Infektion med B. burgdorferi orsakar en kraftig reaktion från värdens immunförsvar med aktiverat komplementsystem och ökande nivåer av antikroppar, men trots detta kan spiroketen överleva långa tider i kroppen – hur är detta möjligt?
Efter invasion hotas bakterierna av såväl det medfödda immunförsvaret med slemhinnor, lågt pH, komplementsystem och fagocyterande celler som av det förvärvade immunförsvarets antikroppar. Inledningsvis och centralt i detta scenario är att på något sätt undgå att förstöras av komplementsystemet och undgå lysis genom MAC (Sviberg & Meri (2004)) Utnyttjade strategier i detta avseende är att variera uttrycket av ytproteiner, OSPs, och också att med hjälp av dessa binda upp komplementsystemet faktor H ( bl.a. OSP E) för att på så sätt blockera komplementreaktionen (figur 1) (Favoreel (2003), Hellwage et al. (2001), Sviberg & Meri (2004))
Komplementsystemet spelar en stor roll som medaktör till det medfödda immunsystemet. Benämningen ”komplementsystem” har sitt ursprung i experiment utförda av Jules Bordet kort efter upptäckten av antikroppar.
Vad Bordet visade var att om färskt serum innehållande antikroppar mot vissa bakterier adderades till dessa bakterier vid fysiologisk temperatur (37oC), så lyseras bakterierna. Om serumet däremot värmeinaktiverats (minst 56oC) före experimentet, fås agglutination men inte lys av bakterierna, detta då antikroppar är värmestabila. Av detta drog Bordet slutsatsen att serum måste få hjälp av, ”kompletteras med”, någon värmelabil komponent med förmåga att lysera de agglutinerade bakterierna. Denna ”komponent” fick benämningen komplement (Abbas et al. (2000), Alitalo et al (2001)). Detta kompletterande system, komplementsystemet, är uppbyggt av serum– och cellyte– proteiner som interagerar dels med varandra dels med andra molekyler i immunsystemet på ett högst reglerat sätt.
Hos vertebrater är komplementsystemet en av de viktigaste skyddsmekanismerna mot mikroorganismer och andra invaderande agens och omfattar ca 30 olika lösliga proteiner. Dessa plasmaproteiner, som normalt är inaktiva, kan aktiveras av olika processer kopplade till infektion och immunförsvarsinteraktion med invaderande organismer, resulterande i kaskadartad proteolys och produktion av aktiva molekyler med olika effektorfunktioner (Abbas et al. (2000)). Exempel är ämnen som förorsakar lokal kärlvidgning, utövar kemotaktisk attraktion gentemot fagocyterande celler (inflammatorisk reaktion) eller opsonisering och lys av agglutinat (Abbas et al. (2000)).
I komplementsystemet ingående proteiner, glykoproteiner och övriga komponenter syntetiseras till stor del av hepatocyter, monocyter, vävnadsmakrofager och epitelceller i gastrointestinal respektive genourital vävnad (Kuby (1994)). Komplementkomponenterna cirkulerar i blodet i en inaktiv form., flera av dem som proenzymer, vars enzymatiskt aktiva site är dolt. När ett proenzym aktiveras klyvs den maskerande delen bort och det aktiva sitet kommer till uttryck. Aktiveringstegen är sekundsnabba förlopp och varje aktiverad komponent har en kort halveringstid innan den blir inaktiv.
Varje komponent i systemet benämns antingen med en numrerad bokstav (C1 – C9) eller med andra triviala benämningar som exempelvis H, I eller B. Efter aktivering och klyvning namnges peptidfragmenten med små bokstäver, ”a” för det mindre fragmentet och ”b” för det större. b - fragmentet binder in till mikrobers cellytor, till fria antikroppar eller bundna antikroppar samt till olika vävnadsceller. Det mindre a-fragmentet initierar ofta lokal inflammatorisk respons (Abbas et al. (2000)).
Aktivering av komplementsystemet kan ske genom ett antal olika vägar – den klassiska, den alternativa och via lektin. Den klassiska vägen aktiveras genom antikroppar bildade mot den invaderande mikroorganismen, den alternativa genom direktinteraktion med molekyler på mikrobens cellyta medan lektinvägen aktiveras genom inbindning av plasmalektin till mannosgrupper på mikrobytan. Detta innebär att komplementsystemet genom den alternativa vägen kan attackera invaderande mikroorganismer direkt och innan antikroppar hunnit bildas (Abbas et al. (2000)).
En minsta gemensam nämnare i komplementsystemet utgörs av komplementproteinet C3. De olika aktiveringsvägarna skiljer sig i hur C3b bildas i de tidiga stegen medan aktiveringsprocessen i de senare stegen är lika. Oavsett väg fås en aktivering av C3 som klyvs i en större subenhet, C3b och en mindre, C3a varefter C3b binder in till mikrobens membranyta som därigenom opsoniseras. Detta följs upp av en kaskadliknande reaktionssekvens resulterande i bildandet av terminalt komplement komplex (TCC) och membran - attack – proteinkomplex (MAC), som lyserar mikroben, medan C3a förekommer fritt i plasman och stimulerar inflammatoriska processer. C3b attraherar dessutom fagocyterande leukocyter ( Abbas et al. (2000), Brändén & Andersson (1999)).
Eventuell spontanaktivering av komplementsystemet förhindras av regulatoriska proteiner på cellytan hos normala värdceller
Komplementsystemets klassiska väg (aktivering genom antikroppsinbindning till mikrobytan) upptäcktes först – därav namnet – medan den alternativa vägen anses vara fylogenetiskt äldre (Abbas et al. (2000)).
Den alternativa vägen
Molekyler på mikrobiella membranytor, både från grampositiva (G+) och gramnegativa (G-) bakterier, från svamp – och från jästceller kan aktivera komplementsystemet (Kuby (1994)). Företrädesvis handlar det hos G+ om teichonsyra, hos G- om lipopolysackarider och hos svamp – och jästceller om zymosan. Inbindning av C3 till någon av dessa molekyler resulterar i proteolys och bildning av C3a och C3b. Efter klyvning exponerar C3b en instabil thioestergrupp som binder in till amino- eller hydroxylgrupper på cellyteproteiner eller polysackarider genom amid respektive esterbindningar. Detta leder till komplementaktivering. Om kompatibilitet inte föreligger och inbindning inte sker förblir C3b i vätskefas, thioestergruppen hydrolyseras snabbt och komplementaktiveringen upphör (25). Inbundet C3b inaktiveras snabbt av ”sialic acid”- grupper förekommande på bland annat glykoproteiner. Sådana sialic acid- substituerade glykoproteiner är rikligt förekommande på mammalieceller, medan däremot bakterier, jästceller och också virus oftast uppvisar låga halter (Kuby (1994)).
Det karakteristiska för den alternativa vägen är således att inbindning av C3 till cellytan sker direkt utan närvaro eller medverkan av antikroppar. En viss klyvning av C3 i plasma, om än i
liten omfattning, till C3a och C3b pågår hela tiden spontant i en process kallad ”tick over” (tomgång).
Processen går sedan vidare genom att membranbundet C3b i närvaro av Mg2+ binder in faktor B (fB), ett plasmaprotein, under bildande av komplexet C3bB. När fB binder in till C3b blottas ett site på B, som i sin tur tjänar som substrat för ett enzymatiskt aktivt serumprotein, fD. fB klyvs av fD under bildning av Bb och Ba. Bb förblir bundet till C3b medan det mindre fragmentet Ba frisätts till plasman. Det således bildade C3bBb-komplexet utgör C3-konvertas för den alternativa vägen och är analogt med C4b2a för den klassiska vägen.
Det aktiverade C3 – konvertaset C3bBb har en halveringstid om endast 5 minuters. Denna kan förlängas till ca 30 minuter genom inbindning av serumproperdin (P). Aktivt C3bBb katalyserar en kaskadartad spjälkning av C3 till C3a och C3b, På detta sätt bildas stora mängder C3b på kort tid; en amplifieringskaskad kan på 5 minuter generera 2x106 C3b- molekyler med förmåga att binda in på antigena ytor. Dessutom kommer några av de C3b- molekyler som bildats att binda in till konvertaset självt under bildning av C3b2Bb, vilket
fungerar som C5 – konvertas för den alternativa vägen och leder till spjälkning av C5 och i slutändan till TCC/ MAC((Panelius(2002)). Det bildade C3b2Bb – komplexet är analogt med
C4b2a3b för den klassiska vägen. De senare stegen i komplementsystemet är sedan identiska oberoende av hur och av vad det inledningsvis har aktiverats
C5b binder in proteinerna C6, C7, C8 och slutligen ett antal (10-16) C9-proteiner vilket leder till slutprodukten C5b678(9)n benämnd MAC. MAC binder successivt in till mikrobens
cellmembran vilket resulterar i lys och celldöd (Abbas et al. (2000)). Den klassiska vägen
Den klassiska vägen initieras vanligen av bildade antigen – antikroppskomplex eller genom inbindning av antikroppar (IgM, olika IgG) till antigen på en cellyta, ofta en bakteriecell. Detta leder initialt till aktivering av de i komplementsystemet ingående plasmaproteinerna C1, C2, C3 och C4. Dessa har namngivits allteftersom de upptäckts och inte efter den ordning i vilken de uppträder i komplementkaskaden, vilket förklarar varför exempelvis C4 träder in i handlingen före C2 och C3.
Inbindning av antikropp till antigen resulterar i aktivering av ett inbindningssite för C1, Fc, på antikroppen. C1 är i sig en makromolekyl uppbyggd av 6 enheter, C1q, 2 C1r och 2 C1s, med den sammansatta benämningen C1q r2s2 och det kompletta komplexet kräver Ca2+ - joner för
stabilisering. De sex C1q-enheterna, var och en med ett globulärt huvud, sammanhålls som i en stjälk (Kuby (1994)).
Varje C1r- respektive C1s- monomer har dels en katalytisk domän dels en domän för interaktion och varje C1r och C1s-monomer måste via C1q binda till minst två Fc- sites för att det ska resultera i en stabil C1-antikropps-interaktion.
För IgM, som är en pentamer krävs uttryck av minst tre bindningssites för C1q medan det för IgG, som endast kan uttrycka ett C1q- bindande site i sin Fc- region, krävs engagemang av två molekyler för aktivering av C1.
Inbindning av C1q till Fc resulterar i en konformationsförändring av C1r, som omvandlas till ett aktivt serumproteas vilket katalyserar klyvning av C1s till ett likaledes aktivt enzym. Det
aktiverade C1s katalyserar klyvning av nästa protein i komplementkaskaden till C4a, som frisätts till blodet, och C4b, där C4b har sin motsvarighet i C3b i den alternativa vägens initierande fas. I nästa steg spjälkas C2 i C2a och C2b som binds in till C4b och slutligen resulterar i C4b2a, den klassiska vägens C3- konvertas.
Klyvning av C3 resulterar i ett mindre a- och ett större b- fragment där C3b kan binda in kovalent till cellytor eller till ursprunglig antikropp. När C3b väl en gång frisatts kan det också binda till faktor B i plasman och bilda C3bB och slutligen C3bBbP, efter inbindning av properdin (P). Detta komplex är identiskt med den alternativa vägens C3- konvertas.
Med hjälp av C3- konvertas går nu processen in i en uttalad amplifieringsfas med spjälkning av C5 genom C4b2a3b och C3b2Bb och kaskadartad bildning av TCC/ MAC.
De viktiga tidiga stegen i den alternativa och klassiska vägen är analoga; C3 i den alternativa vägen utgör motsvarighet till C4 i den klassiska vägen och faktor B utgör motsvarigheten till C2 (Abbas et al. (2000), Kuby (1994), Brändén & Andersson (1999), Alitalo et al. (2001)). Lektinvägen
Lektiner är kolhydratbindande plasmaproteiner med förmåga att binda in till polysackarider på mikrobytor. Speciellt binder mannosbindande lektin (MBL) in till polysackarider med mannosgrupper, vilket startar upp komplementaktiveringsprocessen i frånvaro av antikroppar (Padula et al. (1994), Panelius (2002)). MBL uppvisar en strukturell likhet med C1q och har förmågan att aktivera antingen C1r–C1s eller MASP-1–MASP-2 (mannose-binding protein- associated-serine esterase) med efterföljande spjälkning av C4. Komplementkaskaden fortsätter sedan i enlighet med den klassiska vägen (Abbas et al. (2000), Kuby (1994)).
Komplementkaskadens senare steg
Såväl den alternativa vägen som den klassiska vägen och lektinvägen leder till bildning av C3- konvertaser (C4b2a och C3bBbP). Spjälkning av C3 ger bildning av C3a och C3b av vilka C3b reagerar med C3 – konvertaser under bildning av C5-konvertaser, vilka i sin tur aktiverar C5 (Kuby (1994)) och i slutändan leder till bildning av TCC/ MAC.
Således klyvs C5 till ett mindre C5a-fragment som frisätts från det tvåkedjade C5b- fragmentet, som förblir bundet till komplementproteinerna på mikrobens cellyta. Till C5b- fragmentet binds sedan C6 och C7 resulterande i ett kortlivat, hydrofobt C5b, C6, C7- komplex (C5b-7) lokaliserat till cellytan men också till cellmembranets lipofila insida. C5b-7 har hög affinitet för C8, en trimer, som binder med en kedja till C5b-7 och en annan till membranets lipidlager under bildning av ett stabilt C5b, C6, C7, C8 (C5b-8) – komplex med en begränsad förmåga att lysera celler. Till C5b-8 binder sedan slutkomponenten i komplementkaskaden, C9, under bildning av TCC/ MAC ( Padula et al. (1994), Panelius (2002)).MAC leder till bildning av porer med en diameter av ca 100 Å i cellmembranet, tillräckliga för fritt flöde av vatten och joner. Vatten kommer då på grund av skillnader i vattenpotential att gå in i cellen genom osmos vilket leder till att cellen sprängs. Vidare kommer Ca2+ - joner att flöda in och stimulera till apoptos hos kärnförsedda celler.
De porer som bildats av MAC påminner om de som bildas av perforin, det cytolytiska granulaeprotein som uttrycks på cytolytiska T-lymfocyter och NK-celler och MAC- komplexet är strukturellt likt perforin (Abbas et al. (2000), Kuby (1994)).
C6, C7, C8 och C9 har i sig ingen enzymatisk aktivitet. C5b har en struktur som möjliggör bindning till C6 och C7. C5b - 7–komplexet är hydrofobt och binder in i bakteriens lipidskikt med hög affinitet för C8. Därefter binder flera C9, ett serumprotein som polymeriseras på platsen för det bundna C5 – 8, in och TCC/ MAC – komplexet blir komplett (Abbas et al. (2000)).
Receptorer för komplementreglering
Många av komplementsystemets biologiska aktiviteter medieras genom bindning av komplementfragment till membranbundna receptorer, som uttrycks av varierande celltyper. De bäst karakteriserade av dessa receptorer är typ 1-receptorerna CR1 och CD35, specifika för C3b- och C4b-fragment. Andra receptorer inkluderar dem för C3a, C4a och C5a, de mindre, fria fragment som stimulerar bl.a. inflammatoriska processer och också bidrar till reglering av komplementaktiveringen. Specifik inbindning till CR1 och CD35, består huvudsakligen i att stimulera till fagocytos av C3b- och C4b- coatade partiklar och undanröjande av immunkomplex från cirkulationen (Kuby (1994)).
Stimulering av komplementreceptorer typ 2, CR2 och CD21, leder till stimulerad B- lymfocytsyntes och produktion av humorala antikroppar för specifik antigenbekämpning, medan komplementreceptorer av typ 3, CR3 och CD11bCD18, är specifika för iCb3- fragment, bildade vid spjälkning av C3, och spelar en viktig roll för fagocytos av iCb3- coatade partiklar
Komplementreceptorer av typ 4, CR4 och CD11cCD18, är liksom typ 3 av integrintyp och receptorer för iC3b- fragment med effekter liknande dem som uppkommer efter stimulering av typ3- receptorer (Kuby (1994)).
Reglering av komplementaktivering
Komplementreceptorer av typ 4, CR4 och CD11cCD18, är liksom typ 3 av integrintyp och receptorer för iC3b- fragment med effekter liknande dem som uppkommer efter stimulering av typ3- receptorer (Kuby (1994)).