Le cellule Natural killer o cellule NK sono una classe di cellule citotossiche del sistema immunitario, particolarmente importanti nel riconoscimento e distruzione di cellule cancerose o infette da virus, con un meccanismo d'azione che viene definito "naturale" poiché riconoscono il target aspecificamente e senza l'ausilio di molecole del complesso maggiore di istocompatibilità (MHC), provocando così la lisi o l'apoptosi delle cellule bersaglio. Se stimolate con particolari citochine della classe degli interferoni, come gli INF di tipo α, β, e ɣ, interleuchina 2 (IL-2) o IL-12, sono in grado di aumentare il loro potere citotossico. Un'altra denominazione è quella di grandi linfociti granulari (large granular lymphocyte, LGL) a causa delle dimensioni maggiori rispetto ai linfociti B e T e per la presenza di granuli preformati nel citoplasma, contenenti i mediatori della loro citotossicità (ad esempio l'interferone di tipo γ, il TNF e GM-CSF). Le NK non necessitano di attivazione, avendo un sistema di riconoscimento del target del tutto diverso e indipendente dal "riconoscimento dell'antigene" caratteristico degli altri linfociti (T e B) ed essendo prive dei complessi recettoriali TCR e BCR. Le NK infatti esplicano un'importante azione come prima difesa, tipica dellimmunità innata, soprattutto verso cellule in stadi avanzati di carcinogenesi. Infatti le cellule cancerose, non esprimendo sulla loro superficie l'MHC-I a causa del processo di carcinogenesi menzionato prima, sfuggirebbero ad altri tipi di controllo immunitario da parte di altri linfociti che come meccanismo primario di riconoscimento utilizzano proprio questo complesso.
Le cellule NK derivano dalla cellula staminale linfoide, generante entrambe le linee linfoidi B, T e le cellule dendritiche. Appartengono al gruppo delle cellule linfoidi innate e maturano in vari organi linfoidi fra cui: linfonodi, milza, tonsille, timo e il midollo osseo dai quali poi, una volta selezionate, ritornano nel circolo ematico.
Descrizione Sono importante oggetto di studio nella ricerca contro il cancro. Sono le uniche cellule del sistema immunitario che non vengono prodotte durante la vita dell'organismo, si formano infatti durante la dodicesima settimana di sviluppo dell'embrione.
Queste cellule sono le meno specializzate del sistema immunitario e distruggono ogni elemento cellulare riconosciuto come "non-proprio". Il riconoscimento non avviene grazie a interazioni con il complesso maggiore di istocompatibilità.
A differenza dei linfociti T citotossici le cellule NK riconoscono come non-self le cellule con bassa espressione di MHC-I o che non presentano questo complesso come le cellule cancerose, inducendone la lisi; infatti le NK non trovando i giusti recettori self liberano intorno alla cellula estranea o modificata le perforine e i granzimi, le prime formano dei pori nella membrana plasmatica e i secondi, entrando attraverso questi pori, inducono la cascata caspasica e quindi la morte della cellula per apoptosi.
Cellule con alta espressione di MHC-I sono resistenti alla citotossicità mediata dalle cellule NK perché queste ultime posseggono sulla loro superficie una famiglia di recettori inibitori (KIRs) che, ingaggiati nel legame con il complesso MHC-I mediano una cascata di segnali che prevengono il rilascio dei granuli citotossici.
Recettori delle cellule NK I recettori delle cellule NK possono essere differenziati in base alla funzione. Le cellule NK non sono un sottogruppo della famiglia dei linfociti T. I recettori di citotossicità naturale inducono direttamente l'apoptosi dopo il legame con il ligando Fas che indica direttamente la presenza d'infezione in una cellula. I recettori MHC indipendenti, utilizzano una via alternativa per indurre l'apoptosi nelle cellule infette. L'attivazione delle cellule NK è determinata dall'omeostasi fra la stimolazione inibitoria e attivante dei recettori. Ad esempio, se il segnale del recettore inibitorio è più intenso, l'attività delle cellule NK sarà inibita; di contro, se il segnale di attivazione è dominante, ne risulterà l'attivazione della cellula.
I recettori delle cellule NK (i recettori inibitori, così come alcuni attivanti) sono differenziati per struttura:
Recettori inibitori La cellula NK dispone di tre tipi di recettori inibitori, i quali, se attivati, trasducono un segnale inibitorio alla cellula stessa impedendo di esplicare la sua azione litica.
Recettori della famiglia KIR (Killer-cell Immunoglobulin-like receptors), appartengono a una famiglia multigene di recettori extracellulari con dominio simil immunoglobulinico più evoluto; sono presenti nei primati non umani e sono i principali recettori sia per i classici MHC-I (HLA-A, HLA-B, HLA-C), sia per quelli non classici ovvero Mamu-G (HLA-G) nei primati. Alcuni KIR sono specifici per alcuni sottotipi di HLA. I KIR sono per la maggior parte inibitori e dominanti. Le cellule normali esprimono MHC di classe 1, quindi sono riconosciute dai recettori KIR e quindi l'uccisione mediata dalle cellule NK è inibita. Recettori della famiglia LIR sono membri della famiglia dei recettori immunoglobulina simili, di recente scoperta. CD94 / NKG2 (eterodimeri), un recettore della famiglia delle lectine di tipo C, è conservato sia nei roditori sia nei primati e identifica molecole MHC-I non classiche (anche non polimorfiche) come HLA-E. L'espressione di HLA-E sulla superficie cellulare dipende dalla presenza dell'epitopo peptidico nonamero derivato dalla sequenza del segnale delle molecole classiche di MHC di classe I, che è generata dall'azione sequenziale della peptidasi del peptide segnale e del proteasoma. Sebbene indiretto, questo è un modo per esaminare i livelli delle molecole HLA classiche (polimorfiche). Ly49 (omodimeri) ha isoforme sia attivanti sia inibitorie. Sono altamente polimorfici a livello di popolazione; sebbene siano strutturalmente estranei ai KIR, sono gli omologhi funzionali dei KIR nei topi, incluso il pattern di espressione. Ly49s è un recettore per molecole MHC I classiche (polimorfiche).
Recettori attivatori La mancanza di attivazione dei segnali inibitori e la contemporanea attivazione dei segnali attivatori provoca l'armamento della NK. Ci sono quattro tipi di recettori attivatori.
Recettori NKR NKG2D Co-recettore attivatorio 2B4 DNAM-1 KIR2DS CD16 (FcγIIIA): gioca un ruolo importante nella citotossicità cellulo-mediata anticorpo-dipendente; in particolare, legando le IgG. Inoltre questa molecola è utile nell'identificazione della linea cellulare NK, mediante tecnica di citofluorimetria, marcando la proteina con un anticorpo monoclonale legato a un fluorocromo. NCR (natural cytotoxicity receptors - recettori naturali della citotossicità): appartengono alle proteine transmembrana di tipo 1 della superfamiglia delle immunoglobuline e, dopo stimolazione, mediano l'uccisione di cellule e il rilascio di IFNγ. Legano antigeni virali come l'emoagglutinina e l'emoagglutinina neuraminidasi, alcuni ligandi batterici e ligandi cellulari correlati alla crescita del tumore come PCNA. Ly49 (omodimero), relativamente antico, è un recettore della famiglia delle lectine di tipo C, hanno una presenza multigenica nei topi, mentre nell'uomo è presente un solo pseudogene (Ly49) che codifica per i recettori delle molecole classiche dell'MHC- I. TLR
Funzioni cellulari Apoptosi citolitica granulo mediata
Le cellule NK hanno attività citotossica; presentano piccoli granuli nel loro citoplasma contenenti proteine come la perforina e proteasi conosciute come granzimi. Una volta rilasciata in prossimità di una cellula destinata alla sua rimozione, la perforina forma dei pori nella membrana cellulare della cellula bersaglio, creando un canale acquoso attraverso il quale i granzimi e le molecole associate possono penetrare, inducendo l'apoptosi o la lisi osmotica delle cellule. È necessaria e importante una distinzione tra apoptosi e lisi cellulare; infatti il lisare una cellula infetta da virus potrebbe potenzialmente rilasciare virioni, mentre l'apoptosi porta alla distruzione della cellula in toto e quindi anche del materiale genetico e proteico virale. Le α-defensine, molecole antimicrobiche, sono secrete dalle cellule NK e uccidono direttamente i batteri frammentando le loro pareti cellulari in un modo analogo a quello utilizzato dai neutrofili.
Citotossicità cellulo mediata anticorpo dipendente
Le cellule infette sono abitualmente opsonizzate con anticorpi per il rilevamento da parte delle cellule immunitarie. Gli anticorpi che si legano agli antigeni possono essere riconosciuti dai recettori FcγRIII (CD16) espressi sulle cellule NK, con conseguente attivazione dei NK, con conseguente rilascio di granuli citolitici e di conseguenza provocando l'apoptosi cellulare dell'entità infetta. Questo meccanismo d'azione sta alla base del principio di trattamento di un importante farmaco chemioterapico a base di anticorpi monoclonali come rituximab (Rituxan), ofatumumab (Azzera) e altri ancora. Il contributo della citotossicità cellulo mediata anticorpo dipendente all'uccisione di cellule cancerose può essere misurato con un test specifico che utilizza l'NK-92 che è stato trasfettato con un FcR ad alta affinità. I risultati sono confrontati con il "wild type" NK-92 che non esprime l'FcR.
Attivazione di linfociti T citotossici e citochinici (CTL) Le citochine giocano un ruolo cruciale nell'attivazione dei linfociti NK. Poiché queste sono molecole dello stress rilasciate da cellule su infezione virale, servono a segnalare alla cellula NK la presenza di virus nell'area infetta. Le citochine coinvolte nell'attivazione NK includono IL-12, IL-15, IL-18, IL-2 e CCL5. Le cellule NK sono attivate in risposta a interferoni o citochine derivate da macrofagi. Servono a contenere le infezioni virali mentre la risposta immunitaria adattativa genera cellule T citotossiche antigene-specifiche che possono eliminare l'infezione. Le cellule NK lavorano per controllare le infezioni virali secernendo IFNγ e TNFα. L'IFNγ attiva i macrofagi per la fagocitosi e la lisi, mentre il TNFα agisce per promuovere l'uccisione diretta delle cellule tumorali. I pazienti con carenza di cellule NK si dimostrano altamente suscettibili alle prime fasi dell'infezione da virus dell'herpes.
Ipotesi "auto" mancante Per le cellule NK atte a difendere il corpo contro virus e altri patogeni sono richiesti meccanismi che inibiscono la determinazione di una cellula infetta o meno. I meccanismi esatti rimangono oggetto di indagine corrente, ma si ritiene che sia coinvolto il riconoscimento di uno stato di "sé alterato". Per controllare la loro attività citotossica, le cellule NK possiedono due tipi di recettori di superficie: recettori attivatori e recettori inibitori, compresi i recettori immunoglobulinici delle cellule killer. La maggior parte di questi recettori non è unica per le cellule NK e può essere presente anche in alcuni sottoinsiemi di linfociti T.
I recettori inibitori riconoscono gli alleli MHC I, che potrebbe spiegare perché le cellule NK preferenzialmente uccidono le cellule che possiedono bassi livelli di molecole di MHC I. Questa modalità di interazione con le cellule NK è conosciuta come "auto-riconoscimento mancante", un termine coniato da Klas Kärre e dai suoi collaboratori alla fine degli anni 1990. Le molecole MHC di classe I sono il principale meccanismo mediante il quale le cellule mostrano antigeni virali o tumorali alle cellule T citotossiche. Un adattamento evolutivo comune a questo è visto sia nei microbi intercellulari sia nei tumori: la cronica regolazione verso il basso delle molecole MHC I, che rende le cellule colpite invisibili alle cellule T, consente loro di eludere l'immunità mediata dalle cellule T. Le cellule NK apparentemente si sono evolute come risposta evolutiva a questo adattamento (la perdita del MHC elimina l'azione CD4 / CD8, quindi un'altra cellula immunitaria si è evoluta per adempiere alla funzione).