Sistemi Immunitari Artificiali: Metafora ed Applicazioni Dr. Mario Pavone Dr. Mario Pavone

Sistemi Immunitari Naturali (1/3) immunologia »L immunologia è lo studio dei meccanismi di difesa contro organismi portatori di malattie agenti patogeni Antigeni (Ag), »Il ruolo principale del sistema immunitario naturale è la protezione dellorganismo contro lattacco di agenti patogeni, o Antigeni (Ag), e leliminazione di cellule mal funzionanti o già infettate riconoscimento di tali Ag »Il principale problema che il NIS deve affrontare è il riconoscimento di tali Ag selfnonself self-nonself discrimination »Le cellule si distinguono in self e nonself : il processo di distinguere unentità self da una nonself è detta self-nonself discrimination midollo osseotimo »Le cellule immunologiche si generano e si sviluppano in due organi: midollo osseo e timo immunologia »L immunologia è lo studio dei meccanismi di difesa contro organismi portatori di malattie agenti patogeni Antigeni (Ag), »Il ruolo principale del sistema immunitario naturale è la protezione dellorganismo contro lattacco di agenti patogeni, o Antigeni (Ag), e leliminazione di cellule mal funzionanti o già infettate riconoscimento di tali Ag »Il principale problema che il NIS deve affrontare è il riconoscimento di tali Ag selfnonself self-nonself discrimination »Le cellule si distinguono in self e nonself : il processo di distinguere unentità self da una nonself è detta self-nonself discrimination midollo osseotimo »Le cellule immunologiche si generano e si sviluppano in due organi: midollo osseo e timo

Sistemi Immunitari Naturali (2/3) linfociti specializzati principalmente nel riconoscimento degli agenti patogeni »Tra le cellule immunologiche vi sono i linfociti (B cells e T cells) che sono specializzati principalmente nel riconoscimento degli agenti patogeni (Ag). recettore (BCR e TCR) responsabile del riconoscimento di Ag »Sulla superficie cellulare dei linfociti B e T è presente un recettore (BCR e TCR) responsabile del riconoscimento di Ag. Il BCR viene detto anche Anticorpo (Ab). risposta immunitaria reazione del sistema contro gli agenti patogeni »La caratteristica di una molecola di legarsi ad un antigene dà origine alla risposta immunitaria del sistema, cioè la reazione del sistema contro gli agenti patogeni. linfociti specializzati principalmente nel riconoscimento degli agenti patogeni »Tra le cellule immunologiche vi sono i linfociti (B cells e T cells) che sono specializzati principalmente nel riconoscimento degli agenti patogeni (Ag). recettore (BCR e TCR) responsabile del riconoscimento di Ag »Sulla superficie cellulare dei linfociti B e T è presente un recettore (BCR e TCR) responsabile del riconoscimento di Ag. Il BCR viene detto anche Anticorpo (Ab). risposta immunitaria reazione del sistema contro gli agenti patogeni »La caratteristica di una molecola di legarsi ad un antigene dà origine alla risposta immunitaria del sistema, cioè la reazione del sistema contro gli agenti patogeni.

Sistemi Immunitari Naturali (3/3) shape »Ogni recettore presenta uno specifico shape, con il quale può legarsi ad uno specifico Ag complementarità dello shape »Il riconoscimento di un Ag è basato sulla complementarità dello shape risposta immunitaria »Quando un cellula si lega ad un Ag, questa viene attivata per eseguire la risposta immunitaria quando il sistema immunitario riconosce una molecola estranea »La risposta immunitaria viene prodotta quando il sistema immunitario riconosce una molecola estranea »Un numero di molecole verranno prodotte (cloni) shape »Ogni recettore presenta uno specifico shape, con il quale può legarsi ad uno specifico Ag complementarità dello shape »Il riconoscimento di un Ag è basato sulla complementarità dello shape risposta immunitaria »Quando un cellula si lega ad un Ag, questa viene attivata per eseguire la risposta immunitaria quando il sistema immunitario riconosce una molecola estranea »La risposta immunitaria viene prodotta quando il sistema immunitario riconosce una molecola estranea »Un numero di molecole verranno prodotte (cloni)

Risposta Immunitaria

Sistemi Immunitari Artificiali: i diversi Approcci » Clonal Selection proliferazione e differenziazione proliferazione e differenziazione delle cellule che meglio riconoscono lantigene » Negative Selection eliminazione delle T cellule eliminazione delle T cellule nel Timo, che riconoscono le entità self » Immune Networks come interagiscono le cellule come interagiscono le cellule di un sistema immunitario tra di loro? » Danger Theory risposta immunitaria per le entità self nocive perché cè una risposta immunitaria per le entità self nocive e non per quelle nonself innocue ? » Clonal Selection proliferazione e differenziazione proliferazione e differenziazione delle cellule che meglio riconoscono lantigene » Negative Selection eliminazione delle T cellule eliminazione delle T cellule nel Timo, che riconoscono le entità self » Immune Networks come interagiscono le cellule come interagiscono le cellule di un sistema immunitario tra di loro? » Danger Theory risposta immunitaria per le entità self nocive perché cè una risposta immunitaria per le entità self nocive e non per quelle nonself innocue ?

Negative Selection (1/2) processo che elimina tutte le T cellule »È il processo che elimina tutte le T cellule i cui recettori sono in grado di riconoscere e legarsi con entità self dentro il Timo » Blood Thymic Barrier » Blood Thymic Barrier evita che tutte le entità nonself siano presenti allinterno del Timo immunocompetentin grado di eseguire una risposta immunitaria »Tutte le T cellule che non sono in grado di riconoscere ogni entità self diventa immunocompetent, cioè in grado di eseguire una risposta immunitaria »Queste tipo di cellule vengono rilasciate nel sangue per pattugliare il corpo dalla presenza di agenti patogeni »Tali cellule T (detectors) sono in grado di individuare ogni cambiamento nelle cellule self oppure ogni forma di entità nonself processo che elimina tutte le T cellule »È il processo che elimina tutte le T cellule i cui recettori sono in grado di riconoscere e legarsi con entità self dentro il Timo » Blood Thymic Barrier » Blood Thymic Barrier evita che tutte le entità nonself siano presenti allinterno del Timo immunocompetentin grado di eseguire una risposta immunitaria »Tutte le T cellule che non sono in grado di riconoscere ogni entità self diventa immunocompetent, cioè in grado di eseguire una risposta immunitaria »Queste tipo di cellule vengono rilasciate nel sangue per pattugliare il corpo dalla presenza di agenti patogeni »Tali cellule T (detectors) sono in grado di individuare ogni cambiamento nelle cellule self oppure ogni forma di entità nonself

Negative Selection (2/2)

Immune Networks porzioniche possono essere riconosciuti da altri anticorpi »Gli anticorpi presentano porzioni dei loro recettori che possono essere riconosciuti da altri anticorpi paratope epitope »Parte di un anticorpo ( paratope ) si legherà ad una parte di un antigene ( epitope ) porzioniche possono essere riconosciuti da altri anticorpi »Gli anticorpi presentano porzioni dei loro recettori che possono essere riconosciuti da altri anticorpi paratope epitope »Parte di un anticorpo ( paratope ) si legherà ad una parte di un antigene ( epitope ) epitopes legarsi ai paratope di altri anticorpi »Anche gli anticorpi presentano epitopes, i quali possono legarsi ai paratope di altri anticorpi »Tutti gli anticorpi che presentano paratope attivi proliferanno

Danger Theory (1/2) sistema immunitario non risponde alla presenza di entità nonself, ma al pericolo »Lidea centrale della Danger Theory è che il sistema immunitario non risponde alla presenza di entità nonself, ma al pericolo »Non cè bisogno di attaccare ogni cosa che è estranea »Danger Theory è misurata dal danneggiamento della cellule, indicato attraverso segnali di pericolo, inviati quando una cellula muore di morte non naturale danger zonedanger signal »La risposta immunitaria viene eseguita in un intorno ( danger zone ) determinato dal danger signal Danger signal stabilisce una zona di pericolo Danger signal stabilisce una zona di pericolo »Tutte le B cellule in grado di legarsi ad Antigeni dentro la danger zone vengono stimolati per la proliferazione »La Danger Theory può aiutare a studiare e capire il problema dei sistemi di intrusione (intrusion detection systems) sistema immunitario non risponde alla presenza di entità nonself, ma al pericolo »Lidea centrale della Danger Theory è che il sistema immunitario non risponde alla presenza di entità nonself, ma al pericolo »Non cè bisogno di attaccare ogni cosa che è estranea »Danger Theory è misurata dal danneggiamento della cellule, indicato attraverso segnali di pericolo, inviati quando una cellula muore di morte non naturale danger zonedanger signal »La risposta immunitaria viene eseguita in un intorno ( danger zone ) determinato dal danger signal Danger signal stabilisce una zona di pericolo Danger signal stabilisce una zona di pericolo »Tutte le B cellule in grado di legarsi ad Antigeni dentro la danger zone vengono stimolati per la proliferazione »La Danger Theory può aiutare a studiare e capire il problema dei sistemi di intrusione (intrusion detection systems)

Danger Theory (2/2)

Clonal Selection adattano per legarsi ed eliminare »Clonal Selection si concentra su come le B cellule si adattano per legarsi ed eliminare le entità patogene proliferarsi proporzionalmente alla sua qualità di match »Quando una B cellula si lega ad un antigene, questa inizierà a proliferarsi proporzionalmente alla sua qualità di match Espansione Clonale »Il processo in cui una B cellula si duplica/clona una volta legata ad un antigene è chiamato Espansione Clonale adattano per legarsi ed eliminare »Clonal Selection si concentra su come le B cellule si adattano per legarsi ed eliminare le entità patogene proliferarsi proporzionalmente alla sua qualità di match »Quando una B cellula si lega ad un antigene, questa inizierà a proliferarsi proporzionalmente alla sua qualità di match Espansione Clonale »Il processo in cui una B cellula si duplica/clona una volta legata ad un antigene è chiamato Espansione Clonale

Principio della Selezione Clonale

Affinity Maturation e Somatic Hypermutation grado con cui si lega ad un antigene »Laffinità di una B cellula è il grado con cui si lega ad un antigene più forte è laffinità, più forte è il legame più forte è laffinità, più forte è il legame differenti gradi di affinità »Ogni recettore riconosce e si lega ad un antigene con differenti gradi di affinità » Affinity Maturation » Affinity Maturation : durante la risposta immunitaria ogni cellula incrementa laffinità dei recettori clonati mutazioni »Il cambiamento dello shape dei recettori è causato attraverso mutazioni Ipermutazioni somatiche »Ogni clone è soggetto a Ipermutazioni somatiche inversamente proporzionale allaffinità »Il tasso di Ipermutazione è inversamente proporzionale allaffinità di ogni recettore »Tale Ipermutazione aiuta a preservare alte affinità e produrre diverse varianti del recettore selezionato grado con cui si lega ad un antigene »Laffinità di una B cellula è il grado con cui si lega ad un antigene più forte è laffinità, più forte è il legame più forte è laffinità, più forte è il legame differenti gradi di affinità »Ogni recettore riconosce e si lega ad un antigene con differenti gradi di affinità » Affinity Maturation » Affinity Maturation : durante la risposta immunitaria ogni cellula incrementa laffinità dei recettori clonati mutazioni »Il cambiamento dello shape dei recettori è causato attraverso mutazioni Ipermutazioni somatiche »Ogni clone è soggetto a Ipermutazioni somatiche inversamente proporzionale allaffinità »Il tasso di Ipermutazione è inversamente proporzionale allaffinità di ogni recettore »Tale Ipermutazione aiuta a preservare alte affinità e produrre diverse varianti del recettore selezionato

Teoria della Selezione Clonale

Clonal Selection Algorithms metodi efficienti di ricerca e ottimizzazione »CSA sono basati sul principio di selezione clonale, per produrre metodi efficienti di ricerca e ottimizzazione » Espansione Clonale » Espansione Clonale produce una nuova popolazione di B cellulle con migliori valori di affinità » Ipermutazione » Ipermutazione è vista come una procedura di ricerca locale che conduce ad una più veloce maturazione » Strategia intelligente bottom-up » Strategia intelligente bottom-up : le cellule e le molecole si adattano a livello locale per produrre un utile comportamento a livello globale »Nei CSA lantigene rappresenta il problema da affrontare; gli anticorpi rappresentano le soluzioni generate »Allinizio della risposta immunitaria Ag-problem viene riconosciuto attraverso scarse soluzioni »Alla fine della risposta immunitaria Ag-problem viene riconosciuto/risolto attraverso buone soluzioni metodi efficienti di ricerca e ottimizzazione »CSA sono basati sul principio di selezione clonale, per produrre metodi efficienti di ricerca e ottimizzazione » Espansione Clonale » Espansione Clonale produce una nuova popolazione di B cellulle con migliori valori di affinità » Ipermutazione » Ipermutazione è vista come una procedura di ricerca locale che conduce ad una più veloce maturazione » Strategia intelligente bottom-up » Strategia intelligente bottom-up : le cellule e le molecole si adattano a livello locale per produrre un utile comportamento a livello globale »Nei CSA lantigene rappresenta il problema da affrontare; gli anticorpi rappresentano le soluzioni generate »Allinizio della risposta immunitaria Ag-problem viene riconosciuto attraverso scarse soluzioni »Alla fine della risposta immunitaria Ag-problem viene riconosciuto/risolto attraverso buone soluzioni

Algoritmo Immunologico pseudo-codice Evaluate P (0) Initialize Population P (0) Cloning Hypermutations EvaluateAging Select best alived individuals (termination) P (t) P (clo) P (hyp) P (t), P (hyp) P (t+1)