background image

 

 

SKIN IMMUNITY

SKIN IMMUNITY

Joanna Narbutt, MD PhD

Joanna Narbutt, MD PhD

Department of Dermatology

Department of Dermatology

Medical University of Lodz

Medical University of Lodz

background image

 

 

KEY FEATURES

KEY FEATURES

The major purpose of the immune 

The major purpose of the immune 

system is protection against harmful 

system is protection against harmful 

organisms 

organisms 

It is achieved by a rapid more 

It is achieved by a rapid more 

primitive reaction – innate immune 

primitive reaction – innate immune 

response

response

And by a higher developed specific 

And by a higher developed specific 

reaction – adaptive immune response

reaction – adaptive immune response

background image

 

 

INNATE RESPONSE

INNATE RESPONSE

Skin barrier

Skin barrier

Complement

Complement

Antimicrobial peptides

Antimicrobial peptides

Cytokines

Cytokines

Macrophages

Macrophages

Neutrophils

Neutrophils

Eosinophils

Eosinophils

Basophils

Basophils

Mast cells

Mast cells

Natural killer cells

Natural killer cells

Toll-like receptors

Toll-like receptors

background image

 

 

Skin – a major protective barrier 

Skin – a major protective barrier 

against the outside environment 

against the outside environment 

(microbial, chemical, physical insults)

(microbial, chemical, physical insults)

It has a well developed immune 

It has a well developed immune 

system – skin-associated lymphoid 

system – skin-associated lymphoid 

tissue (SALT)

tissue (SALT)

Innate and adaptive immunity are 

Innate and adaptive immunity are 

generated in the skin

generated in the skin

background image

 

 

ADAPTIVE IMMUNE 

ADAPTIVE IMMUNE 

RESPON SE

RESPON SE

The characteristic features are: 

The characteristic features are: 

specificity and its improvement with 

specificity and its improvement with 

each successive encounter with the 

each successive encounter with the 

same antigen due to the accumulation 

same antigen due to the accumulation 

of immunological memory

of immunological memory

A crucial event during the generation 

A crucial event during the generation 

of an adaptive immune response is 

of an adaptive immune response is 

ANTIGEN PRESENTATION

ANTIGEN PRESENTATION

background image

 

 

Antigen presentation

Antigen presentation

Antigen-presenting cells:

Antigen-presenting cells:

The most effective APCs are 

The most effective APCs are 

interdigitating dendritic cells located 

interdigitating dendritic cells located 

in the T cell areas of the spleen and 

in the T cell areas of the spleen and 

lymph nodes

lymph nodes

In the epidermis relevant APCs are 

In the epidermis relevant APCs are 

Langerhans cells

Langerhans cells

background image

 

 

Langerhans cells

Langerhans cells

LCs are derived from bone marrow

LCs are derived from bone marrow

3-8% of keratinocytes in the epidermal

3-8% of keratinocytes in the epidermal

LCs are identified by electron microscopy or 

LCs are identified by electron microscopy or 

immunohistochemistry

immunohistochemistry

They have characteristic Birbeck granules

They have characteristic Birbeck granules

Histochemically human LC can be detected by 

Histochemically human LC can be detected by 

staining for 

staining for 

adenosine triphosphatase (ATPase), a 

adenosine triphosphatase (ATPase), a 

membrane bound enzyme

membrane bound enzyme

Molecules by antibodies: anti-CD45, anti-MHC 

Molecules by antibodies: anti-CD45, anti-MHC 

class II antigen, anti-CD1a, anti-Langerin

class II antigen, anti-CD1a, anti-Langerin

background image

 

 

CD1a is the most useful marker for 

CD1a is the most useful marker for 

detecting human LCs since in the 

detecting human LCs since in the 

epidermis CD1a is exclusively expressed 

epidermis CD1a is exclusively expressed 

on LC both in normal and inflamed skin

on LC both in normal and inflamed skin

In humans the number of LCs is reduced 

In humans the number of LCs is reduced 

on the palms, soles, genitalia, buccal 

on the palms, soles, genitalia, buccal 

mucosa

mucosa

The density of LCs decreases with age, 

The density of LCs decreases with age, 

and is reduced in chronically UV-exposed 

and is reduced in chronically UV-exposed 

skin

skin

background image

 

 

LCs are confined to the epidermis

LCs are confined to the epidermis

Other DCs are responsible for 

Other DCs are responsible for 

antigen presentation in 

antigen presentation in 

extracutaneous sites and organs

extracutaneous sites and organs

DCs are professional APCs which 

DCs are professional APCs which 

display an extraordinary capacity to 

display an extraordinary capacity to 

stimulate na

stimulate na

ï

ï

ve T cells and to initiate 

ve T cells and to initiate 

a primary immune response

a primary immune response

background image

 

 

The role of keratinocytes in 

The role of keratinocytes in 

skin immune response

skin immune response

The major immunologic cells in the 

The major immunologic cells in the 

epidermis  are LCs

epidermis  are LCs

Keratinocytes also contribute to the 

Keratinocytes also contribute to the 

generation of a cutaneous immune 

generation of a cutaneous immune 

response

response

They can affect LCs by espression of 

They can affect LCs by espression of 

specific surface molecules and release 

specific surface molecules and release 

soluble mediators: cytokines, 

soluble mediators: cytokines, 

eicosanoids, neurohormones

eicosanoids, neurohormones

background image

 

 

Inflammatory mediators:

Inflammatory mediators:

IL-1, IL-6, TNF-alpha, IL-8, 

IL-1, IL-6, TNF-alpha, IL-8, 

chemokines

chemokines

Antiinflammatory mediators:

Antiinflammatory mediators:

IL-10, TGF-beta

IL-10, TGF-beta

Immunomodulatory mediators:

Immunomodulatory mediators:

Il-7, IL-12, IL-15, IL-18, GM-csf, C-

Il-7, IL-12, IL-15, IL-18, GM-csf, C-

CSF, M-CSF

CSF, M-CSF

background image

 

 

Cytokines not produced by 

Cytokines not produced by 

keratinocytes:

keratinocytes:

IL-2

IL-2

IL-4

IL-4

IFN-gamma

IFN-gamma

background image

 

 

Prostaglandines (PGE2 has both 

Prostaglandines (PGE2 has both 

inflammatory and immunosuppressive 

inflammatory and immunosuppressive 

properties, induces cyclooxygenases 

properties, induces cyclooxygenases 

expression – carcinogenesis; erythema)

expression – carcinogenesis; erythema)

Leukotrienes (B4 is a neutrophil 

Leukotrienes (B4 is a neutrophil 

chemoattractant, mediates inflammation)

chemoattractant, mediates inflammation)

Substance P (inflammatory and 

Substance P (inflammatory and 

immunosuppressive properties) 

immunosuppressive properties) 

Pro-opiomelanocortin inflammatory and 

Pro-opiomelanocortin inflammatory and 

immunosuppressive properties) 

immunosuppressive properties) 

Melanocyte stimulating hormone (alpha-

Melanocyte stimulating hormone (alpha-

MSH) inflammatory and immunosuppressive 

MSH) inflammatory and immunosuppressive 

properties) 

properties) 

background image

 

 

Keratinocytes can function as effector cells 

Keratinocytes can function as effector cells 

(presentation of antigen when enhanced 

(presentation of antigen when enhanced 

MHC class II expression) and as target cells

MHC class II expression) and as target cells

They express MHC class I molecule and 

They express MHC class I molecule and 

when they are infected (virus) can be 

when they are infected (virus) can be 

attacked by CD8+ T cells

attacked by CD8+ T cells

MHC class I-restricted T cell-mediated 

MHC class I-restricted T cell-mediated 

cytolysis is involved in lichen planus, fixed 

cytolysis is involved in lichen planus, fixed 

drug eruptions, cutaneous graft versus host 

drug eruptions, cutaneous graft versus host 

disease, herpes simplex infections

disease, herpes simplex infections

background image

 

 

Regulatory T cells

Regulatory T cells

Chronic activation of CD4+ T cells in 

Chronic activation of CD4+ T cells in 

the presence of IL-10 induced CD4+ 

the presence of IL-10 induced CD4+ 

T cell clones with a low proliferative 

T cell clones with a low proliferative 

capacity which produced high levels 

capacity which produced high levels 

of IL-10, low levels of IL-2 and no IL-

of IL-10, low levels of IL-2 and no IL-

4

4

These antigens–specific T-cell clones 

These antigens–specific T-cell clones 

suppressed the proliferation of CD4+ 

suppressed the proliferation of CD4+ 

T cells in response to antigen 

T cells in response to antigen 

background image

 

 

Changed expression of T regulatory 

Changed expression of T regulatory 

T cells CD4+ CD25+ in skin lesions 

T cells CD4+ CD25+ in skin lesions 

in psoriasis , AD

in psoriasis , AD

Changed levels of T regulatory T 

Changed levels of T regulatory T 

cells CD4+ CD25+ in serum of 

cells CD4+ CD25+ in serum of 

patients with autoimmune diseases

patients with autoimmune diseases

background image

 

 

Antigen presentation

Antigen presentation

Antigen presentation to lymphocytes takes 

Antigen presentation to lymphocytes takes 

place in regional lymph nodes

place in regional lymph nodes

LCs actively take up an antigen and 

LCs actively take up an antigen and 

process it.

process it.

LCs become activated to leave the 

LCs become activated to leave the 

epidermis and to migrate to the draining 

epidermis and to migrate to the draining 

lymph nodes

lymph nodes

During migration LCs change their 

During migration LCs change their 

phenotype and start to resemble mature 

phenotype and start to resemble mature 

DCs. 

DCs. 

background image

 

 

T cell receptor is able to recognize the 

T cell receptor is able to recognize the 

antigen bound to MHC molecules 

antigen bound to MHC molecules 

expressed on APCs.

expressed on APCs.

CD4+ T cells recognize antigens in 

CD4+ T cells recognize antigens in 

association with MHC class II 

association with MHC class II 

molecules

molecules

CD8+ T cells recognize antigens in 

CD8+ T cells recognize antigens in 

association with MHC class I 

association with MHC class I 

molecules

molecules

background image

 

 

If the antigen is produced endogenously 

If the antigen is produced endogenously 

within the cell (e.g. viral or tumor 

within the cell (e.g. viral or tumor 

proteins) it is complexed with MHC class I 

proteins) it is complexed with MHC class I 

molecules through intracellular 

molecules through intracellular 

processing pathways

processing pathways

After processing peptides (8-12 amino 

After processing peptides (8-12 amino 

acid residues) are loaded onto MHC class 

acid residues) are loaded onto MHC class 

I molecules, they are transported to the 

I molecules, they are transported to the 

cell surface

cell surface

Many cells can serve as APCs for MHC 

Many cells can serve as APCs for MHC 

class I restricted antigen presentation

class I restricted antigen presentation

background image

 

 

MHC-class II-dependent antigen presentation 

MHC-class II-dependent antigen presentation 

is critically dependent on DCs (LCs, 

is critically dependent on DCs (LCs, 

monocytes/macropahges, lymphocytes B)

monocytes/macropahges, lymphocytes B)

MHC class II-associated antigen presentation 

MHC class II-associated antigen presentation 

targets preliminary exogenous antigens

targets preliminary exogenous antigens

Exogenous antigenes are taken up via macro- 

Exogenous antigenes are taken up via macro- 

or micropinocytosis or via receptor-mediated 

or micropinocytosis or via receptor-mediated 

endocytosis

endocytosis

The peptide fragments enter specialized 

The peptide fragments enter specialized 

endosomal compartments containing MHC 

endosomal compartments containing MHC 

class II molecules 

class II molecules 

background image

 

 

The complex peptide-MHC class II 

The complex peptide-MHC class II 

molecule is transported and 

molecule is transported and 

expressed on the cell surface

expressed on the cell surface

It allows antigen recognition by T 

It allows antigen recognition by T 

cells carrying appropriate TCR (T 

cells carrying appropriate TCR (T 

cell receptor)

cell receptor)

background image

 

 

TCR-MHC class II complex/peptide 

TCR-MHC class II complex/peptide 

is not sufficient to activate T cells

is not sufficient to activate T cells

Specific activation requires the 

Specific activation requires the 

involvement of co-stimulatory 

involvement of co-stimulatory 

signals

signals

Only in the presence of these co-

Only in the presence of these co-

stimulatory signals T cells undrgo 

stimulatory signals T cells undrgo 

antigen-specific clonal expansion 

antigen-specific clonal expansion 

background image

 

 

The first signal is the interaction of the 

The first signal is the interaction of the 

TCR with peptide-MHC class II 

TCR with peptide-MHC class II 

complex presented by APC – it 

complex presented by APC – it 

determines the specificity of the 

determines the specificity of the 

immune response

immune response

The second signal – involves surface 

The second signal – involves surface 

molecules and cytokines which 

molecules and cytokines which 

promote the clonal expansion of 

promote the clonal expansion of 

specific T cells and their differentiation 

specific T cells and their differentiation 

into effector and memory cells

into effector and memory cells

background image

 

 

Without these co-stimuli signalling 

Without these co-stimuli signalling 

by the antigen receptors alone will 

by the antigen receptors alone will 

either cause anergy (nonreactivity) 

either cause anergy (nonreactivity) 

or apoptotic cell death 

or apoptotic cell death 

background image

 

 

Cytokines, preferentially 

Cytokines, preferentially 

inflammatory mediators like IL-1, IL-

inflammatory mediators like IL-1, IL-

6 and TNF-alpha also provide co-

6 and TNF-alpha also provide co-

stimulatory signals by themselves 

stimulatory signals by themselves 

and in addition upregulate co-

and in addition upregulate co-

stimulatory molecules

stimulatory molecules

background image

 

 

If a T cell recognizes specific peptide 

If a T cell recognizes specific peptide 

in association with the appropriate 

in association with the appropriate 

MHC molecules and additionally 

MHC molecules and additionally 

become activated by co-stimulatory 

become activated by co-stimulatory 

signals, division and clonal expansion 

signals, division and clonal expansion 

take place.

take place.

Some of the activated T cells remain 

Some of the activated T cells remain 

in the lymph nodes functioning as 

in the lymph nodes functioning as 

central memory cells

central memory cells

background image

 

 

Development of TH1 or TH2 immune response 

Development of TH1 or TH2 immune response 

depends on the presence of certain cytokines

depends on the presence of certain cytokines

Cytotoxic (CD8+) and helper (CD4+) T cells 

Cytotoxic (CD8+) and helper (CD4+) T cells 

are effector cells

are effector cells

They play an important role in in immune 

They play an important role in in immune 

responses by recognizing foreign antigens and 

responses by recognizing foreign antigens and 

by activating other components of the cell-

by activating other components of the cell-

mediated immune response to eliminate 

mediated immune response to eliminate 

pathogens.

pathogens.

They also play an essential role in activating B 

They also play an essential role in activating B 

cells

cells

CD8+ Tc cells are crucial to antiviral and 

CD8+ Tc cells are crucial to antiviral and 

antitumor responses

antitumor responses

background image

 

 

Allergic contact 

Allergic contact 

hypersensitivity (CHS)

hypersensitivity (CHS)

CHS is highly relevant for 

CHS is highly relevant for 

dermatologists

dermatologists

It is pathogenic basis for allergic 

It is pathogenic basis for allergic 

contact dermatitis

contact dermatitis

background image

 

 

Induction of CHS

Induction of CHS

Most of the contact allergens are low-

Most of the contact allergens are low-

molecular weight chemicals

molecular weight chemicals

After penetrating into the skin they couple 

After penetrating into the skin they couple 

with host proteins to act as full antigens = 

with host proteins to act as full antigens = 

haptens

haptens

LCs take up the hapten, process it and 

LCs take up the hapten, process it and 

migrate towards the regional lymph nodes

migrate towards the regional lymph nodes

There the antigen is presented to na

There the antigen is presented to na

ï

ï

ve T 

ve T 

cells

cells

background image

 

 

During the emigration LCs convert from 

During the emigration LCs convert from 

a resting to activated functional state

a resting to activated functional state

This process is initiated by 

This process is initiated by 

keratinocytes which secrete 

keratinocytes which secrete 

inflammatory cytokines (Il-1beta, IL-6, 

inflammatory cytokines (Il-1beta, IL-6, 

IL-12, TNF-alpha, chemokines)

IL-12, TNF-alpha, chemokines)

enhanced cell surface molecule 

enhanced cell surface molecule 

expression (MHC class I and II 

expression (MHC class I and II 

molecules, adhesion molecules – ICAM, 

molecules, adhesion molecules – ICAM, 

co-stimulatory molecules)

co-stimulatory molecules)

background image

 

 

Presentation of the hapten in the regional 

Presentation of the hapten in the regional 

lymph nodes causes activation of the na

lymph nodes causes activation of the na

ï

ï

ve T 

ve T 

cells carrying the appropriate TCR and finally 

cells carrying the appropriate TCR and finally 

results in generation of effector cells (mainly T 

results in generation of effector cells (mainly T 

CD8+; also T CD4+ cells)

CD8+; also T CD4+ cells)

Simultaneously regulatory T cells are 

Simultaneously regulatory T cells are 

generated

generated

Balance between effector and regulatory T 

Balance between effector and regulatory T 

cells depends on the dose of antigen applied – 

cells depends on the dose of antigen applied – 

extremely low doses of antigen results not in 

extremely low doses of antigen results not in 

sensitisation but tolerance, mediated by CD8+ 

sensitisation but tolerance, mediated by CD8+ 

regulatory cells of the Tc2type

regulatory cells of the Tc2type

background image

 

 

Elicitation of CHS

Elicitation of CHS

T cells that heve been primed in regional 

T cells that heve been primed in regional 

lymph nodes express the skin homing 

lymph nodes express the skin homing 

antigen CLA (cutaneous lymphocyte 

antigen CLA (cutaneous lymphocyte 

antigen) – they have capacity to enter the 

antigen) – they have capacity to enter the 

skin

skin

These T cells become activated when they 

These T cells become activated when they 

encounter the hapten presented by APCs 

encounter the hapten presented by APCs 

in the skin (LCs, other DCs, 

in the skin (LCs, other DCs, 

keratinocytes, dermal mast cells, 

keratinocytes, dermal mast cells, 

macrophages)

macrophages)

background image

 

 

The earliest findings are:

The earliest findings are:

Mast cell degranulation

Mast cell degranulation

Vasodilatation

Vasodilatation

Influx of neutrophils and 

Influx of neutrophils and 

mononuclear T cells

mononuclear T cells

background image

 

 

Histologically: spongiosis, thickness 

Histologically: spongiosis, thickness 

of the epidermis, intraepidermal 

of the epidermis, intraepidermal 

vesicles

vesicles

Clinically: contact dermatitis

Clinically: contact dermatitis

background image

 

 

Effects of UVR on the 

Effects of UVR on the 

immune system

immune system

Evidence that UVR (especially UVb 

Evidence that UVR (especially UVb 

290-320 nm; also UVa 320-400 nm) 

290-320 nm; also UVa 320-400 nm) 

suppresses the skin immune system;

suppresses the skin immune system;

Suppression of elicitation of CHS in the 

Suppression of elicitation of CHS in the 

humans previously irradiated with UVR

humans previously irradiated with UVR

Reactivation of infections (herpes 

Reactivation of infections (herpes 

simplex, herpes zoster) after solar 

simplex, herpes zoster) after solar 

exposure, especially in chronically 

exposure, especially in chronically 

immunosuppressed individuals

immunosuppressed individuals

background image

 

 

UVR suppresses the immune system in a 

UVR suppresses the immune system in a 

local as well in a systemic fashion

local as well in a systemic fashion

Immunosuppression is a direct 

Immunosuppression is a direct 

consequence of nuclear DNA damage 

consequence of nuclear DNA damage 

caused by UVR, cis-urocanic acid 

caused by UVR, cis-urocanic acid 

generation

generation

Beneficial therapeutic effects of 

Beneficial therapeutic effects of 

phototherapy may be attributed to the 

phototherapy may be attributed to the 

immunosuppressive effects of UV radiation

immunosuppressive effects of UV radiation


Document Outline