Il premio “Albert Lasker Basic Medical Research Award” a coloro che hanno identificato i linfociti ‘B’ e ‘T’

Per la loro scoperta delle due distinte classi di linfociti, cellule B e T – un risultato monumentale che ha fornito il principio organizzativo del sistema immunitario adattativo e ha avviato il corso dell’immunologia moderna.

Max Dale Cooper è un’immunologo statunitense nato il 31 agosto del 1933 e Jacques Francis Albert Pierre Miller è uno scienziato australiano nato in Francia il 2 aprile 1931.

Il premio “Albert Lasker Basic Medical Research Award 2019” rende omaggio a due scienziati per le scoperte che hanno stimolato il progresso dell’immunologia moderna. Max D. Cooper (Emory University School of Medicine) e Jacques Miller (professore emerito al The Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research) hanno identificato due distinte classi di linfociti, le cellule B e T, un risultato monumentale che ha fornito importanti informazioni sul principio organizzativo dell’immunità acquisita. Questo lavoro pionieristico ha alimentato un numero enorme di progressi nella scienza di base e clinica, molti dei quali hanno già ricevuto precedenti riconoscimenti sia con Lasker Awards che Premi Nobel, inclusi quelli associati alla scoperta degli anticorpi monoclonali, la generazione della diversità anticorpale, la restrizione del Complesso Maggiore di Istocompatibilità (MHC) per la difesa immunitaria, il processamento dell’antigene da parte delle cellule dendritiche ed il tipo di immunoterapia per l’inibizione del cancro chiamata “checkpoint inhibitor therapy”.

gli esordi di miller

Jacques Miller nasce il 2 aprile 1931 a Nizza, in Francia. E’ cresciuto in Francia, Svizzera e Cina, per lo più a Shanghai. Dopo lo scoppio della seconda guerra mondiale e l’ingresso del Giappone in guerra lui e la sua famiglia si trasferirono nel 1941 a Sydney, Australia, dove cambiarono il loro cognome in “Miller”.

Quando Miller iniziò la sua ricerca – intorno al 1960 – gli scienziati avevano già scoperto alcune caratteristiche dell’immunità acquisita: che protegge i nostri corpi dagli invasori microbici; è alla base della memoria immunologica; distingue se stessa dai tessuti estranei. Gli scienziati sapevano che gli anticorpi, proteine solubili le cui quantità aumentano dopo l’infezione, svolgono azioni particolari sulle cellule vive e intatte come il rigetto di innesti trapiantati.

È noto che le principali attività del sistema immunitario si verificano nella milza e in altri tessuti linfoidi. Il timo, al contrario, brulicava di linfociti – cellule pensate allora svolgenti l’attività di avviare funzioni immunologiche – ma i linfociti del timo non potevano trasferire le risposte immunitarie ad altri animali. Inoltre, la rimozione dell’organo da animali adulti non produceva effetti dannosi. Il timo, secondo l’idea prevalente, era un organo superfluo, una reliquia evolutiva.

Dal vestigiale all’inestimabile

Tavola del ‘Gray’s Anatomy’ del 1918 raffigurante il timo. http://theconversation.com/gus-nossal-its-australian-jacques-millers-turn-for-a-nobel-prize-3552

Miller non aveva alcun interesse intrinseco per questa parte inutile del corpo, ma le osservazioni sulla leucemia linfocitica del topo attirarono le sue attenzioni verso quest’organo allorché egli iniziò il suo dottorato di ricerca presso l’Institute of Cancer Research di Londra. Un virus scoperto di recente era in grado di causare questo tumore quando somministrato alla nascita, ma non in seguito, ed esperimenti preliminari suggerivano che esso colpiva il timo. Per verificare se poteva moltiplicarsi solo nel timo neonato, Miller rimosse l’organo nei topi neonati e quindi iniettò il virus. Le reazioni non tardarono ad arrivare. All’inizio i cuccioli rimanevano sani, ma dopo lo svezzamento essi sviluppano diarrea e iniziavano a perdere peso. Essi presentavano deficienze nel sangue, nei linfonodi e nei linfociti della milza, ed anche nelle plasmacellule, le cellule che producono anticorpi. Gli animali producevano una scarsa risposta anticorpale dopo l’immunizzazione batterica.

I timi dei topi neonati

Jacques Miller al microscopio. Miller è lo scopritore della funzione del timo, un organo considerato ‘vestigiale’ fino ai suoi esperimenti all’inizio degli anni sessanta del novecento.

Inoltre, le piccole cavie non riuscivano a ‘rigettare‘ la pelle trapiantata da topi non imparentati e persino da ratti, diversamente da come accade gli animali con un sistema immunitario intatto. Due terzi dei topi morirono prematuramente.

La timectomia neonatale stava paralizzando le attività immunitarie, concluse Miller. Poco dopo la pubblicazione dei suoi risultati iniziali, altri gruppi riportarono risultati simili da studi su ratti e conigli. Miller stabilì successivamente che il timo è talvolta essenziale anche negli animali adulti, per reintegrare il sistema immunitario se danneggiato dall’irradiazione di raggi X.

Il timo, pensò, potrebbe creare cellule che circolano ed ottengono capacità immunitarie, diventando in grado di attaccare le minacce estranee che arrivano a tutto il corpo.

Miller ed il Timo

Il timo è un organo ricco di linfociti, bilobato ed incapsulato, situato dietro lo sterno, sopra e davanti al cuore. L’attività del timo è massima nel feto e nella prima infanzia. Esso subisce atrofia durante la pubertà, anche se non scompare mai del tutto. https://microbenotes.com/thymus-structure-and-functions/

Per testare questa idea, egli impiantò il timo in topi timectomizzati neonatalmente e quindi innestò la pelle di diversi donatori. Gli animali respingevano gli innesti da individui non imparentati, ma li tolleravano dal ceppo familiare che forniva il timo. Il timo quindi forniva la funzione immunologica. Inoltre, nella milza del ricevente – dove i linfociti si moltiplicano dopo la stimolazione – una frazione significativa delle cellule in divisione proveniva dal timo del donatore. Come aveva ipotizzato Miller, le cellule del timo potevano migrare e maturare.

Miller pubblicò il lavoro nel 1961 e nel 1962 e presentò i suoi risultati in diversi incontri. Molti scienziati inizialmente resistettero alle sue interpretazioni, inclusi importanti immunologi come Peter Medawar (1915-1987) e MacFarlane Burnet (1899-1985). Come può un organo usa e getta servire uno scopo vitale? Continuavano a sostenere in tanti.

dalle stalle alle stelle

La stalla di Miller usata come laboratorio tra la fine degli anni ’50 e gli inizi degli anni ’60 nel Buckinghamshire.

L’obiezione specifica più forte era che il luogo in cui Miller lavorava era una stalla per cavalli convertita allo scopo in laboratorio. Forse era piena di agenti patogeni che mettevano gli animali in uno stato di stress immunologo e la timectomia li spingeva all’immunosoppressione.

Per affrontare questa possibilità, Miller si recò al National Institutes of Health degli Stati Uniti, l’unico posto al mondo che all’epoca aveva topi privi di germi. Egli ripeté gli esperimenti con quegli animali e confermò che topi timectomizzati neonatalmente accettano innesti di pelle estranea. Dunque, gli effetti immunologici erano associati alla rimozione del timo, non a un sistema immunitario precedentemente indebolito.

una Doppia Linea di difesa

Nel frattempo, Max D. Cooper, un pediatra, si era interessato a condizioni che rendevano i bambini insolitamente sensibili alle infezioni e, nel 1963, si unì al laboratorio del compianto Robert A. Good della “University of Minnesota Medical School” per esplorare le sue idee. Alcune sindromi sembravano rappresentare segmenti discreti e isolati dell’immunità acquisita. Ad esempio, molti bambini con agammaglobulinemia di tipo Bruton non producono anticorpi rilevabili, ma possono svolgere compiti immunitari mediati dalle cellule. Al contrario, i bambini con altre condizioni di immunodeficienza mostrano la firma fisiologica opposta. Tali osservazioni hanno suggerito l’esistenza di due distinti bracci di immunità adattativa nell’uomo. A questo punto, tuttavia, il modello prevalente, derivato dagli studi di Miller e di altri animali, suggeriva che un singolo percorso conduceva dai linfociti generati dal timo alle plasmacellule.

LINFOCITI E PLASMACELLULE

Sistema di difesa a doppio braccio: cellule staminali da tessuti che formano il sangue – come milza, midollo osseo e fegato fetale – maturano lungo la linea T (superiore) o B (inferiore) per formare, rispettivamente, i componenti mediati dalle cellule o basati su anticorpi del sistema immunitario acquisito. Lungo la strada, i segnali provenienti da ogni tipo di cellula in via di sviluppo richiedono maturazione e specializzazione dell’altro. Negli uccelli, la borsa di Fabrizio ospita le prime fasi della generazione delle cellule B e la diversificazione degli anticorpi, mentre nei mammiferi si verificano analoghi passaggi nel midollo osseo.

In questo scenario, i linfociti emergono dal timo e si diffondono ad altri tessuti, come la milza, dove la stimolazione con sostanze estranee innescava alcuni di loro per diventare fabbriche di anticorpi. Il modello a percorso singolo non si associava facilmente alle osservazioni cliniche, che mostravano come le attività mediate dalle cellule potevano appassire senza cancellare la produzione di anticorpi. Se i linfociti danno origine a plasmacellule, non è semplice spiegare come le plasmacellule e i loro prodotti possano abbondare quando i linfociti sono scarsi.

I risultati pubblicati lontano dal mainstream dell’immunologia hanno indicato nel pollo un modello per risolvere questo enigma. Nel 1956, il compianto Bruce Glick (allora studente universitario presso l’Ohio State University) aveva riportato nel “Journal of Poultry Science” che la rimozione di un organo linfoide – la borsa di Fabrizio – subito dopo la schiusa poteva far ridurre la produzione di anticorpi. Forse, ragionò Cooper, poteva usare il pollo per simulare l’apparente spaccatura riflessa nelle malattie umane e bypassare i potenziali contributi della borsa e del timo.

I primi tentativi di Cooper di eliminare la funzione del timo, rimuovendo il timo di pollo, non produssero effetti ed egli ipotizzò che i polli appena nati potevano trasportare cellule derivate dal timo che erano fuggite dal loro luogo di nascita prima della schiusa, oscurando così i difetti che, in teoria, dovrebbero derivare dalla timectomia.

I polli di Cooper

Max Cooper sulla copertina della rivista ‘Alabama Medicine’ (luglio 1982) https://news.emory.edu/features/2019/09/lasker-award-cooper/index.html

Per ovviare a questa possibilità, egli rimosse il timo o la borsa di Fabrizio dai polli appena nati e quindi irradiò gli animali per distruggere le cellule immunitarie residue che avrebbero potuto fluttuare intorno al corpo. Quindi lasciò che gli animali guarissero. I polli irradiati senza la borsa di Fabrizio non producevano anticorpi dopo l’iniezione con batteri o proteine estranee e mancavano di plasmacellule. Il loro timo si sviluppava normalmente e i linfociti fiorivano. Al contrario, i polli irradiati senza timo avevano pochi linfociti, ma più della metà produceva anticorpi quando stimolati. Studi successivi dimostrarono che questi animali non potevano avere normali reazioni di rigetto sugli innesti cutanei o eseguire altre reazioni immunitarie cellulo-mediate.

Nel 1965 e nel 1966, Cooper pubblicò queste scoperte e propose che la borsa di Fabrizio fosse essenziale per la produzione di anticorpi e il timo fosse essenziale per le risposte immunitarie cellulo-mediate. I nomi delle cellule derivate da borsa e timo alla fine si sono ridotti rispettivamente alle cellule B e T. Il modello a due vie ha fornito un nuovo obiettivo attraverso il quale visualizzare le malattie da immunodeficienza umana e ha fornito nuove informazioni su una vasta gamma di problemi di base e clinici (vedere la figura).

Crosstalk power

Un linfocita è un tipo di globulo bianco che fa parte del sistema immunitario. Esistono due tipi principali di linfociti: cellule B e cellule T. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Lymphocyte

Anche se queste scoperte si estendevano ai mammiferi, che non possiedono un evidente equivalente della borsa di Fabrizio, si sollevarono domande sconcertanti. Ad esempio, la timectomia più l’irradiazione dei polli aveva ridotto la produzione di anticorpi, e la timectomia neonatale nei topi l’aveva ostacolata. La divisione tra i due percorsi non era totale.

Miller (dopo essersi unito alla facoltà dell’Istituto di ricerca medica The Walter ed Eliza Hall) e il suo assistente, Graham Mitchell, decise di sondare come il timo poteva influenzare la produzione di anticorpi nei topi. Dopo aver cancellato l’attività del timo, essi introdussero cellule derivate dal timo, cellule derivate dal midollo osseo geneticamente distinte o entrambe prima di provocare la produzione di anticorpi.

Nessuno dei due tipi di cellule ricostruiva la produzione di anticorpi nella milza. Solo gli animali che avevano ricevuto cellule derivate dal timo e dal midollo osseo compivano questa azione. Si stava verificando una collaborazione tra i due tipi di celle.

la collaborazione tra timo e midollo osseo

Schema sui meccanismi di immunità innata ed adattativa. https://www.creative-diagnostics.com/innate-and-adaptive-immunity.htm

Ulteriori esperimenti hanno rivelato che le cellule derivate dal midollo osseo erano quelle che producono anticorpi, ma solo con l’assistenza delle cellule derivate dal timo. Miller non solo aveva dimostrato che il sistema duale opera sia nei mammiferi che negli uccelli, ma aveva anche mostrato quelle che oggi conosciamo come le cellule T helper. Questo lavoro ha innescato un’esplosione di interesse per le interazioni dei linfociti.

Sebbene il midollo osseo di topo contenesse cellule che potrebbero dare origine ai produttori di anticorpi, il midollo osseo avrebbe potuto riceverle da altrove, quindi la ricerca dell’equivalente della borsa di Fabrizio nei mammiferi continuò. Nel 1974, Cooper in collaborazione con Martin Raff e John Owen (University College di Londra), così come investigatori indipendenti a Melbourne e Ginevra, stabilirono che i precursori delle cellule B dei mammiferi sono generati nei tessuti che formano il sangue: il fegato nel feto ed il midollo osseo dopo la nascita.

UNA NUOVA ERA DELL’IMMUNOLOGIA CELLULARE

I globuli bianchi svolgono un ruolo importante nelle risposte immunitarie innate e adattative. https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/biological-sciences-practice/biological-sciences-practice-tut/e/innate-vs-adaptive-immunity

Questa scoperta si integrava con i precedenti lavori di Cooper sullo sviluppo degli anticorpi. Egli aveva dimostrato che due classi di anticorpi, IgM e IgG, ciascuna nota per attività specifiche, provengono da una singola cellula precursore B che passa dalla produzione di IgM a IgG.

Molti laboratori hanno successivamente chiarito i dettagli del sistema svelato da Miller e Cooper, che opera in tutti i vertebrati mascellati. Cooper (alla University of Alabama, Birmingham e poi alla Emory University School of Medicine) ha continuato a scoprire che i vertebrati senza mascelle – rappresentati da lampreda e missinoidi – implementano uno schema organizzato in modo simile per riconoscere una vasta gamma di molecole estranee, ma con molecole che sono strutturalmente estranee agli anticorpi e ai recettori utilizzati dalle cellule B e T.

UN LAVORO PIONIERISTICO

Delineando i due principali rami del sistema immunitario adattativo, ognuno dei quali svolge funzioni distinte, Cooper e Miller hanno aperto una nuova era dell’immunologia cellulare. Praticamente tutte le scoperte fondamentali sul campo negli ultimi 50 anni possono essere ricondotte al loro lavoro pionieristico. Inoltre, i loro risultati storici hanno alimentato nuove strategie terapeutiche che hanno sfruttato le cellule immunitarie e i loro prodotti per combattere una vasta gamma di malattie, dal cancro ai disturbi autoimmuni pera arrivare alle condizioni di immunodeficienza e molto altro.

Il premio “Albert Lasker Basic Medical Research Award” a coloro che hanno identificato i linfociti B e T