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Antígenos e Inmunógenos. Prof. María Giuffrida. Cátedra de Inmunología. Dpto. Ciencias Fisiológicas. Escuela de Medicina. Facultad de Medicina. LUZ. 2009.

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UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE MEDICINA ESCUELA DE MEDICINA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS FISIOLÓGICAS CÁTEDRA DE INMUNOLOGÍA ANTÍGENOS E INMUNÓGENOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Diferenciar términos como antígenos, inmunógenos, haptenos, tolerógenos, alérgenos, toxoides, superantígenos, inmunopotencia e inmunodominancia. 2. Reconocer la importancia del sitio activo (epítopo) del antígeno en la inducción de la respuesta inmunitaria. 3. Comprender las diferencias entre los diferentes tipos de antígenos, atendiendo a una serie de características. 4. Analizar los requisitos para la inmunogenicidad. 5. Valorar la importancia de los antígenos en el desencadenamiento de las diferentes respuestas inmunitarias. CONTENIDO GENERALIDADES 1. CONCEPTOS BÁSICOS Concepto de antígeno Concepto de inmunógeno Diferencia entre antígeno e inmunógeno Concepto de hapteno Concepto de tolerógeno Concepto de alergeno Concepto de toxoide 2. VARIEDADES QUÍMICAS DE LOS INMUNÓGENOS 3. EPÍTOPE O DETERMINANTE ANTIGÉNICO 4. CLASIFICACIÓN DE LOS INMUNÓGENOS-ANTÍGENOS 4.1. SEGÚN SUS EPÍTOPES.


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4.2. SEGÚN SU NATURALEZA. 4.3. SEGÚN SU PROCEDENCIA. 4.4. SEGÚN SU DEPENDENCIA DEL TIMO 5.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA INMUNOGENICIDAD.

CARÁCTERISTICAS PROPIAS DEL ANTÍGENO: Tamaño, peso molecular, exogenicidad, complejidad química, carga eléctrica, configuración óptica, accesibilidad. CONTRIBUCIÓN nutrición.

DEL

SISTEMA

BIOLÓGICO:

Factores

genéticos,

edad,

MÉTODOS DE ADMINISTRACIÓN DEL INMUNÓGENO: Dosis, rutas de administración, adyuvantes. 6. INTERACCIÓN ANTÍGENO-ANTICUERPO. BIBLIOGRAFÍA GENERALIDADES Existe una gran cantidad de sustancias extrañas que cuando ingresan al organismo desencadenan una respuesta inmunitaria, esta respuesta puede ser humoral o celular, pero con frecuencia involucra ambas. Siempre se había denominado a todas las sustancias responsables de la respuesta inmunitaria como antígeno (Ag); sin embargo, posteriormente se utilizó el término inmunógeno para referirse a este tipo de sustancias, y se reserva el término antígeno para aquellas sustancias que reaccionan con anticuerpos (Ac). 1. CONCEPTOS BÁSICOS ANTÍGENO Son sustancias o moléculas reconocidas por una inmunoglobulina (anticuerpo) o por un receptor de células T particular, y que puede actuar como blanco de una respuesta inmunitaria. INMUNÓGENO El inmunógeno es la molécula que puede inducir una respuesta inmunitaria ya sea humoral, celular o mixta; si es de tipo humoral va a generar la producción de anticuerpos; si es de tipo celular genera células sensibilizadas (clones de células B o T, cuya inmunoglobulina de superficie o receptor de células T, respectivamente, reconocen al inmunógeno). Así, cualquier sustancia que induzca una respuesta inmunitaria se denomina inmunógeno y se dice que es inmunogénica.


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DIFERENCIA ENTRE ANTÍGENO E INMUNÓGENO En tanto que un antígeno es la molécula que reacciona con un anticuerpo, no es la que necesariamente genere la producción de éste; no así pasa con el inmunógeno el cual genera respuesta inmunitaria; por tal razón, todos los inmunógenos son antígenos, pero no todos los antígenos son inmunógenos. Aparte de esto, no existe otra diferencia entre ambos términos, por lo que de ahora en adelante nos referiremos indistintamente a uno u otro. HAPTENO Un hapteno es una sustancia no inmunogénica, de bajo peso molecular, que para poder inducir una respuesta inmunitaria debe combinarse a una molécula (macromolécula) denominada transportador. Ambas moléculas unidas forman un conjugado capaz de provocar una respuesta inmunológica que va a estar dirigida contra ambos compuestos (Figura 1). Hapteno

Sin respuesta

Transportador

Ac específicos al portador

Hapteno-transportador

Ac específicos al portador y al hapteno

Figura 1. Respuesta producida por un hapteno solo y unido a un transportador

Algunos ejemplos de haptenos pueden ser drogas como los barbitúricos; medicamentos tipo sulfonamidas; hormonas como la ACTH; y compuestos como el dinitrofenil. TOLERÓGENO Existen moléculas antigénicas que no inducen respuesta inmunitaria (humoral o celular) a pesar de ser moléculas extrañas a nuestro organismos, a estas moléculas se les conoce como tolerógenos. Podría decirse que todas nuestras moléculas orgánicas, así como, todas las bacterias saprofitas o flora normal, son tolerógenos. ALÉRGENO Las sustancias que inducen una respuesta inmunológica en individuos genéticamente predispuestos (o individuos atópicos), son denominadas alergenos. Estas mismas moléculas generalmente son inocuas y no producen respuesta inmune en el organismo de personas no alérgicas.


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TOXOIDE Los toxoides son derivados antigénicos no tóxicos de las toxinas. Está constituido por macromoléculas purificadas de microorganismos a los cuales se les ha sustraido su poder tóxico y se les ha dejado su poder antigénico. Ejemplos de toxoides son las vacunas para el tétano y la difteria, que contienen sólo variantes inactivas de las toxinas. 2. VARIEDADES QUÍMICAS DE LOS INMUNÓGENOS La capacidad antigénica de algunas sustancias varía ampliamente, entre algunas de las razones de tal variación se encuentra la naturaleza química de estas moléculas. Estos antigenos pueden ser de naturaleza protéica, polisacárica, lipopolisacárida, glicoprotéica, peptídica, ácido nucleico, etc. Se dice que las sustancias de naturaleza proteíca, son por lo general buenos inmunógenos, siempre y cuando sean introducidas en animales de distinta especie. Son ejemplos de este tipo de inmunógenos los productos microbianos como las toxinas y algunas enzimas. Las lipoproteínas séricas y de membranas celulares también tienen propiedad inmunogénica. Los polisacáridos tienen una capacidad antigénica que varía de especie a especie. El hombre y el ratón responden muy bien a estas sustancias, mientras que el conejo lo hace pobremente. Los humanos responden a la presencia de polisacáridos en la cápsula de los neumococos, produciendo una serie de anticuerpos que permiten la clasificación de las distintas cepas. Los lipopolisacáridos complejos, propios de la endotoxina de gérmenes gram negativos como las enterobacterias (Shigellas y Salmonellas), inducen la producción de anticuerpos. Las glicoproteínas y los glicopéptidos son moléculas cuya capacidad antigénica está dada por las cadenas de carbohidratos. Los antígenos del grupo sanguíneo (A, B) poseen esta naturaleza química. Los polipéptidos sintéticos son inmunógenicos dependiendo de su complejidad, si bien es cierto que los polímeros de un solo tipo de aminoácido, no son antigénicos, los polímeros de tres o más tipos de aminoácidos si muestran capacidad antigénica, pero si la complejidad de la molécula aumenta, aparece la capacidad para inducir una respuesta inmune. Los lípidos son por lo regular moléculas no inmunogénicas, se exceptúan algunas cardiolipinas, no obstante, si se asocian a moléculas proteicas pueden ser buenos antígenos. Los ácidos nucleicos son pobres como inmunógenos. Sin embargo, en enfermedades como el lupus eritematoso sistémico se producen Acs contra ácidos nucleicos. Aunque bien es cierto que estos dos últimos compuestos no tienen actividad inmunogénica, es probable que se produzcan Ac que reaccionen con ellos mediante inmunización con complejos de nucleoproteína o lipoproteína; por tanto,


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los lípidos y los ácidos nucleicos son ejemplos de moléculas antigénicas pero no inmunogénicas. 3. EPÍTOPE O DETERMINANTE ANTIGÉNICO Si bien es cierto, que un antígeno puede ser una molécula de gran tamaño y peso molecular, y muy compleja, no todas las partes de una molécula inmunogénica tienen la capacidad de inducir la respuesta inmune. En general, las moléculas antigénicas son más grandes que la región de esta que se une a un anticuerpo, por lo que un anticuerpo se une sólo a una parte específica del antígeno denominada epítopo o determinante antigénico. Por tanto, un epítopo es la subunidad que se encuentra localizada en un sitio determinado de la molécula del antígeno, que interactúa con el paratopo, o con el receptor de membrana del linfocito T sensibilizado. Muchos inmunógenos (incluyendo los patógenos microbianos) constituyen ensambles completos constituidos por distintos tipos de moléculas, de las cuales, no todas son antigénicas. Por ejemplo, la respuesta a un virus con envoltura de ordinario se dirige con frecuencia contra los contenidos proteínicos de las partículas virales, pero no contra los lípidos que constituyen gran parte de la envoltura viral. Estudios realizados con homopolímeros de azúcar y aminoácidos, ya sean solos o conjugados con proteínas inmunogénicas, indican que un epítopo simple puede abarcar una cantidad tan reducida como de 3 a 6 aminoácidos o residuos de azúcar. Por otra parte, los estudios cristalográficos con rayos X de anticuerpos individuales fijos a proteínas naturales complejas, han revelado contactos que incluyen 20 aminoácidos en el antígeno simultáneamente. El tamaño del epítopo es de aproximadamente 7 x 12 x 35 A°, similar al tamaño del paratopo; que es el sitio de unión del anticuerpo para el antígeno, o porción Fab (fragment antigen binding) del anticuerpo que se une con el epítopo del antígeno (Figura 2). Se considera que el tamaño máximo de un epítopo es de 3000 A° cúbicos y una macromolécula puede presentar en forma repetida varios epítopos iguales, o diferentes entre sí. En este último caso, cada epítopo generará una respuesta inmune distinta y específica que de ser de tipo humoral, dará origen a tantos tipos de anticuerpos diferentes dependiendo de cuantos epítopos distintos estén presentes en la molécula. El número efectivo de determinantes antigénicos de un antígeno es su valencia. Porción del paratopo (Fab)

Figura 2. Estructura de un anticuerpo señalando la porción parátopo que une al epítopo del antígeno.

Porción Fc (Fragmento cristalizable)


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Se pueden formar nuevos epítopos en una molécula compleja como consecuencia de modificaciones físicas o estructurales de la misma, dando origen a los neoantígenos. Un ejemplo de ello es la modificación covalente de algunas proteínas por fosforilación o proteólisis específicas, y esta modificación puede producir neoantígenos que pueden ser reconocidos por anticuerpos específicos. El número de epítopos en una molécula antigénica casi siempre es proporcional a su tamaño y complejidad química Los residuos que constituyen una epítopo deben hallarse dentro de un espacio tridimensional limitado, con el fin de poder hacer contacto simultáneo con una molécula de anticuerpo. En muchos casos, todos los aminoácidos o residuos de azúcar que forman un epítopo determinado se colocan secuencialmente en la disposición lineal de un Ag proteínico o de un polisacárido. Puesto que estos residuos están enlazados entre sí de manera covalente y no pueden separarse mucho, los epítopos de este tipo no son afectados por la desnaturalización mediante calor y otros tratamientos que alteran la estructura tridimensional de una proteína. Estos epítopos se llaman epítopos lineales (Figura 3), también denominados secuencial o continuo. Este tipo de epítopo puede estar formado por una cierta secuencia de aminoácidos (en el caso de antígenos proteicos) localizados en forma continua sobre la cadena polipéptídica de un antígeno.

Epítopos lineales

Figura 3. Molécula polipeptídica señalando varios epítpos lineales en la cadena

Otros epítopos se forman cuando se unen los residuos críticos de una molécula grande en el espacio, a través del plegamiento de cadenas de polipéptidicas o polisacáridas en su conformación tridimensional normal. Los epítopos de este tipo se llaman epítopos conformacionales, y por definición se pierden cuando el Ag se desnaturaliza y no se repliega de modo apropiado. Muchos epítopos de conformación están situados en 1 ó más sitios discontinuos a lo largo de la secuencia lineal de un antígeno (Figura 4). La mayoría de los epítopos de las proteínas son conformacionales o discontinuos y están formados por la yuxtaposición en el espacio de aminoácidos situados a distancia los unos de los otros de la cadena polipéptídica. l Figura 4. Cadena polipeptídica plegada formando un epítopo conformacional.

Epítopo conformacional


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4. CLASIFICACIÓN DE LOS INMUNÓGENOS- ANTÍGENOS. 4.1.

SEGÚN SUS EPÍTOPOS

UNIDETERMINANTE Y UNIVALENTE. Es el epítopo de una especificidad; por ejemplo; los haptenos (Figura 5).

Figura 5. Ejemplo de un antígeno unideterminante univalente

UNIDETERMINANTES POLIVALENTE. Son antígenos que poseen dos o más epítopos de igual especificidad. Por ejemplo, los polisacáridos (Figura 6). Por lo tanto, interaccionan con más de un lugar de unión de un mismo anticuerpo.

Figura 6. Ejemplo de antígeno multideterminante univalente

MULTIDETERMINANTE UNIVALENTE. Son antígenos que poseen múltiples epítopos (uno de cada tipo), y cada uno de ellos poseen diferente especificidad, como las proteínas (Figura 7). Por lo tanto, una proteína extraña con varios determinantes antigénicos generará una respuesta inmune policlonal, con la producción de anticuerpos contra sus diferentes epítopos.

Figura 7. Ejemplo de antígeno protéico, multideterminante univalente.


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MULTIDETERMINANTE Y POLIVALENTE.

Son antígenos que poseen múltiples clases de epítopos, pero varios de cada clase. Cada grupo de epítopos idénticos, por definición, puede unirse a un anticuerpo específico. Ejemplo de ellos son las proteínas y lipoproteínas de la superficie celular (Figura 8). Cada uno de estos epítopos puede llegar a inducir una respuesta inmunológica con la consiguiente producción de anticuerpos específicos; a esta capacidad antigénica que poseen los determinantes antigénicos de un antígeno se denomina inmunopotencia. Sin embargo, aunque los Ags grandes suelen contener múltiples epítopos, en ciertos individuos y bajo un conjunto determinado de circunstancias, sólo uno o unos cuantos epítopos pueden actuar como blanco primario de una respuesta inmunitaria; tal epítopo preferido es conocido como inmunodominante.

Figura 8. Ejemplo de antígeno multideterminante y polivalente

4.2.

SEGÚN SU NATURALEZA.

Según la naturaleza u origen del antígeno los mismos pueden clasificarse en naturales y sintéticos. Los antígenos naturales son inmunógenos que por sus características físicoquímicas propias son capaces de inducir respuesta inmune. Algunos de estos antígenos naturales pueden ser modificados en el laboratorio para producir las denominadas vacunas. Algunas vacunas se preparan a partir de bacterias o virus potencialmente patógenos ya sean muertos (con calor o tratamiento químicos) o atenuados (o sea, que pierden su capacidad de producir enfermedad en el ser humano). Entonces, la vacuna es un inmunógeno no patógeno que, al inocularse al huésped, origina inmunidad protectora contra un patógeno específico. A diferencia de los anteriores se encuentran los antígenos sintéticos que son los inmunógenos obtenidos por síntesis química (de novo) en el ámbito del laboratorio con el fin de conseguir de ellos una respuesta inmune deseada en el individuo. Un procedimiento utilizado consiste en que péptidos cortos sintetizados químicamente (de hasta 20 aminoácidos), correspondientes a epítopos conocidos de un organismo infeccioso, se fijan a un acarreador de haptenos para crear vacunas peptídicas. Ha habido avances importantes en este aspecto, lo cual se ha logrado identificando entre los múltiples determinantes antígénicos de microorganismos que inducen respuestas inmunes más fuertes. Las partículas así sintetizadas,


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inyectadas, producen respuestas inmunoprotectoras tan buenas como las logradas con gérmenes vivos o atenuados. Las vacunas sintéticas podrán, en un futuro próximo, llegar a desplazar las utilizadas hoy en día de gérmenes vivos o atenuados. Entre algunos ejemplos de vacunas sintéticas tenemos la vacuna contra el paludismo, hepatitis B, C, HIV, papiloma, entre otras, algunas en fase de experimentación. 4.3.

SEGÚN SU PROCEDENCIA

La mayoría de las sustancias antigénicas son especie-específicas y algunas incluso son hasta órgano-específicas dentro de una especie animal. Sin embargo, hay excepciones, en razón de lo cual se han clasificado a estos antígenos según su procedencia en antígenos exógenos y antígenos endógenos. a) ANTÍGENOS EXÓGENOS. Los antígenos exógenos son aquellos presentes en el medio ambiente y que entran al hospedero. Este es el caso del ingreso de células extrañas al interior del organismo como los microorganismos tales como: bacterias, hongos, virus y parásitos. b) ANTÍGENOS ENDÓGENOS. Los antígenos endógenos, se trata de antígenos que se encuentran dentro del propio individuo (Figura 9), entre ellos se encuentran los antígenos antólogos, los homólogos y los heterólogos. Ag autólogos (autoantígenos)

Ag homólogos (aloantígenos)

Ag heterólogos (xeoantígenos)

Figura 9. Ejemplos de antígenos endógenos

Antígenos autólogos: También denominados autoantígenos, son antígenos presentes en las células del individuo, en el cual se han desarrollado anticuerpos o clones de células T inmunológicamente activas que los reconocen como antígenos propios, y por ende, no suelen atacarlo. Esto se debe a que, durante la vida fetal y durante las primeras semanas de vida, el organismo adquiere tolerancia a estos antígenos. Lo que pasa con estos autoantígenos es que no están expuestos normalmente al sistema inmune, a pesar de que están dentro de nuestro


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organismo, debido a que cuando hay organogénesis, existen ciertos órganos que se forman antes que el sistema inmune; entonces, en la formación temprana de estos órganos quedan en su interior ciertos antígenos que el sistema inmune no alcanza a conocer (debido a que aún no se ha formado), y estos antígenos son cubiertos por otros que van surgiendo a medida que el órgano se va desarrollando, hasta que finalmente el órgano se cierra y se completa su formación, de manera que los antígenos quedan encerrados dentro del órgano, y no son expuestos al sistema inmune. Esto tiene repercusión a futuro, ya que si las modificaciones de estas proteínas propias del organismo, provocada por infecciones virales o por agentes físicos o químicos, pueden alterar la estructura molecular de dichas proteínas y convertirlas entonces en sustancias inmunogénicas como ocurre en algunas enfermedades autoinmunes. Ej.: Tiroiditis de Hashimoto, la esterilidad masculina por liberación de antígenos que se encuentran dentro del testículo y que no son reconocidos por el sistema inmune. Antígenos homólogos: también denominados aloantígenos, son antígenos presentes en miembros de la misma especie pero que son genéticamente diferentes. Por ejemplo, el antígeno antígeno leucocitario humano o HLA (del inglés, Human Leucocitary Antigen), los antígeno de grupos sanguíneos, plaquetas, proteínas del suero, antígeno de las células que forman los diversos tejidos del cuerpo, se encuentran en todos los individuos de una misma especie pero difieren de los antígenos análogos de otras especies. Este tipo de antígenos adquiere importancia durante las transfusiones sanguíneas y los transplantes de órganos. Antígenos heterólogos: también denominados antígenos relacionados o xenoantígenos. Son antígenos presentes en varias especies de animales y que pueden compartir determinantes antigénicos con bacterias, hongos y vegetales. Estos son capaces de inducir la producción de anticuerpos que podrán reaccionar con antígenos obtenidos de otros animales y de otros gérmenes, debido precisamente a este compartimiento de determinantes antigénicos, por lo que son responsables de la reactividad cruzada. Por ejemplo, la fiebre reumática es una enfermedad que ataca articulaciones y provoca daños severos en el corazón. Es una enfermedad considerada como una enfermedad inmune, en la cual, en el corazón del niño existen moléculas de estructura similar a la del Streptococcus β hemolítico, el sistema inmune del niño como ya está sensibilizado, lo que hace es atacar a estructuras del corazón del niño que contienen una configuración similar a la del Streptococo, causándole un daño al tejido cardiaco del niño, provocando una miocarditis. 4.4.

SEGÚN SU DEPENDENCIA DEL TIMO.

La mayor parte de las respuestas inmunitarias que se desencadenan hacia los antígenos dependen tanto de las células B como de las T; y se denominan timo dependientes (TD); sin embargo, existe un pequeño número de antígenos capaces


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de activar las células B sin el auxilio de las células T y son los que se denominan antígenos timo independientes (TI). -

ANTÍGENOS TIMO DEPENDIENTES (TD).

Los antígenos timo dependientes son Ag que dependen de la interacción entre células T y células B para la síntesis de Ac (figura 10). Por ejemplo, los eritrocitos, las proteínas séricas y el complejo acarreador de hapteno. Los antígenos proteicos no inducen respuesta de anticuerpos en ausencia de linfocitos T, por esta razón las proteínas se clasifican como timo dependientes o Ag timo dependientes (estas células T son las T colaboradoras o Th del inglés, Thelper). Receptor BCR

Célula B (CPA)

MHC

Procesamiento Ag por célula B

Receptor TCR

Presentación del péptido antigénico al linfocito T

Célula T Proliferación y Diferenciación de Células B

Producción de Ac por células efectoras (plasmáticas)

Figura 10. Antígenos timo dependientes

Los antígenos timo dependientes son fagocitados y procesados por células presentadoras de antígenos (o CPA) como son los macrófagos, células B y células dendríticas. Estos antígenos procesados son presentados a los linfocitos T, los cuales estimulan a los linfocitos B e inducen producción de anticuerpos. Representan a la mayoría de los inmunógenos. Son multideterminantes. Ejemplos de ellos son: las proteínas virales, el PPD o proteína purificadas derivada. La respuesta de anticuerpos dependientes de las células T a los antígenos proteicos constan de diferentes fases; cada fase garantiza que los linfocitos B y T específicos de Ag interactúen y funcionen bidireccionalmente para una mutua estimulación (Figura 10). Los linfocitos B específicos de Ag unen el Ag nativo a las moléculas de anticuerpo de membrana (receptor de células B, o BCR del inglés B Cell Receptor), lo internalizan y lo procesan en vesículas endosómicas y los fragmentos peptídicos del Ag se presentan en la superficie de las células B formando complejo con el MHC (del inglés, Major Histocompatibility Complex o


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complejo mayor de histocompatibilidad) que son moléculas expresadas en la superficie de las CPA y que se encargan de presentar el péptidos derivados del antígeno a las células T. Los complejos Ag-MHC pueden entonces ser reconocidos por los linfocitos T colaboradores a través de su receptor TCR (receptor del linfocito T, del inglés T cell receptor), y de esta forma desencadenan la respuesta inmunológica mediante la liberación de moléculas denominadas citoquinas que son capaces, a su vez, de estimular la proliferación y diferenciación de los linfocitos B para su transformación a células plasmáticas o efectoras que son las que producen finalmente los anticuerpos. El antígeno reconocido por las células T va a tener dos zonas de unión: una para ligarse al TCR (receptor de células T) que es el epítopo, y otra para engarzar al MHC, denominada agretopo (figura 11). Péptido antigénico

Agrétopo

Epítopo

Figura 11. Agrétopo y epítopo de un antígeno presentado por la CPA a las células T

IMPORTANCIA DE DEPENDIENTES

LAS

RESPUESTAS

CONTRA

ANTÍGENOS

T-

1.- Generación de memoria: Respuesta más rápida en un segundo encuentro con el agente infeccioso. La memoria inmunológica se refiere a la exposición del sistema inmunitario a un Ag extraño en más de una oportunidad, donde en una segunda oportunidad de exposición al mismo Ag, el organismo es capaz de desencadenar una respuesta más rápida y duradera que la primera. 2.- Cambio de clase: Permitirá el reconocimiento del agente anatómicos.

infeccioso

en

distintos

sitios

3.- Maduración de la avidez: Por ejemplo, en el caso de microorganismos que liberen toxinas, los Ac de alta avidez serán los más efectivos en la neutralización de esa toxina.


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SUPERANTÍGENOS Son antígenos potentes activadores policlonales de células T, llegando a activar hasta la quinta parte del total de linfocitos. Estos superantígenos se unen a moléculas de MHC de la clase II presente en las CPA sin haber sido procesados. Este complejo es entonces reconocido por las células T que expresan un TCR con una partícula Vβ, y lo entrecruzan con la parte externa del MHC, fuera del surco que normalmente sirve para exponer y presentar el antígeno (Figura 12). Algunas toxinas bacterianas como la enterotoxina estafilocócica, la toxina del síndrome de choque tóxico y las exotoxinas del estreptococo son ejemplos de superantígenos. La elevada frecuencia de células T que responden a superantígenos da como resultado un gran número de clones de células T que segregan grandes cantidades de citoquinas, lo que puede llevar a un shock y hasta causar la muerte. Superantígeno

MHC TCR

Figura 12. Superantígeno presentado fuera del surco del MHC a la porción Vβ del TCR

- ANTÍGENOS TIMO INDEPENDIENTES (TI) Los Antígenos timos independientes generalmente son Ag no proteicos (polisacáridos o lipopolisacáridos) que pueden inducir respuesta inmunitaria sin la participación aparente de linfocitos T. La mayoría de estos Ags están constituidos por polímeros conformados por múltiples unidades químicas repetidas con epítpos antigénicos idénticos, y pueden activar de modo directo a los linfocitos B entrelazándose con receptores de superficie de célula B, induciendo la producción de Ac de tipo IgM (Figura 13). Los antígenos timo independientes más importantes son los polisacáridos, los glucolípidos y los ácidos nucleicos que inducen la producción de anticuerpos específicos en animales con déficit de células T. Algunos estudios recientes indican que requieren cierto grado de ayuda de la célula T, aunque significativamente menor que la que necesitan los Ag dependientes del timo, por lo que sería más preciso considerarlos como eficaces en relación con el timo, más que independiente de este.


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Antígeno

Célula B

Célula B activada

Célula plasmática (célula B efectora)

Anticuerpos IgM

Figura 13. Antígenos timo independientes

La mayoría de los antígenos timo independientes, a diferencia de los TD, originan escasa o ninguna memoria inmunológica. Por otra parte, aun después de exposiciones repetidas, las respuestas de anticuerpos son moderadas en cuanto a cantidad, y se originan después de un periodo relativamente prolongado pero en todos los demás aspectos semejan las respuestas humorales primarias. Los antígenos timo-independientes se caracterizan por ser: moléculas grandes, que suelen tener epítopos repetidos, son de lenta degradación, no suelen necesitar ayuda de los linfocitos T para inducir la producción de anticuerpos y no son activadores policlonales. A manera de resumen a continuación se presenta las diferencias más importantes entre los antígenos timo dependientes (TD) y timo independientes (TI): PROPIEDADES

TD

TI

Ayuda de linfocitos T para inducir respuesta humoral de linfocitos B

Si

No

Proteínas

Polisacáridos, lipopolisacáridos

Si

No

Ratones atímicos

No

Si

Cultivos carentes de células T

No

Si o ↑

Respuesta primaria de Ac IgM y secundaria de Ac IgG

Respuesta humoral pobre de Ac IgM

Naturaleza química Establece recuerdo del contacto (memoria inmunológica) Respuesta a anticuerpos

Respuesta de anticuerpos

Los antígenos TI caen dentro de dos categorías o clases (TI-1 y TI-2), con distintas propiedades en sus mecanismos de acción.


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Los antígenos TI-1 tienen la propiedad de que a altas concentraciones induce activación de muchas células B, tanto en forma específica como inespecífica; debido a esta propiedad los TI-1 se conocen como activadores de células B policlonales o mitógenos de células B. A bajas concentraciones estos Ags con frecuencia producen una respuesta de anticuerpos específica a antígenos. Los Ag TI-1 clásicos son componentes de la pared celular bacteriana (lipopolisacárido) y su reconocimiento por el sistema inmunitario parece ser una característica evolucionada de la inmunidad innata. Los antígenos TI-1 son inductores ineficientes de switching de isotipos, maduración de la afinidad de células B de memoria, todas las cuales requieren células T helper específicas. En contraste, los Ag TI-2 no tienen propiedades ativadoras de células B policlonal, y tampoco activan macrófagos. Son Ag generalmente poliméricos como los polisacáridos de las paredes celulares bacterianas o las proteínas poliméricas del flagelo de los bacteroides, ambos tipos de moléculas tienen estructuras altamente repetitivas. La respuesta de anticuerpos a los antígenos TI-2, aunque no necesitan de células Th, parecen requerir concentraciones pequeñas de citoquinas. Por último, mientras que los Ag TI-1 son capaces de activar tanto células B maduras como inmaduras, los TI-2 sólo activan células B maduras, porque las células B inmaduras son inactivadas por epítopos repetitivos. 5. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA INMUNOGENICIDAD. Numerosos son los factores que determinan la antigenicidad de una molécula. Entre ellos tenemos, características propias del antígeno, contribución del sistema biológico y métodos de administración del inmunógeno. En general, para que las moléculas sean inmunogénicas, deben satisfacer estas condiciones, que se describen a continuación: 5.1. CARACTERÍSTICAS PROPIAS DEL ANTÍGENO. ¾ Cantidad del inmunógeno. La producción de una adecuada respuesta inmune requiere una determinada concentración del antígeno. Muy pequeñas cantidades de Ags, o grandes cantidades del mismo, pueden alterar la respuesta inmune. ¾ Exogenicidad. El sistema inmunitario discrimina normalmente entre lo propio y lo ajeno, de manera que las moléculas extrañas al huésped son inmunogénicas. El poder de un inmunógeno para inducir una respuesta inmune es tanto mayor cuanto más extraño sea el organismo en el cual penetra. Una proteína incapaz de producir una respuesta inmune en un animal de la misma especie puede ser un potente


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inmunógeno cuando se inyecta en otra especie animal. Así, la albúmina aislada de suero de un conejo e inyectada de nuevo al mismo o a otro conejo, no originará respuesta inmunitaria, pues cada conejo es tolerante a esta proteína endógena. No obstante, es probable que la misma proteínas, inyectada a otra especie de vertebrado, origine respuestas substanciales de anticuerpos, según la dosis del antígeno, así como la vía y la frecuencia de la inyección. ¾ Tamaño de las moléculas. Las moléculas extremadamente pequeñas, como los aminoácidos o los monosacáridos, no son inmunogénicas, lo cual implica que se requiere cierto tamaño mínimo para inmunogenecidad. Sin embargo, no hay un umbral de masa fijo por debajo del cual todas las sustancias sean inertes y por encima del cual todas sean activas; parece haber un gradiente de inmunogenicidad con respecto al tamaño molecular. Como regla general, las moléculas con pesos moleculares inferiores a 10.000 son débilmente inmunogénicas o no lo son en absoluto; mientras que los inmunógenos más potentes son proteínas con PM superiores a 100.000. Igualmente son potentes inmunógenos las células extrañas al organismo o los gérmenes, como bacterias, hongos, virus y parásitos. ¾ Complejidad química. Una molécula debe poseer cierto grado de complejidad química para ser inmunogénica. Mientras más compleja sea la molécula inmunogénica, mayor será su capacidad de inducir una respuesta inmune. Los polipéptidos lineales son más débiles como inmunógenos que los polipéptidos de igual PM pero con cadenas laterales. Determinados grupos químicos confieren mayor capacidad antigénica a una molécula. Los aminoácidos aromáticos contribuyen más a la inmunogenecidad que los residuos no aromáticos; por tanto, polipéptidos simples al azar que contienen tirosina son mejores inmunógenos que polipéptidos comparables sin tirosina, y la inmunogenicidad de estos polímeros es directamente proporcional a su contenido en tirosina. ¾ Carga eléctrica. Las moléculas cargadas eléctricamente suelen tener mayor poder inmunogénico que las neutras. Sin embargo, el dextrán, que es eléctricamente neutro, puede en algunas circunstancias, inducir respuesta inmune. Los epítopos en las proteínas globulares naturales tienden en forma desproporcionada a estar formadas de residuos polares de aminoácidos, y como estos residuos polares se encuentran con una frecuencia mucho mayor sobre la superficie externa quizá esta sea la razón de su mayor inmunogenecidad. Esta correlación tiene cierto valor para predecir localizaciones de epítopos en las proteínas; mientras mayor sea la polaridad promedio de la región de un polipéptido mayor será la probabilidad de que sea antigénico.


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¾ Accesibilidad. Los epítopos expuestos son reconocidos; epítopos localizados entre los plegamientos de las moléculas u ocultos no pueden ser reconocidos, así los Ac se unen a la superficie de la molécula antigénica. Ej. copolímeros multicatenarios. La respuesta de Ac contra proteínas naturales y plegadas, casi siempre se dirigen contra la superficie de la proteína, debido a que éstos son los residuos que se hallan expuestos y resultan accesibles a la fijación. Este principio se ha demostrado de modo vivido al inmunizar animales mediante polipéptidos sintéticos constituidos por una estructura fundamental invariable que presenta múltiples ramas laterales formadas por alanina, tirosina y glutamato (figura 14). Cuando las ramas se sintetizaron, de manera que todas las alaninas estuvieron aglomeradas en la terminación exterior, con tirosina y glutamato más cerca de la estructura fundamental, la mayoría de los Ac producidos fueron específicos para alanina. A la inversa, cuando las alaninas se situaron cerca del armazón fundamental y se expusieron las tirosinas y los glutamatos, se obtuvieron Ac específicos para tirosina y glutamato. En cada caso, la región más expuesta actuó como el epitopo dominante el Ag. Tirosina (Tir)

Ácido glutámico (Ac glu)

Induce producción de Ac contra Tir y Ac glu

Alanina (Ala)

Induce producción de Ac contra Ala

Figura 14. Accesibilidad de algunos epítopos de un antígeno determinado

¾ Configuración óptica. Sólo las moléculas degradables por el hospedador son buenas inmunógenas. Los polipéptidos con aminoácidos dextrógiros o D-aminoácidos no son inmunogénicos, por su resistencia a ser degradados por las proteasas (enzimas proteolíticas) de la vía del procesamiento antigénico en las CPA, responsables de la presentación del Ag a los linfocitos Th (ver figura 10). En cambio, los levógiros, que se dejan degradar fácilmente, son buenos inmunógenos. ¾ Conformación. No hay una estructura molecular propia para un inmunógeno. Se puede lograr respuesta inmune con péptidos lineales o ramificados, o con proteínas globulares, etc.


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Al modificar la forma original, los anticuerpos producidos contra la variedad original ya no se combinan con la nueva variedad. 5.2.

CONTRIBUCIÓN DEL SISTEMA BIOLOGICO. •

Factores genéticos y condiciones generales.

La propiedad de responder a un inmunógeno particular está predeterminada de manera genética. No todos los individuos de una misma especie responden en forma idéntica a un estímulo antigénico. En los humanos hay buenos y malos respondedores a un mismo inmunógeno, característica que es controlada por los genes del MHC. Esto implica que la respuesta inmune se produce no solo por la presencia de un Ag, sino que requiere la capacidad genética del individuo para responder. Por ejemplo, algunas cepas de cobayos originan una vigorosa respuesta de anticuerpos contra el polipéptido simple poli-L-lisina, mientras que otras cepas no ocasionan una respuesta detectable. La edad, la nutrición y condiciones de salud general, son factores que deben tomarse en consideración cuando de respuesta inmune se trata. Durante la vejez y la infancia temprana, el sistema inmune no tiene una capacidad de respuesta óptima. La edad influye en la inmunogenicidad, porque usualmente en los muy jóvenes y en los muy viejos, la habilidad para montar una respuesta inmune en respuesta a un inmunógeno se encuentra disminuida.

5.3.

MÉTODOS DE ADMINISTRACIÓN DEL INMUNÓGENO.

El que una sustancia origine una respuesta inmunitaria depende de la dosis, frecuencia y vía de administración de la misma. •

Dosis y frecuencia de inmunógeno.

La dosis umbral requerida para una respuesta en condiciones particulares, varía según los diferentes inmunógenos. En general, una vez que se ha excedido la dosis del umbral, las dosis crecientes tienden a ocasionar respuestas también crecientes, aunque en un grado menor al proporcional No obstante, es posible que las dosis excesivas no sólo induzcan una respuesta, sino que también establezcan un estado de falta de propiedad de respuesta específica o de tolerancia, a exposiciones subsecuentes. Las dosis elevada producen niveles elevados de Ac de baja afinidad (la afinidad es la medida de la fuerza de unión de la reacción Ag-Ac). Las dosis muy bajas producen niveles bajos de Ac de alta afinidad, o pueden no estimular a los linfocitos. Las dosis repetidas producen una respuesta inmunitaria vigorosa y prolongada (es decir, producen memoria inmunológica).


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Las dosis muy bajas o muy altas repetidas tienden a ocasionar tolerancia. Un protocolo de dosis repetidas espaciadas a lo largo de varias semanas es mejor que una dosis única, porque provoca una mayor proliferación clonal de linfocitos B y T específicos. •

Rutas de administración

Existe la posibilidad de que una sustancia que no tiene efecto alguno cuando se inyecta por vía intravenosa, pueda ocasionar una copiosa respuesta de Ac cuando se inyecta subcutáneamente, en particular, si se acompaña de un adyuvante (explicación más adelante). Las vías que conllevan a una absorción más lenta del Ag son más inmunógenas, y por tanto, más efectivas para inducir inmunización. La vía sanguínea produce una respuesta humoral predominante. La vía intradérmica produce una respuesta inmunitaria dual, es decir, humoral y celular. La vía mucosa, produce una respuesta humoral secretora (IgA) y sistémica. La vía intramuscular produce una respuesta humoral sistémica. •

Uso de Adyuvantes.

La vaccinología moderna estaría en un callejón sin salida sin adyuvantes, ya que estos constituyen la base fundamental de la solución del problema de la baja inmunogenicidad de muchos de las más modernas vacunas obtenidas por vías sintéticas, recombinante o por exhaustiva purificación. La palabra adyuvante deriva del latín adyuvare que significa ayudar. Se define como adyuvante a toda sustancia o preparado capaz de aumentar, potenciar o mejorar la inmunogenicidad, y por tanto, la efectividad de un antígeno vacunal. Los adyuvantes actúan en uno o más de las siguientes maneras: 1) Prolongando la retención del inmunógeno. 2) Aumentando el tamaño efectivo del inmunógeno. 3) Estimulando el flujo de entrada local de macrófagos u otros tipos de células inmunitarias, o ambas, al sitio de inyección; y promoviendo sus actividades subsecuentes. 4) Promoviendo la producción local de citoquinas. El adyuvante ideal debe tener una estructura y composición definida; debe ser estable e inerte en relación con el antígeno con el cual se aplica; debe ser biodegradable y capaz de inducir respuesta aún cuando se emplee con antígenos débiles inmunogénicamente; debe ser capaz de ejercer su función a bajas dosis y con necesidad de pocas inoculaciones, resultando efectivo en niños pequeños y lactantes de preferencia al nacer; debe no ser inmunogénico y permitir manipular la respuesta inmune celular y humoral dentro de dosis segura no tóxicas. En realidad, ningún adyuvante disponible actualmente reúne estos requisitos.


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Se han empleado varios adyuvantes en animales experimentales, de los cuales el más potente es el adyuvante completo de Freund (CFA, del inglés Complete Freund’s Adjuvant), una emulsión de agua en aceite que contiene micobacterias muertas. El CFA parece actuar proporcionando un depósito para el inmunógeno, y estimulando macrófagos y ciertos linfocitos; sin embargo, sus efectos inflamatorios evitan su uso en el ser humano. El adyuvante que se usa más ampliamente en seres humanos es el precipitado de alumbre, suspensión de hidróxido de alumbre en la cual se adsorbe el inmunógeno, favoreciendo la permanencia del Ag en el sitio de la inyección; por otra parte, como el alumbre es irritativo, estimula la llegada de macrófagos. El único adyuvante aprobado para uso clínico en EUA son las sales de aluminio, desafortunadamente las sales de aluminio sólo estimulan la inmunidad humoral, no actúan con todos los antígenos y no se pueden congelar ni liofilizar. A continuación se presenta una tabla que contiene algunos adyuvantes utilizados, su composición y el mecanismo de acción en el organismo cuando son inyectados con un antígenos en particular: ADYUVANTE Incompleto de Freund’s Completo de Freund’s Alumbre

COMPOSICIÓN

MECANISMO DE ACCIÓN

Emulsión de agua en aceite

Actúa aumentando la retención del antígeno en el sitio de la inyección persistiendo por mas tiempo en tejido Emulsión de agua en aceite Igual que el anterior pero además que con micobacterias produce un estímulo antigénico continuo Gel de hidróxido de aluminio Actúa fijando el antígeno haciento lenta su liberación. Como el alumbre es irritante estimula la llegada de macrófagos

6. INTERACCIÓN ANTÍGENO – ANTICUERPO Las reacciones Ag-Ac fueron reconocidas primero por bacteriólogos, quienes también supusieron que tales reacciones exhibían especificidad. Observaron que el suero de pacientes que se recuperaban de infecciones podía aglutinar el organismo responsable de su enfermedad, pero no a organismos no afines. Sin embargo, el suero de personas no expuestas a la enfermedad o de pacientes antes de contraer la enfermedad no podría aglutinar los mismos organismos. A partir de estas evidencias, los científicos propusieron la existencia de moléculas, en el suero del paciente, a las cuales denominaron anticuerpos, los cuales poseen especificidad de interacción con los microorganismos o sustancias que le dieron origen (antígenos). Posteriormente, se reconoció la importancia de tales interacciones en la defensa del huésped. Para que se un anticuerpo reaccione con un antígeno deben coexistir fuerzas de unión que permitan tal interacción, las bases fisicoquímicas para que se lleve a cabo esta interacción se describen a continuación.


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FUERZAS DE UNIÓN ANTÍGENO-ANTICUERPO Las fuerzas de unión de un Ag a un Ac dependen de la complementariedad de la adaptación del determinante antigénico al idiotipo del Ac; también dependen de la suma de fuerzas intermoleculares, no covalentes y débiles. Tales fuerzas débiles de corto alcance pueden operar entre Ag y Ac si lo estrecho de su adaptación los hace aproximar entre sí. Estas fuerzas de atracción Ag y Ac comprenden atracciones electrostáticas, uniones o puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrófobas. En solución a pH fisiológico, los grupos polares cargados de los residuos de aminoácidos en las proteínas pueden estar fuertemente atraídos entre sí. Estas fuerzas electrostáticas son las más intensas y las que más contribuyen a la atracción no covalente entre Ag y Ac. Las uniones hidrógeno entre los grupos amino y carboxilo de los enlaces peptídicos contribuyen también a las fuerzas de atracción. Los puentes de H son más débiles que las fuerzas electrostáticas pero la cantidad de estos enlaces los convierte en un factor importante. Las fuerzas de Van der Waals son las más débiles que intervienen en esta interacción, pueden funcionar sólo dentro de un pequeño radio debido a su bajo poder. La estrecha aproximación de un determinante antigénico al idiotipo induce fluctuaciones de carga dentro de los átomos de las moléculas. A distancias muy cercanas, el núcleo de un átomo puede ser atraído hacia los electrones de la órbita externa de un segundo átomo. Estas fuerzas de Van der Waals contribuyen a la intensidad de la unión. El componente final de las fuerzas de atracción involucra las uniones hidrófobas entre grupos no polares en solución. Dichas uniones funcionan por exclusión de moléculas de agua polares a fin de acercar a las moléculas hidrófobas. Las moléculas de Ac poseen gran número de aminoácidos hidrófobos como alanina, leucina, tirosina, triptófano y metionina en sus sitios de combinación, donde se intensifica la unión con los residuos hidrófobos de los determinantes antigénicos. La fuerza de los enlaces entre un único sitio de combinación de un Ac y un epítopo de un Ag monovalente recibe el nombre de afinidad de la interacción. La unión Ag-Ac depende de la cercanía del ajuste entre la configuración del sitio antigénico determinante del sitio combinante del anticuerpo. Como se estudió anteriormente, los antígenos polivalentes tienen más de una copia de un determinante específico, y aunque la afinidad de cualquier sitio de unión del antígeno es la misma para el epítopo de un antígeno polivalente, la fuerza de unión del anticuerpo al antígeno debe tener en cuenta la unión de todos los sitos a todos los epítopos disponibles. Esta fuerza total de unión recibe el nombre de avidez, y es mucho mayor que la afinidad de cualquier sitio de unión al antígeno. La avidez está relacionada entonces con el número de determinantes antigénicos presentes en la molécula de antígeno; es decir, a mayor número de determinantes antigénicos hay una mayor avidez; mientras que cuando menor es el número, menor es la avidez. Por ejemplo, una sola molécula de IgM, puede unir


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hasta 10 sitios diferentes de un Ag determinado; entonces, la fuerza total de unión debe tener en cuenta la interacción en cada uno de los determinantes antigénicos; de esta manera una molécula de IgM con baja afinidad puede unirse fuertemente a un Ag multivalente, ya que muchas interacciones de baja afinidad producen una interacción de gran avidez única. . CUESTIONARIO 1. Establecer diferencias entre los conceptos de antígeno e inmunógeno. 2. ¿Qué es un hapteno, y que condiciones requiere para iniciar una respuesta inmunitaria?. 3. ¿Qué es un alérgeno y como se denomina la persona que responde inmunológicamente a un alergeno?. 4. ¿Qué es un tolerógeno y de ejemplos de sustancias o moléculas tolerógenas?. 5. ¿Qué es un toxoide y en que se diferencia de una vacuna?. 6. ¿Qué es el epítopoo determinante antigénico del antígeno?. Establezca diferencias entre los conceptos de epítopo o determinante antigénico, parátopo y agrétopo. 7. Clasifique los antígenos según el tipo de epítopos que poseen y según su naturaleza. 8. Según su naturaleza química, ¿cual se considera los antígenos más potentes y cuales son los menos inmunogénicos?. 9. ¿Qué es inmunopotencia e inmunodominancia?. 10. ¿Cuál es la diferencia entre un antígeno homólogo y uno heterólogo?. 11. ¿Qué es la reactividad cruzada y qué tipo de antígenos son responsables de este tipo de inmunogenicidad y porqué?. Ejemplifique. 12. ¿Qué es un autoantígeno?. 13. Según la clasificación estudiada, explique que tipo de antígeno es el antígeno viral proteico, y diga si su actividad antigénica es similar a la de la toxina estafilococica. 14. Con un ejemplo práctico, establezca la diferencia entre antígenos naturales y sintéticos. ¿Puede una vacuna ser de origen sintético o sólo son Ag naturales modificados?. Razone su respuesta. 15. ¿Cuál es la mejor vía para la administración de un antígeno?. Explique. 16. ¿Cómo influye la genética y la edad del individuo en la respuesta inmunitaria mediada por un antígeno?.


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17. ¿Cuál considera Ud. sea la dosis óptima del inmunógeno para que pueda desencadenar una respuesta inmune deseada?. 18. ¿Qué son adyuvantes y para que se utilizan?. De algunos ejemplos de adyuvantes. BIBLIOGRAFÍA Abbas, A.K.; Lichtman, A.H.; Pober, J.S. 2006. Inmunología Celular y Molecular. 6ta Edición. McGraw-Hill Interamericana. España. 577 p.p. Iañez P., E. 2001. Curso de Inmunología General: Antigenos. Capítulo 4. Departamento de Microbiología, Universidad de Granada. España. Janeway, Ch. A. y Travers, P. Inmunobiology. 2002. The immune system in health and disease. Second Edition. Publised by current Biology. LTD. London. Pp. 12 :18. Parslow, T.G.; Stites, D.P.; Terr, A. I.; Imboden, J. B. 2002. Inmunología básica y Clínica. 10a Edición. Editorial Manual Moderno. 917 p.p. Regueiro G., J. R.; López L., C.; González R., S.; Martínez N., E. 2002. Inmunología. Biología y Patología del Sistema Inmune. 3ra Edición. Editorial medica Panamericana. Madrid, España. 218 p.p. Roitt, I. M.; Delves, P. J. 2003. Inmunología. Fundamentos. 10ma Edición. Editorial Médica Panameriana. Buenos Aires, Argentina. 559 p.p. Rojas, M. ; W. Inmunología. 8va. Edición. Colombia. 1990. Sierra G., G. y Acosta, A. 2000. Vacunas. Capítulo 21. En: Genética y Biomedicina Molecular. Orozco O. E.; Gariglio V., P 1ra. Edición. Editorial Limusa. México.


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Tema 2 T Antígenos e Inmunógenos.pdf

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