Le tappe storiche dell’Immunologia
di Sergio Barocci – Università di Genova per la terza età e divulgatore scientifico.
Da Jenner alla teoria delle catene laterali di Ehrlich (Parte I)
L’Immunologia come scienza è scaturita dall’osservazione che individui che avevano superato certe infezioni, erano successivamente protetti dalla malattia da cui erano stati affetti.
Il termine immunità deriva dal latino “immunitis” che significa “esonerato”. L’Immunologia o “scienza dell’immunità” si è distinta, come branca della medicina, alla fine del XIX secolo partendo da osservazioni, alcune delle quali molto antiche, sulla resistenza verso le malattie infettive.
In realtà, il concetto di immunità può essere fatto risalire già nel 430 a.C. a Tucidide, il grande storico della guerra del Peloponneso, che nella descrizione della devastante epidemia di peste ad Atene, osservò che solo coloro che erano guariti dalla peste potevano accudire i malati, in quanto non potevano essere colpiti due volte dalla stessa malattia.
Il passaggio da un concetto di immunità proprio della tradizione popolare ad una applicazione pratica ha richiesto quasi duemila anni.
UNA LUNGA STRADA
Il primo rozzo tentativo di indurre una immunizzazione contro una malattia infettiva (profilassi contro il vaiolo) è probabilmente da far risalire ai Cinesi e ai Turchi del XV sec. Varie cronache suggeriscono che le croste essicate derivate dalle pustole del vaiolo venivano sia inalate per via nasale o inserite in piccoli tagli sulla cute (una tecnica indicata come vaiolizzazione).
Nel 1718 Lady Mary Wortley Montagu (26maggio 1689 – 21agosto 1762), moglie dell’Ambasciatore britannico a Costantinopoli osservò gli effetti positivi della vaiolizzazione sulla popolazione indigena e applicò la tecnica ai suoi stessi figli.
La tecnica ebbe un significativo miglioramento ad opera del medico inglese Edward Anthony Jenner che pubblicò le sue prime note sull’immunizzazione vaccinica nel 1798, dimostrando che la deliberata inoculazione di estratti di pustole vacciniche conferiva, ai soggetti così trattati, una resistenza totale al vaiolo.
DA JENNER A PASTEUR
La tecnica di E.A. Jenner di inoculare il vaiolo bovino per proteggersi dal vaiolo umano si diffuse rapidamente attraverso l’Europa ma dovettero trascorrere quasi 100 anni prima che questa tecnica fosse applicata da Louis Pasteur ad altre malattie.
Come capita spesso nella scienza, la casualità combinata con argute osservazioni ha fatto compiere i passi più significativi alla conoscenza dell’immunologia. La prima di queste osservazioni riguardò il colera aviario, una malattia contagiosa mortale dei polli.
Nel 1880, L. Pasteur, dopo aver abbandonato nel suo laboratorio, durante i mesi estivi, una coltura virulenta di germi del colera aviario, la inoculò nei polli; osservò che, non solamente gli animali non presentavano gravi disturbi, ma resistevano all’inoculazione successiva di una coltura virulenta.
PASTEUR ED IL COLERA AVIARIO
Pasteur dimostrò quindi che la somministrazione di culture invecchiate di vibrione del colera aveva la stessa valenza della somministrazione di materiale vaccinico. Successivamente estese queste sue osservazioni anche ad altre malattie, dimostrando che era possibile attenuare o indebolire un ceppo patogeno e somministrarlo come un vaccino.
Nel 1881, Pasteur vaccinò un gruppo di pecore con un Bacillus anthracis attenuato al calore ed invitò la comunità ad osservare l’inoculo delle pecore con una coltura virulenta del batterio. Tutte le pecore vaccinate sopravvissero mentre gli animali che non erano stati vaccinati morirono. Questi esperimenti segnarono gli albori dell’immunologia.
L. Pasteur diede un ulteriore contributo decisivo per la vaccinazione contro le malattie infettive anche nel 1885 con la creazione di un vaccino anti-rabbico nella prevenzione della rabbia nell’uomo e in onore di Jenner introdusse così il termine “vaccinazione”, destinato ad imporsi.
SCOPERTE SULLE ZOONOSI
Nel periodo tra il 1885 e il 1886, il veterinario Daniel Elmer Salmon ed il suo assistente Theobald Smith (1859 – 1934) fecero importanti scoperte sulle zoonosi, cioè quelle malattie infettive o parassitarie che colpiscono gli animali dimostrando che tali animali possono essere resi immuni a una malattia (in questo caso al colera suino) mediante vaccini ottenuti da microrganismi uccisi al calore.
Nel 1888 Émile Roux e Alexandre Emile Jean Yersin (22settembre 1863 – 1marzo 1943) identificarono la prima tossina difterica e dimostrarono che questa poteva essere neutralizzata da una sostanza chiamata” antitossina”, presente nel siero di animali inoculati con bacilli del tetano. Basandosi sui lavori di Emil Adolf von Behring, E. Roux e i suoi collaboratori misero a punto un metodo di trattamento chiamato “sieroterapia”.
Il vaccino venne invece realizzato a partire da tossine rese inattive con metodo chimico (trattamento con formalina) o al calore nei primi anni ‘20 del novecento da Gaston Ramon (30settembre 1886 – 8giugno 1963).
La scoperta dell’immunità umorale e cellulare
Fra il 1890 e il 1905 furono descritti i principali fenomeni immunologici e, con essi, le conseguenti possibilità di applicazione diagnostica e terapeutica. Nel corso di quegli anni si assistette infatti ad una serie di osservazioni che avrebbero permesso di chiarire le principali modalità d’interazione antigene-anticorpo.
Nel 1888 il microbiologo britannico di origini statunitensi George Henry Falkiner Nuttall dimostrò che il sangue defibrinato poteva uccidere alcuni batteri.
L’anno dopo il batteriologo tedesco Hans Ernst August Buchner (16dicembre 1850 – 5aprile 1902) identificò questo fattore battericida nel siero e dimostrò che questa sostanza allora chiamata “alessina” veniva inattivata dal riscaldamento a 56°C per la durata di un’ora.
Nel 1890 E. A. von Behring e Shibasaburo Kitasato (29gennaio 1853 – 13giugno 1931) sottoposero alcuni animali a ripetute iniezioni di dosi non letali (dosi deboli) di tossina tetanica o difterica rilevando che questi animali diventavano resistenti alla successiva inoculazione della corrispondente tossina somministrata a dosi mortali.
IL CONCETTO IMMUNITARIO DI SPECIFICITà
Da questa osservazione si ricavò un concetto molto importante in immunologia: quello della “specificità”. Nel 1894 il microbiologo tedesco Richard Fiedrich J. Pfeiffer (1858-1945) ed il microbiologo russo Vasily Isaevich Isayev (1854-1911) dimostrarono che vibrioni colerici viventi, iniettati nella cavità addominale di cavie precedentemente immunizzate con batteri uccisi, venivano rapidamente lisati.
Nel 1895, il batteriologo belga Jules Jean Baptiste Vincent Bordet (13giugno 1870 – 6aprile 1961) dimostrò che la batteriolisi era dovuta alla sovrapposizione degli effetti di due fattori; uno termolabile, aspecifico perché presente nel siero di animali normali (alessina di Buchner) e l’altro specifico, presente solo nel siero di animali immunizzati.
In assenza del fattore aspecifico si osservava l’aggomitolarsi dei vibrioni in ammassi, ovvero “l’agglutinazione” (Tabella sotto).
L’ESPERIMENTO DI BORDET
L’esperimento di Bordet può essere schematizzato in questa tabella:
| Siero normale + vibrione del colera |
non succede niente |
| Siero anti-colera + vibrione | si ha lisi |
| Siero anti-colera riscaldato a 56°C per 1 ora + vibrione | si ha agglutinazione |
| Siero anti-colera riscaldato a 56°C per 1 ora + siero normale + vibrione | si ha lisi |
IL FENOMENO DELL’AGGLUTINAZIONE
Nel 1896 il fenomeno dell’agglutinazione dei batteri a contatto con l’antisiero specifico fu applicato dal batteriologo francese Georges Fernand Isidore Widal (1862-1929) per diagnosticare la febbre tifoide (reazione di Widal), mentre nel 1897 il patologo boemo Rudolf Kraus (31ottobre 1868 – 16luglio 1932) notava che, aggiungendo il siero di una cavia immunizzata con il vibrione del colera ad un filtrato di coltura dello stesso batterio, si otteneva la formazione di un precipitato (reazione di precipitazione).
La tossina difterica, il vibrione del colera, il filtrato di una coltura microbica furono definiti” antigeni”. L’animale che riceveva una o più inoculazioni di un determinato antigene era considerato “immunizzato” in maniera specifica contro lo stesso antigene.
Prime teorie sull’immunità
Per sottolineare le proprietà particolari acquisite dal siero dell’animale si coniarono i termini di “antisiero o siero immune”. A partire da queste osservazioni vennero puntualizzati i seguenti concetti:
• l’antigene è la sostanza che introdotta in un organismo è in grado di provocare, da parte di questo, la sintesi di un “anticorpo” specifico;
• l’antigene e l’anticorpo possono unirsi specificamente secondo un grande numero di modalità sia in vivo che in vitro.
Questa definizione dell’antigene non implicava che esso dovesse essere per forza una sostanza microbica o più in generale una sostanza patogena per l’animale. Questa precisazione risale ai primi lavori di Paul Ehrlich e J.J. Bordet.
PROPRIETà ANTIGENICHE
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Nel 1891 Ehrlich aveva dimostrato che alcune tossine vegetali come la ricina (proteina presente nei semi della pianta Ricinus communis, inibitrice della sintesi proteica dei ribosomi ed in grado di causare morte cellulare) e la abrina (ricavata dai semi dell’Abrus precatorius, una pianta comune in zone tropicali, anch’essa potente proteina inattivante i ribosomi), possedevano proprietà antigeniche. Nel 1898 Bordet era riuscito ad immunizzare alcuni animali contro le emazie provenienti da altre specie animali.
In quest’ultimo sistema, la reazione antigene-anticorpo si manifestava con una distruzione dei globuli rossi o “emolisi” dovuta, come la batteriolisi, alla presenza nel siero di un fattore specifico, ovvero l’anticorpo, ma anche ad un’altra sostanza presente nel siero di tutti gli animali, immunizzati e non, risultata poi identica all’alessina di Buchner, ovvero il “complemento”.
sostanze immunogene
Successivamente, nel 1899, il microbiologo ungherese Ladislas Deutsch (chiamato anche László Detre; 29ottobre 1874 – 7maggio 1939) chiamò sostanze immunogene o antigeni anche quelle sostanze che egli riteneva intermedie fra componenti batteriche e anticorpi. Si dimostrò che il complemento era in grado di fissarsi direttamente sull’anticorpo ma solo dopo che quest’ultimo aveva interagito con l’antigene.
La fissazione del complemento al complesso antigene-anticorpo, processo che implica in effetti una complessa catena di reazioni distinte, è un fenomeno generale come poi dimostrato, nel 1901, da Bordet e dal microbiologo belga Octave Gengou (1875-1957).
Già all’inizio del secolo erano note le principali modalità della reazione antigene-anticorpo in vitro (precipitazione, agglutinazione e fissazione del complemento, lisi), mentre il ruolo protettore degli antisieri in vivo andava rivoluzionando la terapia e la profilassi delle malattie infettive.
ALLA RICERCA DI ANTICORPI
L’idea, agli inizi del XX secolo, era quella di poter disporre di un potente mezzo di difesa (gli anticorpi) contro gli agenti microbici e che questa protezione dovesse costituire il sistema immunitario.
Nel 1902 la scoperta dell’anafilassi introdusse un’incrinatura a questa visione esclusivamente protettiva dell’immunologia, segnando l’inizio della immunopatologia caratterizzata dalla presa di coscienza che la formazione degli anticorpi poteva anche produrre effetti patologici.
Gli studi del 1901 e 1902 del fisiologo francese Charles Robert Richet (25agosto 1850 – 4dicembre 1935) e del fisiologo francese Paul Portier (1866-1962) sulla tossicità degli estratti di tentacoli di attinie sui cani portò alla introduzione del concetto di “anafilassi” (contro-protezione):
“in particolari condizioni, anziché un aumento della resistenza, si può avere una diminuzione, e la reazione immunitaria può essere talmente lesiva da portare l’organismo fino alla morte”.
scoperta dei gruppi sanguigni
Nello stesso periodo, Karl Landsteiner (1868-1943) identificava gli antigeni e gli anticorpi naturali rispettivamente nei globuli rossi e nel siero umano (gruppi sanguigni ABO).
Gli studi di Henry Hallett Dale (1875-1968) sul finire del primo decennio del ‘900, introdussero nuove conoscenze sul significato dei mediatori chimici che costituirono la premessa per l’analisi dei fenomeni immunopatologici.
IL CONCETTO DI ALLERGIA
Nel 1903, l’immunologo francese Nicolas Maurice Arthus (1862-1945) introdusse il concetto di anafilassi locale o fenomeno di Arthus (reazione infiammatoria locale di intensità progressivamente crescente sino a alla necrosi tissutale).
Nel 1906, il pediatra austriaco Clemens Peter von Pirquet (12maggio 1874 – 28febbraio 1929) introdusse invece il concetto di “allergia” (suscettibilità in luogo di resistenza).
C.R. Richet e P. Portier, che si erano semplicemente proposti di immunizzare alcuni cani contro il principio urticante delle attinie, ebbero la sgradita sorpresa di vedere gli animali immunizzati soccombere qualche minuto dopo in seguito ad una seconda iniezione dello stesso antigene.
PROTEZIONE AL CONTRARIO
Questa protezione a rovescio, significato letterario del termine anafilassi proposto dagli Autori, è una dimostrazione drammatica dei fenomeni di ipersensibilità di cui asma, orticaria, raffreddore da fieno sono esempi di reazione meno violenta.
Questo tipo di ipersensibilità può essere trasmessa ad un animale “sano” iniettandogli il siero di un animale sensibilizzato. Questo siero contiene infatti anticorpi di tipo diverso da quello responsabile dell’effetto protettore citato in precedenza; si tratta di anticorpi che hanno la proprietà di fissarsi sui mastociti presenti nel derma o sulle piastrine, in grado di provocare, a seguito dell’interazione con l’antigene, la degranulazione dei mastociti con liberazione di istamina che, agendo sulla muscolatura liscia, è responsabile dei disturbi osservati nell’anafilassi.
Primi anni del ‘900: immunità umorale e immunità cellulo-mediata
Nel 1905 e nel 1906, Ehrlich ed il biologo ucraino Elie Metchnikoff elaborarono due teorie che sono alla base della attuale immunologia: la “teoria delle catene laterali” di Ehrlich e la “teoria della immunità cellulare” di Metchnikoff.
La prima (“teoria delle catene laterali”) ipotizzava che sulle superfici cellulari esistessero recettori “nutritivi” specifici per ogni particolare “tossina” e che la cellula, attivata dalla loro interazione, producesse un eccesso di tali recettori che venivano quindi rilasciati in circolo come anticorpi antitossina.
La seconda (“teoria della immunità cellulare”) ipotizzava invece che la risposta immunitaria si fosse evoluta per assicurare l’integrazione fra le parti dell’organismo. Sulla base di esperimenti sul potere digerente delle cellule mesodermiche e mediante l’osservazione di reazioni infiammatorie, Metchnikoff ipotizzò che l’immunità fosse il risultato dell’attività fagocitaria dei leucociti (teoria della fagocitosi).
IMMUNITà CELLULARE ED IMMUNITà UMORALE
Alla spiegazione dell’immunità cellulare si contrappose un’interpretazione umorale (“immunità umorale”) come conseguenza della scoperta di fattori solubili presenti nelle colture batteriche e nel siero del sangue, i primi dotati di proprietà tossiche e i secondi in grado di reagire con gli agenti patogeni e le loro tossine.
Esistevano però altre manifestazioni immunitarie che non implicavano l’intervento di anticorpi circolanti ed è quanto succedeva negli stati di ipersensibilità ritardata evidenziati da Robert Koch nel 1891. In seguito all’iniezione di bacilli tubercolari nella zampa di una cavia, Koch osservò la comparsa nel punto di inoculazione, di un indurimento che si sviluppava piuttosto lentamente (nel corso di molte settimane).
A seguito di una seconda iniezione di bacilli tubercolari, effettuata trenta giorni dopo in un’altra zampa, si produceva una lesione infiammatoria violenta, molto diversa dall’indurimento precedente e che dava luogo alla espulsione purulenta dei bacilli iniettati.
Il fenomeno di Koch
Questo “fenomeno di Koch” costituisce la prima osservazione del fenomeno di ipersensibilità ritardata, il cui esempio più comune è il test di allergia tubercolinica: gli individui che sono stati a contatto con il bacillo tubercolare, sia in modo asintomatico che clinicamente manifesto, sia in seguito a vaccinazione con BCG (bacillo tubercolare attenuato di Léon Charles Albert Calmette e Jean-Marie Camille Guérin), sviluppano uno stato di ipersensibilità che viene rivelato per mezzo della tubercolina (nome dato ad estratti, totali o parziali, di bacilli tubercolari adoperati come antigeni per la diagnosi dell’infezione tubercolare (TBC) nell’uomo, nei bovini e negli animali da laboratorio). Una reazione positiva che si manifesta con un indurimento e arrossamento nel punto di inoculazione, compare dopo 24-48 h; da ciò deriva il nome di ipersensibilità ritardata che viene dato a questa reazione in contrapposizione all’ipersensibilità immediata che si manifesta invece entro pochi minuti dal contatto con l’antigene.
DUE TIPI DI IPERSENSIBILITà
I due tipi di ipersensibilità hanno quindi una natura profondamente diversa.
Gli stati di ipersensibilità immediata sono trasmissibili ad un altro soggetto mediante inoculazione di siero di un animale sensibilizzato; ciò dimostra che il fattore chimico responsabile di questi stati è presente nel siero e tale fattore è rappresentato, come si vedrà, da uno speciale gruppo di anticorpi.
Uno stato di ipersensibilità ritardato non può essere invece trasmesso passivamente ad un animale con il siero di un altro animale sensibilizzato; è però possibile trasmettere questo stato iniettando ad un altro animale cellule linfonodali provenienti da un animale sensibilizzato.
Pertanto, il fattore dell’ipersensibilità ritardata è quello localizzato a livello linfocitario. Occorre tener presente che le due reazioni, come d’altra parte tutte le altre manifestazioni immunitarie, hanno in comune una caratteristica essenziale: la specificità, per cui un antigene viene riconosciuto elettivamente da una struttura molecolare di natura ben nota (anticorpi e recettori di membrana linfocitari).
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Bibliografia:
- Jenner Adw. London 1796 von Behring E., Kitasato S. (1890) “Serotherapie mit anti-diphterie Serum“. Dtsch Med Wochschr 16; 1113.
- Bordet, J. and Gengou, O. (1901). “Complement fixation reaction (basis for Wassermann test)“. Ann Inst Pasteur, Paris 1901; 15: 289.
- Ehrlich P, Morgenroth J (1900): “Ueber Haemolysine: dritte Mittheilung“. Berliner klinische Wochenschrift 37; 453 – 458.
- Landsteiner K. (1900) Zbl Bakt 27; 357 von Pirquet C. (1906) Allergie. Munch Med Wochenschr 53:1457; 1 – 415.
- Metchnikoff, E. (1908). “The Prolongation of life: Optimistic Studies“. Putnam, New York.