Sistemul complement este parte a sistemului imun înnăscut, cu abilitate în recunoaşterea şi distincţia dintre structurile self şi non-self. La baza capacităţii de a face distincţie între self şi non-self stă prezenţa pe ţesutul gazdă a moleculelor reglatoare, ce inhibă activarea sistemului Complement.
Există 2 căi importante de activare a sistemului Complement: calea clasică şi calea alternativă. Calea clasică leagă sistemul adaptativ imun (anticorpo-dependent) de sistemul înnăscut imun (anticorpo-independent) prin legarea de complexele Ab-Ac a fragmentului C1q.
Sistemul Complement este compus din cel puţin 18 fracţiuni proteice; ordinea descoperirii acestor componenţi ai sistemului Complement nu corespunde cu ordinea intrării lor în acţiune.
Proteinele ce participă la calea clasică de activare şi la complexul membranar de atac, sunt fiecare identificate cu un număr şi reacţionează într-o anume ordine: C1q, C1r, C1s, C4, C2, C3, C5, C6, C7, C8 şi C9.
Multe din aceste proteine sunt zimogene (proenzime ce necesită un clivaj proteolitic pentru a deveni active). Formele active din punct de vedere enzimatic se diferenţiază de cele inactive prin plasarea unei liniuţe deasupra notaţiei respective. Produşii de clivaj ai proteinelor sistemului Complement sunt notate cu o literă ca sufix; componenta mai mică în urma clivajului se notează cu "a" în timp ce fracţiunea mai mare se notează cu "b", de exemplu din C3 va rezulta în urma clivajului: C3a şi C3b, cu excepţia componentei C2 când situaţia stă invers, fracţiunea mai mică se notează cu "b" iar fracţiunea mai mare cu "a".
Proteinele ce aparţin căii alternative de activare a sistemului Complement, sunt definiţi ca "factori" şi sunt identificaţi cu o singură literă: B, P (properdina), D.
Proteinele sistemului Complement (proteinele reglatoare)
Proteinele în general fac parte dintr-o superfamilie, de exemplu imunoglobulinele fac parte din familia supergenică imunoglobulinică, şi împart multe caractere structurale şi funcţionale. În cadrul sistemului Complement multe dintre proteine aparţin unor asemenea familii.
Proteinele de control ale sistemului Complement (CCPs / Complement Control Proteins) sunt cunoscute de asemenea ca şi reglatori ai activării Complementului (RCA/Regulators of Complement Activation) şi sunt reprezentate de:
- factorul H,
- C4-BP (C4-binding Protein/Proteina de legare a fracţiunii C4),
- factorul de accelerare a descompunerii - DAF (Decay Accelerating Factor),
- cofactorul proteinei de membrană (MPC/Membrane Protein Cofactor) care acţionează ca şi cofactor în clivajul C3b,
- receptorul pentru Complement tip I (CRI/Complement Receptor I) şi tip II (CRII).
Din punct de vedere structural, toate aceste proteinele conţin un domeniu de aproximativ 60 AA; de asemenea împart un număr de funcţii de-a lungul activării în cascadă a sistemului Complement.
Factorul H, C4pb, DAF, MCP şi CRI - inhibă producerea formei stabile a enzimei C3 convertază (C4b2a şi C3bBB) de-a lungul căii clasice şi alternative de activare.
Alte efecte induse de aceste proteine sunt: inhibarea legării C2 la C4b, a factorului B la C3b, promovează disocierea lui C2a de C4b şi a lui Bb de C3b, acţionează ca şi cofactor la Factorul I, enzimă responsabilă de catabolizarea lui C3b şi C4b.
Implicarea Sistemului Complement în inflamaţie
Sistemul Complement este unul dintre cei mai importanţi efectori în cursul procesului inflamator. Complementul este parte a sistemului imun înnăscut şi este constituit din multe proteine care acţionează în cascadă, într-o manieră în care fiecare enzimă reprezintă un catalizator pentru următoarea proteină ce va fi activată. C3 - care este cel mai important în această activare, este prezent şi în torentul circulator (1-2 mg/ml).
In vivo, activităţile sistemului Complement pot fi demonstrate prin existenţa deficienţelor în sistemul Complement şi afecţiunile asociate acestora. Aceşti indivizi prezintă o susceptibilitate crescută la 2 tipuri de afecţiuni: infecţii recurente cu bacterii piogene (frecvent abcese) şi afecţiuni caracterizate de producţia de autoanticorpi şi de complexe imune circulante.
Consecinţele activării sistemului Complement sunt:
- opsonizarea
- activarea leucocitelor
- liza celulelor ţintă.
Opsonizarea
Implică proteinele sistemului Complement ce îmbracă suprafaţa celulelor ţintă. Celulele fagocitare ce poartă receptori pentru aceste componente ale Complementului sunt capabile să se lege de ţintă, ducând la activarea celulară şi la liza celulei ţintă.
Activarea leucocitelor
PMN şi macrofagele prezintă receptori specifici pentru fragmentele mici ale sistemului Complement (C3a şi C5a), care sunt generate în cursul activării în cascadă. Aceste fragmente (C3a şi C5a) difuzează la distanţă faţă de celula ţintă şi stimulează direct chemotaxia celulară şi activarea când sunt legate de celulele efectoare.
Liza celulelor ţintă
Punctul forte al cascadei de activare a sistemului Complement este inserţia "dopului" hidrofobic în stratul bilipidic al membranei celulei ţintă, cauzând disrupţia osmotică şi liza celulei ţintă.
Activarea Sistemului Complement
Cascada sistemului Complement poate fi activată pe 2 căi: clasică şi alternativă. Amândouă căile de activare conduc la formarea unei convertaze ce clivează pe C3 în C3a şi C3b. Acesta este pivotul în procesul de activare a sistemului Complement.
Convertaza căii clasice este o combinaţie între C4 şi C2 - C4bC2a - iar convertaza căii alternative este o combinaţie între C3 şi Factorul B - C3bBb. Fragmentul C3b, generat prin ambele căi se leagă de membrane celulei ţintă şi devine loc de formare în continuare de C3b - acest moment în cascada de activare este identificat ca şi "bucla de amplificare" ("amplification loop").
Amândouă tipurile de C3 convertază pot continua cascada cu formare de C5 convertază, care catalizează primul pas în formarea Complexului Membranar de Atac (CMA) (Membrane Attack Complex).
a. Calea clasică este activată în mod obişnuit de către complexele imune (mecanisme anticorpo-dependente). Activarea este inţializată prin legarea lui C1 de anticorpul complexat cu antigenul. Prima fracţiune ce intervine este C1, care este un complex pentamolecular Ca2+-dependent, format dintr-o moleculă de C1q, 2 molecule de C1r şi 2 molecule de C1s.
Pasul iniţial este legarea lui C1q de anticorp. C1q se leagă cu o aviditate crescută de domeniul CH2 (parte a regiunii Fc) a moleculelor, fie de IgG, fie de IgM, care în prealabil s-au complexat cu antigenul (formând un complex imun) (fig. 17).
Legăturile multiple ale domeniilor globulare ale lui C1q la IgG sau IgM complexate, duc la schimbări conformaţionale în complexul C1; acest lucru duce la o autoactivare (autocataliză) a lui C1r, producând 2 enzime C1r active, care la rândul lor vor cliva cele 2 molecule de C1s, transformându-le în forme active.
Calea clasică poate de asemenea să fie activată într-o manieră anticorpo-independentă, deoarece C1q poate să se lege direct de anumite microorganisme, inclusiv micoplasme şi unele retrovirusuri.
C1s clivează pe C4 şi generează C4b activat (C4a are o activitate anafilactică slabă); C4b este fracţiunea mai mare, foarte instabilă, care în decurs de câteva fracţiuni de secundă se ataşează printr-o legătură covalentă de moleculele de suprafaţă ale celulelor, formând complexul C4b-suprafaţă celulară.
Acest complex acţionează în continuare ca un situs de legare pentru zimogenul C2. Fracţiunea C2 legată este substrat pentru C1s şi este clivată, cu eliberare de C2b. Segmentul C2a (fracţiunea mare) rămâne legat de C4b şi formează C4b2a, care este convertaza căii clasice, care la rândul ei va acţiona ca şi zimogen pentru C3, clivându-l în C3a şi C3b. C3b generat de C3-convertază poate să se lege covalent de moleculele de suprafaţă ale celulelor. Atât cât C3 convertaza este formată în mod obişnuit pe suprafaţele non-self sau prin intermediul complexelor imune, aceasta înseamnă că se vor găsi depozite bogate de C3b la acest nivel. C3b legat, va acţiona în continuare pentru activarea sistemului, via bucla de amplificare a căii alternative.
Calea clasică de activare este reglată în faza fluidă prin 2 mecanisme: primul reprezentat de C1 inhhibitor, care leagă şi inactivează fracţiunile C1r şi C1s şi al doilea, care blochează formarea C3-convertazei căii clasice (C4b2a). In acest proces, interferă de asemenea Factorul H, C4-bp (care împreună catabolizează pe C4b în faza fluidă), alături de DAF, CRI, MCP (toate proteine de control al sistemului Complement).
.................................
Fig. 17. Formarea "dopului" litic în cursul activării sistemului Complement de-a lungul căii clasice
.................................
b. Calea alternativă
Calea alternativă de activare a sistemului Complement se desfăşoară spontan, printr-un mecanism continuu de activare ("tick-over" activation), care generează cantităţi scăzute de C3b seric.
Tioesterul care este parte componentă a lui C3, e susceptibil de hidroliză spontană, generând o formă activă a lui C3, cunoscut ca şi C3b, care acţionează ca un situs de legare pentru factorul B, cu formare de C3Bb (care este analog cu legarea lui C2 de C4b).
Factorul B (din complexul C3Bb) este clivat de către factorul D şi eliberează fracţiunea Ba; complexul care rămâne C3bBb, este în faza fluidă şi reprezintă C3-convertaza căii alternative.
Din cauză că această convertază este operaţională în faza fluidă, este hidrolizată şi inactivată de către apă; dacă apar situaţii în care vine în contact cu structuri non-self (cum sunt suprafeţele bacteriene) se va lega covalent şi va iniţia bucla de amplificare a căii alternative.
C3b care se leagă de suprafeţele celulare autologe este împiedicat să iniţieze bucla de amplificare, prin intervenţia proteinelor de control al sistemului Complement.
Suprafeţele care sunt bune activatoare ale sistemului Complement se definesc ca şi suprafeţe "protejate" - adică legarea lui C3b de ele este "protejată" faţă de degradarea proteolitică.
Suprafeţelor non-self le lipsesc proteinele reglatoare ale gazdei care inhibă activarea Complementului; se pare că acest lucru este în relaţie cu compoziţia în carbohidraţi.
Legarea iniţială a moleculei de C3b la suprafaţa "protejată" este urmată de pasul de amplificare care rezultă din legarea mai multor molecule de C3b la nivelul aceleiaşi suprafeţe. Punctul cheie al acestei amplificări rapide este formarea enzimei C3-convertază legată la suprafaţa respectivă.
C3b- legat de suprafaţă, va lega în continuare factorul B, pentru a forma C3bBb, care devine substrat pentru factorul D, ce clivează factorul B; acesta va elibera un fragment mic Ba, lăsând legat de suprafaţă complexul C3bBb.
Acest complex va fi rapid disociat; această disociere nu va avea loc dacă nu este stabilizat prin legarea Properdinei (P) cu formarea altui complex: C3bBbP (fig. 18) reprezentând convertaza C5 a căii alternative, legată de suprafaţa celulară.
Activarea căii alternative în faza fluidă, unde C3b nu se leagă de suprafeţe, este sub controlul proteinelor reglatoare, printr-un mecanism similar dacă nu chiar identic cu cel al căii clasice de activare.
Aceste proteine sunt reprezentate şi aici de: DAF, CRI şi MCP - care există pe suprafaţa celulară, cu efect de limitare în formarea enzimei C3 - convertaza.
...................................
Fig. 18. Activarea căii alternative a sistemului Complement
...................................
Cele 2 căi de activare pot fi prezentate schematic, cum se vede în figura 19.
Amândouă căile posedă o cale finală comună, reprezentată de Complexul Membranar de Atac (CMA) a cărui formare porneşte de la clivarea enzimatică a lui C5; în cea mai mare parte, C5 se leagă de C3b, înainte de a fi clivat de către C5-convertaza. C5 se leagă în mod selectiv de această convertază; clivarea lui C5 eliberează un fragment mic C5a, care este o anafilatoxină foarte puternică.
Complexul Membranar de Atac se formează într-o manieră ne-enzimatică prin asamblarea C5b-C9. C5b se leagă de C6 formând complexul C5b6, apoi se leagă de C7 şi formează complexul C5b67. Legarea de C7 marchează tranziţia complexului dintr-un status hidrofilic într-unul hidrofobic, care se inseră în mod preferenţial în stratul bilipidic al membranei celulare. În continuare, C8 se leagă de acest complex, urmează adiţia până la 14 monomeri de C9, cu rezultat final formarea "dopului" hidrofobic care cauzează liza celulei ţintă.
Moleculele hidrofobe care se polimerizează pentru a forma pori, au în comun un mecanism citotoxic celular. Limfocitele T distrug celulele ţintă prin inserţia unei molecule formatoare de pori, cunoscută sub numele de perforină, în membrana celulară. Perforina are structură omologă cu C9 şi molecule similare se găsesc în granulele eozinofilelor (proteine cationice ale eozinofilelor).
Dacă procesul de formare a CMA este scăpat de sub control, duce la consecinţe agresive faţă de structurile tisulare ale organismului gazdă. Un număr de proteine pot inhiba legarea lui C5b67, înainte de ataşarea lui la membrana celulară; dintre acestea, vitronectina (sau proteina S) care este prezentă în plasma, va forma complexul SC5b67, care nu are capacitatea de a se insera în membrana celulară.
În acelaşi timp, celulele gazdă posedă proteine membranare care protejează împotriva lizei induse de CMA - de exemplu proteina CD59.
Este important de ştiut că toate celulele nucleate sunt mult mai rezistente decât eritrocitele la liza datorată sistemului Complement, pentru că au capacitatea de a îndepărta în mod activ CMA printr-un mecanism de endo şi exocitoză a fragmentelor membranare ce conţin CMA.
...................................
Fig. 19. Reprezentare schematică a celor 2 căi de activare
...................................
Receptorii sistemului Complement
Multe dintre fragmentele proteinelor Complementului produse în cursul activării, se leagă într-un mod specific de receptorii aflaţi pe suprafaţa celulelor imune. Acest lucru este important în medierea efectelor fiziologice ale Complementului, inclusiv captarea particulelor opsonizate de către Complement şi activarea celulelor ce prezintă pe suprafaţa lor receptorii.
3 produşi ai lui C3 (uneori se identifică ca şi fragmente opsoninice) se leagă de membrane celulei ţintă; aceştia sunt: C3b, iC3b şi C3dg; se cunosc 4 receptori diferiţi pentru aceste fragmente opsoninice şi sunt denumite receptori pentru Complement tipul I, II, II şi IV (CRI, CRII, CRIII, CRIV) cu distribuţie pe diferite celule, cum sunt: celulele B, neutrofilele, monocite, macrofage, eritrocite, celule epiteliale glomerulare, macrofage tisulare, celule NK etc.
2 fragmente mici ale proteinelor Complementului - C3a şi C5a - pot acţiona ca şi trigger în degranularea mastocitelor, cunoscute ca anafilatoxine. Efectele acestor 2 anafilatoxine - C3a şi C5a - sunt mediate de către legarea de receptorii specifici. Receptorii pentru C5a au fost identificaţi şi sunt prezenţi pe toate celulele derivate din linia mieloidă (neutrofile, eozinofile, bazofile şi mastocite, monocite şi macrofage. După legarea de receptorul specific, C5a este internalizat şi degradat în fragmente peptidice inactive, fiind importante în reglarea şi limitarea activităţii C5a.
Efectele biologice ale Complementului
Activităţîle biologice ale sistemului Complement pot fi divizate în efecte benefice, dar şi agresive/nefavorabile, faţă de organismul gazdă.
Cele mai importante efecte benefice sunt reprezentate de:
- promovarea distrugerii microorganismelor
- clearance-ul eficient al complexelor imune
- inducerea şi potenţarea răspunsului în producţia de anticorpi.
Efectele agresive, nefavorabile se dezvoltă în anumite circumstanţe şi anume:
- când sistemul Complement este activat continuu la o intensitate mare (de exemplu în septicemia indusă de bacterii Gram negative)
- dacă este activată necroza tisulară - de exemplu în infarctul miocardic
- dacă este activat de un răspuns autoimun faţă de structurile proprii ale organismului gazdă, de exemplu în rejetul de grefă - prin fixarea lui C3 la complexele imune localizate pe diferite ţesuturi (fig. 20).
Efectele benefice
Promovarea distrugerii microrganismelor se manifestă prin:
- generarea de anafilatoxine, care induc creşterea permeabilităţii vasculare, astfel se recrutează alte elemente ale răspunsului inflamator, la nivelul situsului inflamator
- opsonizarea microorganismelor şi amplificarea fagocitozei
- inserţia CMA în membrana celulară a microorganismului.
Anafilatoxinele
Sunt inductori potenţi ai inflamaţiei, prin recrutarea celulelor inflamatoare la situsul inflamator şi activarea mecanismelor efectoare ale acestora.
Acţiunea lui C5a
C5a este o anafilatoxină deosebit de puternică pentru toate celulele liniei mieloide;
- neutrofilele răspund la C5a prin producere de chemokine şi prin chemotaxie. Ele se degranulează şi este amplificat lanţul respirator, cu creşterea producţiei de radicali liberi ai oxigenului. Acidul arahidonic conţinut de mebrana celulară este mobilizat cu producere secundară de prostaglandine şi eicosanoizi. Expresarea moleculelor de adeziune se amplifică, astfel se promovează adeziunea la endoteliul vascular.
- monocitele şi macrofagele dezvoltă răspunsuri similare, cu posibilitatea de a secreta IL-1 şi IL-6.
- bazofilele şi celulele mastocitare se degranulează şi eliberează histamine şi alţi mediatori vasoactivi.
Ca o consecinţă a acestei activări celulare, există efecte indirecte asupra vaselor sanguine, obiectivate prin creşterea permeabilităţii vasculare, iar asupra musculaturii netede prin constricţie. C5a poate de asemenea să aibă acţiuni sinergice cu alţi mediatori ai inflamaţiei.
Timpul de îmjumătăţire a lui C5a este extrem de scurt în torentul circulator, din cauza proteolizei rapide cu formare de fragmente inactive.
Acţiunea lui C3a
Este mult mai puţin activ decât C5a; induce o agregare slabă a neutrofilelor şi o activare a lanţului respirator, fără a avea un efect chemotactic semnficativ.
Anafilatoxinele nu rezultă doar din activarea sistemului Complement, ci şi din alte sisteme enzimatice ce clivează direct C3, C4, C5, reprezentate de: plasmină, kalikreină, enzime tisulare şi lizozomale leucocitare.
Fixarea covalentă a lui C3b şi C4b la bacterii şi la complexele imune, generează liganzi pentru receptorii Complementului de pe celulele fagocitare.
Acesta promovează clearance-ul şi distrugerea bacteriilor şi complexelor imune.
Complementul pare a avea o importanţă mai mică în apărarea organismului împotriva infecţiilor virale, acolo unde limfocitele T joacă un rol foarte important.
...................................
Fig. 20. Principalele efecte ale activării sistemului Complement;
1. sistemul Complement; 2. creşterea permeabilităţii vasculare; 3. contracţia musculară; 4. opsonizarea (a. aderenţa opsonică, b. aderenţă imună); 5. proliferarea plasmocitară a limfocitelor B; 6. activarea PMN şi chemotaxia; 7. liza celulară; 8. degranularea celulelor mastocitare
...................................
Efectele agresive/dăunătoare
Complementul este important în patogeneza unor afecţiuni (boli autoimmune, rejetul de grefă - prin mecanismele deja expuse).
În anumite circumstanţe, consecinţele activării sistemului Complement in vivo sunt negative (fig. 21). De exemplu şocul endotoxinic indus de bacteriile Gram negative, este mediat parţial de către sistemul Complement, care este activat în mod sistematic de către endotoxină.
Cantităţi crescute de C3a şi C5a sunt generate, cauzând activarea şi degranularea neutrofilelor, bazofilelor şi mastocitelor; agregarea intravasculară a neutrofilelor duce la coagulare secundară şi depozite de emboli în microcirculaţia pulmonară; în aceste vase produşii neutrofilelor, inclusiv elastaza şi radicalii liberi, pot induce secundar şoc respirator (caracterizat prin edem pulmonar interstiţial, exsudare de neutrofile intra-alveolar).
...................................
Fig. 21. Efectele negative ale activării sistemului Complement. Patogeneza plămânului de şoc
1. Bacterii Gram (-) negative (peretele celular conţine endotoxina, eliberată în cursul lizei bacteriene); 2.Contracţie musculară locală; 3. Activarea PMN si chemotaxia; 4.Continuarea agregării PMN în microvascularizaţia pulmonară; 5. C3a şi C5a(anafilatoxine activate în cursul activării sistemului Complement); 6. Degranularea bazofilelor; 7. Degranularea mastocitelor, cu degradarea acidului arahidonic şi eliberarea Pg şi a leucotrienelor; 8. liza celulară şi necroză tisulară.
...................................
Necroza tisulară
Agresiunea tisulară în urma unei ischemii sau necroze, poate cauza activarea sistemului Complement şi formare intensivă de CMA, dovedită experimental pe modele de infarct miocardic, în care depleţia de proteine de Complement reduce mărimea zonei agresionate.
Activarea sistemului Complement este a cauză importantă a leziunii tisulare în afecţiunile mediate de complexele imune. Aceste complexe imune se depun, de exemplu, la nivelul glomerulilor renali, la pacienţii ce sintetizează autoanticorpi faţă de membrane bazală glomerulară (în nefrita autoimună), în miastenia gravis complexele se formează la nivelul plăcilor motorii, datorită sintezei de autoanticorpi faţă de receptorii acetilcolinici.
Complexele imune circulante pot să fie prinse la nivelul vaselor sanguine. În endocardita bacteriană, o valvă cardiacă infectată este sursă de complexe imune care se vor depozita la nivel renal sau în alte paturi microvasculare.
În grefele de ţesut sau organ, activarea sistemului Complement participă la rejetul de grefă.
Deficienţe ale sistemului Complement
Deficienţele sistemului Complement sunt asociate cu creşterea numărului patologiei infecţioase.
Rolul fiziologic al sistemului Complement este de opsonină şi bacteriolizină; acest lucru se poate dovedi prin existenţa a 2 deficienţe ereditare diferite la om.
Deficienţa fie de opsonină sau de receptor, are consecinţe similare (un spectru similar de patologie cauzată de bacterii piogene).
Deficienţele componentelor CMA sunt într-un mod aproape exclusiv asociate cu creşterea susceptibilităţii la infecţii datorită Neisseriei meningitidis.
Deficienţele genetice a aproape tuturor componentelor sistemului Complement au fost dovedite şi la om, iar aceste deficienţe relevă importanţa fiecărui component.
Deficienţele proteinelor căii clasice: C1q, C1r, Cs, C4, C2 - induc o predispoziţie în dezvoltarea afecţiunilor cu complexe imune (lupus eritematos), dovedindu-se implicarea căii clasice în dizolvarea complexelor imune.
Deficienţele ale: C3, factor H sau I - duc la susceptibilitate la infecţii piogene (indică rolul lui C3 în opsonizarea bacteriilor piogene).
Deficienţe ale căii comune terminale: C5, C6, C7, C8 şi ale căii alternative: factor D şi properdina - induce o susceptibilitate crescută la infecţii cu specii Neisseria (meningitidis şi gonorrhoeae) dovedindu-şi rolul în bacterioliza acestor bacterii.
Toate tipurile de deficienţe sunt transmise autosomal recesiv (excepţie fac Properdina şi C1inh - care sunt transmise autosomal dominant).
Deficienţele de C1inh cauzează edemul angioneurotic ereditar; C1inh este responsabil de disocierea lui C1 activat; pacienţi prezintă episoade de edeme circumscrise pe diferite porţiuni ale corpului (angioedem). Când edemul este localizat la nivel intestinal, apar dureri abdominale, crampe, vărsături incoercibile. Dacă edemul este localizat la nivelul căilor respiratorii, va apărea obstrucţia căilor aeriene (reprezentând o urgenţă medico-chirurgicală, impunându-se o dezobstrucţie cât mai rapidă a căilor aeriene).
