van het endotheel (ICAM); overgang tussen de endotheelcellen door; chemotaxis langs de gradiënt. Zonder $\beta_{2}$ -integrines rollen de neutrofielen wel maar stoppen of kruisen zij nooit: zij stapelen zich op in het bloed (zeer hoge aantallen), infecties keren terug zonder dat er pus ontstaat, wonden genezen slecht, en de navelstreng laat laat los.

Oefening 15.7 ★★

De neutrofielen van een patiënt doorstaan de dihydrorodaminetest niet. Wat is de diagnose, welke reactie ontbreekt, en welke infecties zijn er te verwachten? Waarom worden er granulomen gevormd?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.7.

Chronische granulomateuze ziekte: het NADPH-oxidase is gebrekkig, zodat er in het fagosoom geen superoxide, waterstofperoxide of hypochloriet wordt gemaakt. Infecties door organismen die hun eigen waterstofperoxide vernietigen (katalasepositief): Staphylococcus aureus, Aspergillus, Burkholderia, Serratia, Nocardia. Er ontstaan granulomen omdat macrofagen microben verzwelgen die zij niet kunnen doden en hen inmuren, met voortdurende aanvoer, in een chronische haard.

Oefening 15.8 ★★

Leg de herkenning van het ontbrekende eigen uit en voorspel wat er gebeurt met een tumorcel die (a) MHC I verliest om aan de T-cellen te ontsnappen, (b) MHC I behoudt maar stressliganden toont.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.8.

Remmende receptoren tellen MHC I; activerende receptoren tellen stressliganden; de cel sterft als de activering de remming overtreft. (a) MHC I verliezen haalt de remming weg: de natuurlijke doodcel doodt haar — de prijs van het ontsnappen aan de T-cellen. (b) Blijft MHC I behouden maar worden er stressliganden getoond, dan kan de activering toch winnen en wordt de cel gedood; tumoren werpen de stressliganden daarom vaak af of onderdrukken ze.

Oefening 15.9 ★★

Waarom wekt een vaccin van zuiver eiwit weinig afweer op, en wat voegt een adjuvans toe? Verbind dit met het argument van Janeway.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.9.

Een zuiver eiwit draagt geen patroon van een ziekteverwekker, zodat de dendritische cellen die het opnemen niet rijpen, het zonder co-stimulatie tonen, en de T-cellen die het herkennen worden uitgezet of het negeren. Een adjuvans — aluin, een lipide, een ligand voor een Toll-achtige receptor — raakt patroonreceptoren, laat de dendritische cel rijpen en levert het tweede signaal. Dat is het punt van Janeway: het adaptieve systeem reageert alleen op antigeen wanneer het aangeboren systeem zegt dat het antigeen met een microbe meekwam.

Oefening 15.10 ★★★

Koorts kost per graad $12\,\%$ van de rustende stofwisseling en vertraagt de verdubbeling van een bacterie van $30\,\mathrm{min}$ bij $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ tot $45\,\mathrm{min}$ bij $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Bereken de bacteriepopulatie over een dag infectie vanaf $10^{4}$ met en zonder koorts (zonder het doden mee te rekenen), en de extra energie voor iemand met $8\,\mathrm{MJ}/\mathrm{dag}$ . Is de koorts het waard? Waarvan hangt het antwoord af?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.10.

Zonder koorts $48$ verdubbelingen: $10^{4}\times 2^{48} \approx 3\times 10^{18}$ (een onzinnigheid die laat zien dat het doden en niet de groei de uitkomst bepaalt). Met koorts $32$ verdubbelingen: $4\times 10^{13}$ — een factor $2^{16} \approx 65\,000$ minder bacteriën voor de neutrofielen. Kosten: $3\times 0.12\times 8 = 2.9\,\mathrm{MJ}$ per dag, een grote maaltijd. Het is de moeite waard wanneer de ziekteverwekker wordt vertraagd en de gastheer reserves heeft; niet wanneer de ziekteverwekker bij $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ even goed groeit, of wanneer de gastheer honger lijdt, of wanneer de koorts zelf gevaarlijke temperaturen nadert.

Oefening 15.11 ★★★

Sommige bacteriën binden factor H aan hun oppervlak; andere knippen C3b of werpen hun kapsel af. Leg elk daarvan met Stelling 15.4 uit als een verandering van $a$ of $d$ , en zeg welke voor de microbe de zuinigste verdediging is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.11.

Factor H binden haalt de eigen regulator van de gastheer erbij: $d$ stijgt boven $a$ en de lus dooft op de microbe uit als op een gastheercel. C3b knippen haalt het neergelegde convertase weg: opnieuw een stijging van $d$ . Een kapsel biedt een oppervlak waarop het convertase slecht ontstaat, wat $a$ verlaagt, en verbergt het C3b dat wordt neergelegd voor de receptoren van fagocyten. Het goedkoopst: één oppervlakte-eiwit dat factor H bindt, die de gastheer gratis levert en die het werk doet.

Oefening 15.12 ★★★

Beredeneer met de mechanismen van dit hoofdstuk waarom dezelfde reactie bij een splinter heilzaam is en in de bloedbaan dodelijk, en waarom middelen die TNF blokkeren helpen bij reumatoïde artritis maar het risico op tuberculose verhogen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.12.

Bij een splinter betreffen de verwijding, de lekkage en de aanvoer enkele milliliters vaten en brengen zij de verdediging waar zij nodig is; dezelfde bemiddelaars in de hele bloedsomloop losgelaten verwijden elk vat en laten elk haarvat lekken, zodat de druk instort en overal stolling wordt uitgelokt — de fysiologie is dezelfde, de schaal is dodelijk. TNF drijft de ontsteking van het gewrichtsvlies bij reumatoïde artritis aan, zodat het blokkeren ervan de ziekte verlicht; maar TNF is ook wat de macrofagen georganiseerd houdt in de granulomen die sluimerende tuberkelbacillen insluiten, en het blokkeren laat latente tuberculose ontsnappen.

15.7 Vraagstuk: een splinter

Probleem 15.1

Weekendvraagstuk — tienduizend bacteriën onder de huid in een wedloop met de neutrofielen die hen tegemoet worden gestuurd, bedekt met complement volgens de rekenkunde van de lus, bestreden met koorts tegen haar prijs in stofwisseling, en, in de bloedbaan, tot de fysiologie van de shock geworden, met als besluit de bacteriën die na zes uur over zijn, het C3b op elk daarvan en de kosten van een dag koorts

Gegevens: $10^{4}$ bacteriën ingebracht, die zich elke $40\,\mathrm{min}$ verdubbelen; neutrofielen komen vanaf $1\,\mathrm{h}$ aan met $2\times 10^{4}$ per uur, die elk $20$ bacteriën doden en daarna sterven. Complement: $k_{0} = 1$ per seconde per bacterie, met $a - d = 0.08\,\mathrm{s}^{-1}$ op de bacteriën en $d - a = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ op gastheercellen; het oppervlak van een bacterie bevat hoogstens $2\times 10^{6}$ C3b. Koorts: $+2\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ kost $24\,\%$ van een stofwisseling van $8\,\mathrm{MJ}/\mathrm{dag}$ en verlengt de verdubbelingstijd van de bacteriën tot $60\,\mathrm{min}$ . Sepsis: $10^{9}$ bacteriën in $5\,\mathrm{L}$ bloed, $3\times 10^{6}$ lipopolysacharidemoleculen per bacterie; de TLR4-signalering verzadigt bij $10^{-9}$ mol/L lipopolysacharide.

Deel I — De wedloop.

Hoeveel bacteriën zijn er na $1\,\mathrm{h}$ , wanneer de eerste neutrofielen aankomen, als er nog geen zijn gedood?
Hoeveel neutrofielen komen er tussen $1\,\mathrm{h}$ en $2\,\mathrm{h}$ aan en hoeveel bacteriën kunnen zij doden? Vergelijk met de groei van de bacteriën in dat uur vanaf het aantal uit vraag 1.
Ga uur voor uur verder (groei, daarna doden aan het eind van elk uur) tot $6\,\mathrm{h}$ . Wanneer bereikt de populatie haar maximum, en hoeveel blijven er na $6\,\mathrm{h}$ over?
Doe hetzelfde met neutrofielen die pas om $3\,\mathrm{h}$ aankomen. Wat gebeurt er tegen $6\,\mathrm{h}$ ? Geef commentaar op de waarde van snelheid.
Hoeveel dode neutrofielen hopen zich op tegen de tijd dat de bacteriën in vraag 3 weg zijn? Wat is pus, en waarom moet het worden opgeruimd?
Iemand met een tiende van het normale aantal neutrofielen (neutropenie na chemotherapie): herbereken vraag 3 en leg uit waarom zulke patiënten bij de eerste koorts antibiotica krijgen.

Deel II — De mantel.

Hoeveel C3b zijn er volgens de stelling na $30\,\mathrm{s}$ , $60\,\mathrm{s}$ en $120\,\mathrm{s}$ op één bacterie neergelegd?
Wanneer raakt het oppervlak verzadigd?
Wat is op een gastheercel ernaast het evenwichtsaantal C3b?
De bacterie verwerft een kapsel dat $a$ halveert, zodat $a - d = 0.03$ . Herbereken het C3b na $120\,\mathrm{s}$ . Wat levert het kapsel op?
Hoeveel C3b draagt het hele entsel van $10^{4}$ bacteriën bij verzadiging, en welk deel is dat van de $2\times 10^{16}$ C3-moleculen in een liter plasma?
Een patiënt mist C3. Welke routes zijn aangetast, en welke infecties volgen? Een patiënt mist C9: waarom is het fenotype milder, en tot één geslacht beperkt?

Deel III — Koorts.

Hoeveel extra energie kosten twee dagen koorts bij $+2\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , in megajoule en in gram vet ( $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ )?
Doe vraag 1 opnieuw bij koortstemperatuur: hoeveel bacteriën zijn er na $1\,\mathrm{h}$ ? Met welke factor heeft de koorts de populatie verkleind die de neutrofielen tegenkomen?
Wanneer zijn de bacteriën in het model van vraag 3 met de langere verdubbelingstijd weg?
Het C-reactieve eiwit stijgt in twee dagen van $1\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ tot $200\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ . Hoeveel moleculen heeft de lever gemaakt bij een plasmavolume van $3\,\mathrm{L}$ en een molecuulmassa van $115\,\mathrm{kDa}$ , en hoeveel per seconde?
Koortswerende middelen blokkeren de synthese van prostaglandines. Wat doen zij met het instelpunt, met het comfort van de patiënt en, volgens de getallen hierboven, met de infectie?
Waarom is koorts van $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ gevaarlijk terwijl $39\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dat niet is, en wat verhindert dat het instelpunt onbeperkt stijgt?

Deel IV — Shock.

Hoeveel lipopolysacharidemoleculen zitten er in het bloed van de septische patiënt, en wat is hun concentratie in mol/L?
Vergelijk met de verzadigende concentratie voor TLR4. Zijn alle macrofagen van het lichaam geactiveerd?
Elk van de $10^{11}$ macrofagen van het lichaam laat een uur lang $1000$ TNF-moleculen per seconde los. Hoeveel mol TNF is dat, en welke concentratie in $15\,\mathrm{L}$ extracellulaire vloeistof? (TNF werkt bij $1 \times 10^{-11}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .)
Verklaar de daling van de bloeddruk en het falen van de nieren uit de plaatselijke mechanismen van de ontsteking.
Het antibioticum dat bij opname wordt gegeven doodt de bacteriën binnen een uur. Waarom kan de patiënt eerst verslechteren voordat hij verbetert, en wat begrenst het nut van antilichamen tegen TNF bij sepsis?
Een muizenstam mist TLR4. Voorspel haar reactie op ingespoten lipopolysacharide en op een levende gramnegatieve infectie, en verklaar de schijnbare tegenspraak.
Vat samen: de bacteriën die na $6\,\mathrm{h}$ over zijn (vraag 3), het C3b op één bacterie na $120\,\mathrm{s}$ (vraag 7), en de kosten van twee dagen koorts (vraag 13).

Oplossing

Oplossing van Probleem 15.1.

1. Eén uur is $1.5$ verdubbeling: $10^{4}\times 2^{1.5} \approx 2.8\times 10^{4}$ . 2. $2\times 10^{4}$ neutrofielen doden er tot $4\times 10^{5}$ ; de bacteriën groeien maar van $2.8\times 10^{4}$ tot $8\times 10^{4}$ : het doden overtreft de groei vijfvoudig. 3. Uur 2: $8\times 10^{4}$ vóór het doden, geen erna. De populatie bereikt haar maximum rond $8\times 10^{4}$ bij $2\,\mathrm{h}$ en is daarna nul; na $6\,\mathrm{h}$ is er geen enkele over. 4. Aankomst om $3\,\mathrm{h}$ : dan $10^{4}\times 2^{4.5} = 2.3\times 10^{5}$ . Uur 4: $6.4\times 10^{5} - 4\times 10^{5} = 2.4\times 10^{5}$ ; uur 5: $6.8\times 10^{5} - 4\times 10^{5} = 2.8\times 10^{5}$ ; uur 6: $7.9\times 10^{5} - 4\times 10^{5} = 3.9\times 10^{5}$ en stijgend — de neutrofielen houden het niet meer bij, en er ontstaat een abces. Twee uur vertraging maakt van een genezing een chronische infectie. 5. $8\times 10^{4}/20 = 4000$ neutrofielen sterven bij het doden, plus de $2\times 10^{4}$ die zijn aangekomen en toch binnen een dag sterven. Pus is dode neutrofielen, dode bacteriën en vervloeid weefsel; macrofagen ruimen het op door de lijken te eten, of het moet worden afgevoerd. 6. Aankomst $2000$ per uur, die er $4\times 10^{4}$ doden: uur 2, $8\times 10^{4} - 4\times 10^{4} = 4\times 10^{4}$ ; uur 3, $1.1\times 10^{5} - 4\times 10^{4} = 7\times 10^{4}$ ; uur 4, $2\times 10^{5} - 4\times 10^{4} = 1.6\times 10^{5}$ — onbegrensd groeiend. De patiënt kan een onbeduidend entsel niet bedwingen, dus moeten antibiotica vanaf het eerste teken het doden overnemen. 7. $B = 12.5(e^{0.08t} - 1)$ : $30\,\mathrm{s}$ , $125$ ; $60\,\mathrm{s}$ , $1500$ ; $120\,\mathrm{s}$ , $1.8\times 10^{5}$ . 8. $e^{0.08t} = 1.6\times 10^{5}$ : $t = 12/0.08 = 150\,\mathrm{s}$ . 9. $k_{0}/(d - a) = 10$ . 10. $B(120) = 33(e^{3.6} - 1) \approx 1200$ , $150$ keer minder. Het kapsel koopt minuten — tijd om zich te vermenigvuldigen, en bescherming tot er antilichamen komen die de klassieke route op het kapsel zelf starten. 11. $10^{4}\times 2\times 10^{6} = 2\times 10^{10}$ C3b: een miljoenste van het C3 van het plasma. 12. Zonder C3 lopen alle drie de routes vast op hun gemeenschappelijke stap: geen opsonisatie, geen anafylatoxinen, geen uiteenvallen — ernstige terugkerende infecties met ingekapselde bacteriën. Zonder C9 gaat alleen de eindporie verloren; opsonisatie en ontsteking werken, en het fenotype bestaat uit terugkerende infecties met Neisseria, het enige geslacht dat fagocyten slecht en het uiteenvallen goed onder de duim houdt. 13. $2\times 0.24\times 8 = 3.8\,\mathrm{MJ}$ , ongeveer $100\,\mathrm{g}$ vet. 14. Eén verdubbeling in het uur: $2\times 10^{4}$ in plaats van $2.8\times 10^{4}$ , een factor $1.4$ . 15. Uur 2: $4\times 10^{4}$ vóór het doden, geen erna — weg bij $2\,\mathrm{h}$ , als eerder; de bijdrage van de koorts telt wanneer de aanvoer van neutrofielen krap is, zoals in de vragen 4 en 6. 16. $199\,\text{mg/L}\times 3\,\text{L} = 0.6\,\mathrm{g}$ ; $0.6/ 115\,000 = 5.2\times 10^{-6}$ mol $= 3.1\times 10^{18}$ moleculen; over $172\,800\,\mathrm{s}$ is dat $1.8\times 10^{13}$ per seconde. 17. Zij brengen het instelpunt terug naar $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , de patiënt voelt zich beter, en de bacteriën verdubbelen iets sneller; in dit model winnen de neutrofielen nog steeds, en de aanwijzingen dat koortswerende middelen gewone infecties verergeren zijn zwak. 18. Boven ongeveer $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ beginnen eiwitten te denatureren, begeven enzymen het en vuren neuronen verkeerd (toevallen); $42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ is dodelijk. Het instelpunt wordt daaronder gehouden door koortsremmende stoffen — interleukine-10, vasopressine, glucocorticoïden — en door het plafond van de werking van prostaglandines in de hypothalamus. 19. $10^{9}\times 3\times 10^{6} = 3\times 10^{15}$ moleculen $= 5\times 10^{-9}$ mol in $5\,\mathrm{L}$ : $1 \times 10^{-9}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . 20. Gelijk aan de verzadigende concentratie: elke macrofaag in het lichaam is in één keer maximaal geactiveerd. 21. $10^{11}\times 1000\times 3600 = 3.6\times 10^{17}$ moleculen $= 6\times 10^{-7}$ mol; in $15\,\mathrm{L}$ is dat $4 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ — vierduizend keer de werkzame concentratie. 22. Elke arteriool verwijdt zich en elke venule lekt: het bloedvolume verzamelt zich in de verwijde vaten en ontsnapt naar de weefsels, zodat de druk daalt; de nieren, te weinig doorbloed, houden op met filteren; en de stolling die in duizenden haarvaten wordt uitgelokt blokkeert ze en verbruikt de stollingsfactoren. 23. Gedode gramnegatieven laten hun hele lipopolysacharide in één keer los, een stortvloed voor TLR4, zodat de cytokinegolf uren lang kan verergeren. Anti-TNF faalt omdat de cascade tegen de tijd van de shock TNF al voorbij is — interleukine-1, interleukine-6 en de stolling lopen al — en omdat TNF nodig is om de bacteriën in bedwang te houden: de timing, niet het doelwit, is het probleem. 24. Ingespoten lipopolysacharide doet de muis zonder TLR4 niets, en zij overleeft doses die voor normale muizen dodelijk zijn; een levende gramnegatieve infectie doodt haar wel, omdat zij de bacteriën niet vroeg kan opmerken en de ontsteking die hen bedwingt niet op gang kan brengen. De tegenspraak lost op: de melder die de shock veroorzaakt is de melder die de verdediging levert. 25. Na $6\,\mathrm{h}$ is er geen bacterie meer over (alle bij $2\,\mathrm{h}$ gedood); ongeveer $1.8\times 10^{5}$ C3b per bacterie na $120\,\mathrm{s}$ ; twee dagen koorts kosten $3.8\,\mathrm{MJ}$ , zo’n $100\,\mathrm{g}$ vet.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 479 begrippen in de begrippenlijst