Na doença de Graves, o principal mecanismo imunopatológico é a produção de anticorpos contra o receptor do hormônio estimulante da tireoide, que estimulam as células da tireoide mesmo na ausência do hormônio. Esses anticorpos ativam o sistema do complemento pela via clássica, resultando na produção de subprodutos do complemento que recrutam leucócitos e induzem inflamação. Além disso, os anticorpos IgG das subclasses podem se ligar a receptores de neutrófilos e macrófagos, ativando esses leucócitos e resultando em inflamação. Também é possível que anticorpos específicos de antígenos celulares e teciduais se depositem nos tecidos, causando lesões e induzindo uma inflamação local.
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