Immunologie Skript PDF

Einführung – Zellautonome und angeborene Immunität Immunologie Lehre von den biologischen und biochemischen Grundlagen der körperlichen Abwehr von Krankheitserregern wie Bakterien, Viren und Pilzen sowie anderen körperfremden Stoffen, und von Störungen und Fehlfunktionen dieser Abwehrmechanismen...

Einführung – Zellautonome und angeborene Immunität Immunologie Lehre von den biologischen und biochemischen Grundlagen der körperlichen Abwehr von Krankheitserregern wie Bakterien, Viren und Pilzen sowie anderen körperfremden Stoffen, und von Störungen und Fehlfunktionen dieser Abwehrmechanismen „immunis“ ursprügnliche Bedeutung (juristisch): zu keinem Amt verpflichtet/nicht zur Verantwortung zu ziehen im übertragenen Sinne (medizinisch): „nicht angreifbar“ Das angeborene Immunsystem Hauptaufgaben o Unmittelbare Abwehr und Verhinderung der Ausbreitung einer Infektion (durch permanent vorhandene oder zumindest schnell aktivierbare Effektoren) o Induktion der spez. Immunantwort (durch Agpräsentation, Dauer 4-7 Tage) Breites Spektrum konservierter Faktoren o Breitgefächert, jederzeit einsatzbereit, Komponenten evolutionär erprobt, kann auch auf unbekannte Pathogene schnell reagieren o Aber: unabänderlich, nicht spezifisch anpassbar, nicht lernfähig SS17 1 Physikalische Barrieren Haut und Schleimhäute als erste Barriere gegen eine Infektion mechanische Faktoren o Epithelzellen mit tight junctions o Longitudinaler Fluss von Luft oder Schleim (Ziliarbewegung des Flimmerepithels des tiefen Respirationstraktes, Peristaltik des Darmtraktes, Harnstrom im Urogenitaltrakt) o Pathophysiologische Austreibung von Noxen ▪ Erbrechen, Diarrhoe. o Wichtige klinische Beispiele für Störungen der mechanischen Abwehr ▪ Mukoviszidose Häufigste genetisch bedingte Stoffwechselerkrankung (heterozygote Merkmalsträger 1/25) Mutation in Chloridkanal (CFTR: cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) → zähflüssige Sekrete in Lunge, Pankreas, Leber, Schweißdrüsen,ect. Folge: Stase von Mukus in Lunge/Bronchien (bakterielle Besiedlung, v.a. mit Pseudomonas aeruginosa), Pankreas, Leber ▪ Rezidivierende Pyelonephritis durch mech. Abflussstörungen häufigster Weg: von der Blase via Ureter aufsteigende Infektion Ursachen o Dysfunktion am Blasen-Ureter-Übergang o Striktur/Abklemmung im Verlauf des Ureters o Nierensteine Veränderungen: verschmälerte Nierenwege, Verplumpung, Schrumpfniere Chemische Faktoren o Fettsäuren: Haut → keine direkte Abtötung, aber Schutz gegen Niederlassung & Vermehrung o pH: Magen o Antibakterielle Peptide (AMP): z.B. Defensine ▪ Produziert von Menschen, Wirbellosen, Pflanzen, Pilzen ▪ Meist kationische (pos. Geladen) Peptide, 12-100 AS lang ▪ Anlagerung elektrostatisch & an hydrophobe Reste von Membranen ▪ Wirkung: bakterizid Porenbildung: Bakteriolyse Einlagerung in Bakterienmembran: Störung ele. Gradient Penetration ins Zytoplasma: Bindung an lebenswichtige Moleküle ▪ Rel. unspez. Wirkung! → breites Wirkspektrum gegen Gram-neg. und gram-pos. Bakterien, behüllte Viren, Pilze und Tumorzellen ▪ Zusätzl. Immunoregulatorische Effekte, z.B. chemotaktisch für Monozyten ▪ Defensine SS17 2  Auf Haut- &Mucosa-Oberflächen von Epithelzellen produziert (z.B. Paneth-Zellen → Mutation, gest. Sekretion, ect. Können zu CED beitragen) In Granula der Neutrophilen hochkonzentriert ▪ Cathelicidine Von Epidermis & Phagozyten produziert 1 Gen mit einem hypervariablen Exon kodiert für Präpropeptid Nach Sekretion führt proteolytische Spaltung zu versch. Peptiden mit antimikrobieller Aktivität Vor allem gram.pos. Bakterien aktiv ▪ Makroskopisch sichtbar: Käseschmiere (vernix caseosa) des Neugeborenen, 10% AMP o Enzyme: Lysozym im Speichel, Schweiß und Tränenflüssigkeit. Cave: Lysozym: Hydrolase, die Peptidoglycan in gr+ Bakterienwand spaltet versus Lysosom: Organelle zum Abbau endo-/phagozytierten Materials Mikrobiologische Faktoren o Normalflora von Darm und Haut, v.a. gram- Beispiel: Diarrhoe nach Antibiotika-Behandlung SS17 3 Die nächste Abwehrlinie gegen Infektionserreger: Immunsystem Aufrechterhaltung der Integrität/Homöostase Erkennung des Fremden (non-self) und Unterscheidung vom Eigenen (self) Kann Pathogene inaktivieren oder infizierte Zellen/Tumorzellen zerstören (Makrophagen z.B. erkennen und inaktivieren Bakterien durch Phagozytose → Effektor Funktion: Elimination des Fremden Teile des Immunsystems kommunizieren miteinander und mit anderen Systemen um eine konzertierte Aktion zu ermöglichen (z.B. Entzündung) → regulatorische Funktion Immunsystem kann die Stärke der Immunantwort anpassen SS17 4 Die Ebenen der Infektionsabwehr Frühphase einer Infektion Wo können sich Infektionserreger befinden? o Extrazelluläre Erreger (in Körperflüssigkeiten) → zugänglich für Complement o Intrazellulär im Cytoplasma oder Vakuole (Membranabschnürungen) → Zell- autonome Immunität Ungerichtete Abwehrmaßnahmen - Komplementsystem Erste Ereignisse n. Invasion v. Infektionserregern: Enzymsystem zur Zerstörung und Abwehr extrazellulärerer Mikroorganismen (Klassischer Aktivierungsweg) o Gehört nicht zur angeborenen Immunantwort, da erst Aktivierung durch AK des spezifischen Immunsystems o Aktivierung über Antigen-AK-Komplexe, nur für IgG und IgM Bindung über Fc- Teil an C1q möglich o C1q kann aber auch direkt an Oberflächen von Erreger binden und ohne AK diesen Weg aktivieren; Auslösung auch durch DNA, CRP und Kollagen o aktivierte Serinprotease C1s katalysiert beide Startreaktion o Bildung von C4b2b – C3 Konvertase; C3a und C5a diffundieren als Anaphylatoxine – Peptidmediatoren der Inflammation Mannan-bindendes-Lektin-Weg o bindet Mannose auf pathogenen Oberflächen und aktiviert Komplement mittels MBL assoziierten Serinproteasen MASP 1,2,3 o Aktivierung von C1 zu C1s und von da an klassischer Weg über C3-Konvertase SS17 5  Alternativer Aktivierungsweg o spontaner Zerfall der C3 Konvertase in C3a (anaphylatoxisch) und C3b bindet an pathogene Oberfläche, Aktivierung mittels Faktor B und D, Entstehung einer C5 Konvertase auch genannt „C3-Konvertase des alternativen Weges“ Ausgelöste Reaktionen durch C3b-Moleküle: 1. Keine geeignete Oberfläche – Inaktivierung 2. Opsonierung, positive Rückkopplung für alternativen Weg, Phagozytose 3. Spaltung von C5 zu C5a – Anaphylatoxin und C5b – Bildung des Membranangriffkomplexes → C5b bindet C6 und C7, über C7 Bindung an Membran, über Bindung von C8 eindringen in Membran, Polymerisierung über 19 C9 Moleküle → Pore → Lyse 3 Effektorfunktionen: pro-inflammatorisch lytische Aktivität (Auflösen) Opsonierung (Markierung) Lytische Aktivität: durch angreifenden Komplement-Komplex aus C9-Multimeren in Membran von Erregern SS17 6  Proinflammatorische Mediatoren: o Wenn Spaltprodukte C3a, C4a, C5a auftreten → Bindung an Endothelzellen → Auflockerung der Bindung von Endothelzellen → Austritt von Immunglobulinen möglich o C3a, C4a, C5a als proinflammatorische Mediatoren, Anaphylatoxine o Lokale Entzündungsreaktion o Bindung an Komplementrezeptoren der basophilen Granulozyten → Freisetzung bon Histamin, Heparin und Leukotrien etc. o C3b: Bindung an Komplementrezeptoren von Phagozyten, Opsonierung, Bildung des MAKs SS17 7  Opsonierung: Kollektine o Antigen-Erkennungsprinzip o MBL (Mannan-bind. Lektin) bindet mit hoher Affinität Mannose & Fukose Resten auf Pathogenen (auf unseren Körpereigenen Zellen anderer Abstand der Mannose & Fukose Reste) o „Ante-Antikörper“ ▪ Homotrimere, die zu langen Oligomeren geformt sind → multimerische Bindungsstellen ▪ Hohe Avidität (10-6 M – 10-10 M) o Erkennen Kohlenhydrate o Komplementaktivierung: MBL-associated serine proteases (MASP-1 und -2) o Gehören zu den Akute Phase Proteinen SS17 8 Akute Phase Proteine Nach Kontakt mit Bakterien sezernieren Makrophagen u.a. IL-6 SS17 9  Hepatozyten antworten auf IL-6 mit der Sekretiion von akute Phase Proteinen = antibakterielle Proteine C-reaktives Protein (CRP) o Bindet Phosphorylcholin auf Bakterienoberfläche o Fördert Phagozytose o Aktiviert Komplement Serum amyloid Protein (homolog zu CRP) Mannose bindendes Protein o Opsoniert; aktiviert Komplement Sekretion von Laktoferrin durch Neutrophile o Bindung von Eisen im Blut, Aufnahme in die Leber → entzieht Bakterien Eisen Defekte oder Mangel an Komplementfaktoren oder – regulatoren: Erkrankungen Beispiele C1-Inhibitor-Mangel o Überschießende Komplementreaktionen o Angioödeme; durch übermäßige Generierung der Anaphylatoxine C3a, C5a: Schwellung von Haut, Atemwegen, Darm C3-Defizienz: rezidivierende bakterielle Infektionen C1q, C2, C4 Defizienzen o Immunkomplexerkrankungen, da Komplement zur Clearance von Immunkomplexen beiträgt (kongenitaler C1q-Mangel ist stärkster genetischer Risikofaktor für systemischen Lupus erythematodes) Molekulare Immuntherapie Paroxysmale nächtliche Hämoglobinurie (PNH) o Pathogenese: erworbene Mutation im Synthesewegs des GPI (Gycosylphosohatidylinositol) Ankers (auf Blutzellen): verankerte Proteine könne nicht auf Oberfläche von Erys befestigt werden o →Complement bindet an Zellen, die zu wenig GPI-verankerte Oberflächenproteine haben (pathogene Oberfläche!) → Generierung eines Membran-Angriff-Komplexes o Therapie: Blockade von C5 mit gentechnisch optimiertem monoklonalen AK Eculizumab o KI/UAW: ▪ Allergie gegen Mausproteine ▪ V.a. Infektion mit Neisseria meningitidis Zell-autonome Immunität Vor allem Früherkennung intrazellulärer Erreger durch NOD-like receptors (NLR) NOD: Nucleotide-binding Oligomerization Domain → erkennt Pathogen-associates molecular patterns (PAMP) NOD1 +2 erkennen Peptidoglykane (in äußerer Zellwand) → Ziel: Produktion von proinflammatorischen Zytokinen SS17 10  Später gefundene NLRPs: Erkennen auch körpereigene Substanzen (Gichtkristalle, ATP), die nicht am richtigen Ort sind! → Erkennung zellulärer Schäden! Physiologische Moleküle können bei Freisetzung aus ihrem physiologischen Kompartiment als Alarmzeichen fungieren: danger/damage associated molecular patterns (DAMP) wichtige Beispiele für DAMP o HMGB1 (high mobility group box 1); Chromatin-assoziiertes Molekül o DNA und RNA o Purin-Metaboliten (ATP, Adenosin, Harnsäure) Caspase-1 (altes Synonym: Interleukin-1-Converting- Enzyme ICE) Inflammasomen als entscheidender Alarmgeber Interleukin-1 (IL-1) ist als inaktives pro-IL-1 vorhanden Inaktives pro-Caspase-1 Converting Enzyme (ICE/altes Synonym: pro-Interleukin-1) vorhanden Bindung von DAMP oder PAMP an NRL: aktiviert Inflammasomen o Durch Rekrutierung über ASC (Adaptermolekül) und Multimerisierung wird Caspase 1 aktiviert ▪ ASC in nicht-akt. Zelle: homogen im Zytoplasma ▪ NRL-getriggerte Zelle: ASC-haltiger Klumpen o Caspase 1 → Prozessierung von IL-1 o Sekretion durch Plasmamebran SS17 11  o Abgeben eines Pro-inflammatorisches Signal in die Umgebung → Abwehrzellen (Makrophagen, Granulozyten) kommen, „Hilferuf der Zelle“ Beispiel Gicht: frustrane Phagozytose von Uratkristallen (MSU), reaktive Sauerstoffspezies via NADPH Oxidase → oxidativer Stress setzt Liganden frei, die an Leucin-reiche Regionen von NLRP3 binden → Inflammasombildung → Aktivierung Caspase-1 RIG-I-Like Receptors (RLR) – spez. Rezeptoren zur Erkennung von Viren RIG-I (Retinoic acid Inducible Gene I) Familie von 3 Helicasen o RIG-I o MDA-5 (melanoma differentiation antigen 5) o LGP2 (Laboratory of genetics and physiology 2 ) Detektieren RNA-Intermediate, die in Säugerzellen nicht vorkommen Aktivieren die Synthese und Sekretion von Typ I Interferon SS17 12  Effekte von Interferonen: o Aktivieren parakrin & autokrin virusinfizierter & nichtinfizierter Zellen zur Synthese von >300 antiviralen Proteinen, die ▪ Virale & zelluläre RNA abbauen (z.b. IFN) ▪ (weitere) Proteinsynthese hemmen ▪ Synthese von MHC-Klasse-I-Molekülen & Proteasomen induzieren o Sehr effektiver antiviraler Schutzstatus! Wie kann es trotzdem zu Virusinfektionen kommen? o Viele Viren kodieren für immunregulatorische Proteine, die das Interferon- System auf mehreren Ebenen effektiv blockieren SS17 13 Zellen des angeborenen Immunsystems Makrophagen: Wächter vor Ort Patroullieren direkt vor Ort Namen abh. vom Gewebe o Haut: Langerhanszellen o Gehirn: Mikroglia o Leber: Kupfer-Zelle o Knochen: Osteoklast Hauptfunktionen o Erkennen: Unterscheidung von fremd und eigen ▪ Durch Mustererkennungs-Rezeptoren (PRR) wie z.B. Toll-like receptors (TLRs), NOD-like receptors (NLRs), Fc-Rezeptoren, Komplement-Rezeptoren … ▪ anhand von PAMPs: TLR in Membran (außerhalb Zelle) erkennen Bestandteile der Zellwand, Flagellen und RNA/DNA Aufbau, oder im Zytosol der Zelle DAMPs (=Alarmine, körpereigene Moleküle, die am falschen Ort sind z.B. durch Zellschädigung, lyt. Zelltod freigesetzte Cytoplasmabestandteile): ATP, DNA, RNA, IL-3alpha; auch an nicht-infektiösen Entzündungsreaktionen beteiligt (Arthritis, SLE, M.P., Alzheimer) Opsoninen (Komplement- bzw. Antikörper-Bedeckung) ▪ konserviert: evolutionär optimiert, daher auch nicht anpassbar, keine spez. Erkennung einzelner Pathogene, sondern von konservierten Mustern o Abtöten ▪ Phagocytose: Pathogen wird von Plasmamembran umschlossen und in Vesikel in Zelle aufgenommen (=Phagosom) → fusioniert mit Lysosom → Phago-Lysosom baut ab & verdaut Pathogene durch Ansäuern Generierung reaktiver O2-Spezies (z.B. H2O2, HOCl) von NADPH-Oxidasen reaktive Stickstoffspezies (NO, NO2) antimikrobielle Peptide Enzyme z.B. Lysozym, saure Hydrolasen kompetitive Liganden z.B. Abfangen von Fe, Vit. B12 o Koordinieren, Hilfe holen und Wiederholung verhindern ▪ 5 Kardinalsymptome: Entzündungsreaktion ▪ Hitze, Rötung: Ursache: lokale Vergrößerung des Gefäßdurchmessers → erhöhter Blutfluss, geringere Fließgeschwindigkeit Funktion: vermehrte Anlieferung von Effektormolekülen aus dem Blut (z.B. Komplement, Antikörper …), erleichterte Extravasation von Immunzellen aus dem Blut (=Diapedese) ▪ Schwellung SS17 14  Ursache: erhöhte Permeabilität des Endothels → Flüssigkeitseinstrom aus dem Blut ins Gewebe → Ödem Funktion: Einstrom von Effektormolekülen (z.B. Komplement, Antikörper) aus dem Blut ins Gewebe, erhöhter Lymphfluss ▪ Schmerz, Funktionsverlust Ursache: Histamin (Jucken, Schmerz), Bradykinin (Schmerz), Ödem Funktion: Aufmerksamkeit auf Infektionsherd lenken, Schonung zur Förderung der Heilung und zur Abschottung um eine Ausbreitung der Infektion ins Blut zu verhindern (auch durch lokale Blutgerinnung) ▪ Alarmsignal = Cytokine Sehr kleine Proteine Sehr viele verschiedene Va. von Immunzellen produziert Wirken zumeist parakrin Wirken über spez. Rezeptoren (nur Zellen mit diesem Rezeptoren reagieren) Immunmodulatorische Wirkung → steuern IS! (Aktivierung, Inaktivierung, Differenzierung, Proliferation, Rekrutierung) 5 Untergruppen Tumornekrosefaktor (TNF) o Gebildet von Makrophagen o Praktisch jede Zelle reagiert auf TNF (allerdings sehr unterschiedlich) o Einer der wichtigsten Entzündungsmediatoren und Induktion von Zelltod o Dysregulation: zuviel → Schock-ähnliche Symptome, zu lang → Kachexie; auch CED, Alzheimer Interleukine o Dienen v.a. der Kommunikation zw. Immunzellen z.B. IL1ß, IL-6 Interferone o V.a. gegen intrazelluläre Pathogene und Tumore, z.B. IFN-ß, IFN-y Chemokine o Chemische Lockstoffe für Immunzellen → Chemotaxis, z.B. IL-8, CCL-2 Kolonie-stimulierende Faktoren o Wachstumsfaktoren für Leukozyten, z.B. G-CSF (mehr Granulozyten), GM-CSF (mehr Neutrophile, „Notfall- Granulopoese“) ▪ TNF, IL-1ß und IL-6: Masterregulatoren der Entzündungsreaktion Hypothalamus: erhöhte Körpertemperatur Fett, Muskeln: Mobilisierung von Proteinen und Energie für die Erhöhung der Körpertemperatur SS17 15  → Fieber ist gut: verringerte Replikation von Viren und Bakterien, schnellere Antigenprozessierung, verstärkte spez. Immunantwort KM, Endothel: Mobilisierung von Neutrophilen → Phagozytose (mehr Leukozyten im BB) Leber: Akute-Phase-Proteine (CRP, mannosebindendes Lektin) → Komplementaktivierung, Opsonierung (erhöhter CRP-Wert im BB) Gewebe, Blut: Aktivierung von Phagozyten → verbesserte Elimination ▪ Überschuss an Cytokinen: Sepsis Immer die Folge einer Infektion Meist eine Bakteriämie, d.h. systemische Ausbreitung der Infektion Überschießende syst. Immunreaktion (Cytokinsturm) SIRS ➜ Sudden Inflammatory Response Syndrome o Nicht nur proinflammatorische Cytokine wie TNF & ILß, CARS ➜ Compensatorx Anti-inflammatory (→SIRS) sondern auch anti-inflammatorische Cytokine Response Syndrome wie IL-10, IL-4 (→ CARS) Schädigt eigenes Gewebe und Organe, da unterversorgt v.a. durch Kreislaufversagen Septischer Schock: Kreislauf nicht mehr ohne Vasopressor- Gabe aufrechterhaltbar Behandlung: o RR stabilisieren o Breitspektrum-AB (Ursache beseitigen!) o Sterberate 10-60% (trotz Behandlung) ▪ Veränderung unsere IS mit Alter: Inflammaging Niederschwellige, chron., systemische Entzündung, aber größtenteils asymptomatisch Weniger native B- und T-Zellen, Aktivität verringert, bei glz. erhöhter Produktion von proinflammatorischen Zytokinen Bei Infektion: stärkere Vermehrung des Virus → noch stärkere Entzündungsreaktion → noch stärkere Inflammation mit Flüssigkeitseinstrom in das Lungengewebe (häufig Tod) ▪ Wiederholung verhindern: AG-Präsentation SS17 16 Antigenpräsentation Definition Antigene sind Moleküle, die an Antikörper oder spezifische Lymphozyten-Rezeptoren binden Immunogene sind Moleküle, die eine adaptive Immunantwort induzieren (ein Immunogen ist zwingend ein Antigen) Fähigkeiten einer vollständig aktivierten antigenspezifischen CD8+ T- Zelle „kiss of death“ eines CTL (cytotoxische T-Lymphozyt, T-Killerzellen) → Apoptose → Aktivierung von T-Zellen muss stringent kontrolliert werden! Sonst Autoimmun- Krise! Beispiel für eine häufige Erkrankung, die durch unkontrollierte, selbst-reaktive T- Zellen verursacht werden o Diabetes mellitus Typ I ▪ Mutmaßlich vorausgehende virale Erkrankung: Rotaviren? ▪ Es entwickeln sich CD8+ T-Zellen, die Erreger abtöten ▪ T-Zellen finden in Beta-Zellen ähnliche Substanzen zu einer viralen Struktur → selektive Zerstörung der Beta-Zellen Utermöhlen. SS17 1 Der kontrollierte Ablauf der T-Zell-Aktivierung in der Peripherie hat eine „Antigen präsentierende Zelle“ (APC), z.B. dendritische/Langerhans Zelle Kontakt mit Erreger (Erkennung über TLR) Migration der dendritischen Zelle zum nächsten drainierenden Lymphknoten (Parakortex) Ort der Aktivierung von T-Zellen: Parakortex der Lymphknoten Maturation der dendritischen Zellen (dann mit CD80, CD86 → gereifte Zelle) Erkennung einer T-Zelle, ob eine andere Zelle (dendritische Zelle) infiziert ist T-Zellen können mit dem T-Zellrezeptor Antigene (Proteine) nur dann erkennen, wenn Antigenfragmente in Verbindung mit einem major histocompatibility complex (MHC) Molekül auf der infizierten (dendritischen) Zelle präsentiert werden!!! → Antigenpräsentation Dendritische Zelle ist infiziert und hat auf der Oberflüche MHC-Moleküle MHC als „Präsentierteller“ Subzelluläre Lokalisation von Infektionserregern: Zytoplasma, Vakuole MHC Klasse I und Klasse II Moleküle präsentieren Antigene aus zwei verschiedene Zellkompartimenten MHC I: endogene/zytosolische AG (zelleigen); auf allen Körperzellen Utermöhlen. SS17 2  o Antigenquelle: Viren, im Zytosol lebende Bakterien MHC II: exogene AG, nur auf APC o Antigenquelle: Bakterien, Parasiten, Proteine, etc. Utermöhlen. SS17 3 Präsentation endogener Antigene – MHC I Beginn: im Zytoplasma gelegen Proteine (zelleigen (gealtert, denaturiert) oder viral) werden in Proteasom eingefädelt & dort geschreddert Produkt des Proteasom: 8 – 10 Aminosäuren lange Peptide Peptidtransporter (TAP) sind in die Endoplasmatisches Retikulum-Membran integriert → nehmen „geschredderte“ Proteine auf und schleusen sie ins ER ein MHC-Moleküle im ER nehmen Proteine auf und wandern auf die Zelloberfläche → präsentieren zerlegte Proteine CD8+ T-Zellen CD8+ T-Zellen erkennen nur die Kombination aus MHC-Molekül und Peptid Präsentation exogener Antigene – MHC II MHC II nur auf professionellen APC (z.B. dendritischen Zellen, B-Zelle, Makrophagen) Aufnahme exogenes Antigen (durch Endozytose, Phagozytose) in Phagosomen, Endosomen → dort proteolytische Zerlegung (in 12-20 AS lange Peptide) Phagosomen fusioniert mit Endosom (mit frischen MHC II Molekülen) Wenn Transport-Endosom mit Phagosom + Peptidinhalt (sauer) fusioniert → Ansäuerung → invariente Kette (=CUP, Bindeblockade, damit MCH II nicht im ER mit Peptiden aus dem Klasse I Weg belegt wird) des MHC II Moleküls wird abgespalten (durch Ansäuerung), fliegt aus der Kette des MHC-II Moleküls raus → Bindungsstelle wird frei für Peptide → durch Endozytose gelangt Komplex nach außen Antigenprozessierung durch die sauren lysosomalen Hydrolasen im Phago-Lysosom → Produkt: 12 – 20 Aminosäuren lange Peptide T-Zelle die MHC II Komplex erkennen müssen die Kombination aus Rezeptor (MHC II) und Peptid erkennen Utermöhlen. SS17 4 Utermöhlen. SS17 5 Herkunft des Antigens: Intrazellulär oder extrazellulär? Entscheidet über Antigenprozessierungs-Pfad o Intrazellulär: Endogen → MHC I o Extrazellulär: Exogen → MHC II Entscheidet über Aktivierung der zuständigen Effektorzellen o Intrazellulär/MHC I: CD8+ zytotoxische T-Zellen o Extrazellulär/MHC II: CD4+ Helfer T-Zellen Der T-Zell Rezeptorkomplex Nur Antigenerkennungsmoleküle sind nicht funktional T-Zell-Rezeptor ist mit Alpha- und Beta-Kette in der Membran verankert → kaum zytologischer Anteil → kann keine Strukturen binden/erkennen Hilfsmoleküle (CD3-Komplex): größerer zytoplasmatischer Anteil → Erkennung von Signalstrukturen Utermöhlen. SS17 6 T-Zell-Aktivierung 1. Signal: naive T-Zelle (nicht aktiviert) erkennt Antigen via T-Zellrezeptor Folge: Inaktivierung/Anergie der T-Zelle Nicht jede MHC-exprimierende Körperzelle darf eine Immunantwort induzieren!! → sonst würden zelluläre Immunreaktionen, inklusive Autoimmunreaktion, annähernd unkontrolliert angestoßen Utermöhlen. SS17 7 Vollständige Aktivierung naiver T-Zellen (APC) APC (z.B. dendritische Zellen): können Aktivierung einer T-Zelle „freischalten“ o Erkennung der Spezifität eines Antigens o Haben beide MHC-Moleküle (I und II) o Können Antigene präsentieren o Zusatzfunktion: Co-stimulatorische Moleküle → CD80, CD86 1. Aktivierungssignal (MHC II + TCR) Expansion, 2. Überlebenssignal (CD80,86 + CD28) Reifung, Ausübung 3. Differenzierungssignal (lösl. Cytokine → Pilze, Viren?) Immunfunktionen → eine naive T-Zelle (die aus dem Thymus kommt) kann nur aktiviert werden, wenn sie alle 3 Signale (fast synchron) erhält →naive T-Zelle ist unbewaffnet, bis zum Zeitpunkt der Aktivierung → Nicht jede MHC-exprimierende Körperzelle kann/darf eine antigenspezifische Immunantwort induzieren. → nur professionelle antigenpräsentierende Zellen (APC) können und dürfen ruhende, naive T-Zellen aktivieren Utermöhlen. SS17 8 Therapeutische/prophylaktische Ansätze Alefacept – Blockade von CD2 auf T-Zellen Schwächt/unterbindet T-Zell Interaktion mit APC Bei mäßiger bis schwerer Psoriasis mit Plaque-Bildung, bei akuter Graft-versus-Host- Disease, Grad 4 Warum nicht in Europa zugelassen? o Immunsuppression o Gest. Infektgefahr o Tumorentstehung o Allergien CTLA-4 (cytotoxic T-Lymphocyte Antigen 4) – ein inhibitorischer Rezeptor für B-7 (= CD80/CD86 auf APC) CTLA-4 soll T-Lymphozyt wieder herunterregulieren nach Aktivierung der Immunantwort → Bremse des Immunsystems! Blockade von CTLA-4 mit Ipilimumab: verstärkte/verlängerte Immunantwort (T-Zell Proliferation) durch costimulatorische positive Wirkung von B7 & CD28 Einsatz z.B bei malignem Melanom mit Neoantigenen (lösen nur leichte Immunantwort aus) Ipilimumab-Infusion: 3 mg/kg KG, alle 3 Wochen, 4 Zyklen, voll humanisiert Konzept der Tumor-Immuntherapie mit „immune checkpoint inhibitors“ Target entweder T-Zelle oder Tumor-Zelle Verhindern Tumor-Zell- mit T-Zell-Bindung und nachfolgender Inaktivierung T-Zell-Aktivierung durch Superantigene Superantigene o Sehr stabile, 20-30 kDa große Proteine o Unprozessierte Bindung als Brücke zwischen MHC II und TCR o Unspezifische Aktivierung von 5-20% aller T-Zellen o (fast) unkontrollierte Zytokin-Ausschüttung → be- oder verh-hindert gezielte Immunabwehr Utermöhlen. SS17 9  o Beispiele ▪ Staph. Aureus: Staphylokokken-Enterotoxine A und B (SEA, SEB): Lebensmittelvergiftung Toxic shock syndrom toxin (TSST, Tampons!) → IL-1, TNF → Schock ▪ Streptococcus pyogenes Streptokokken pyogenes Exotoxin (SPE) Ziel der Aktivierung von T-Zellen o Proliferation, um die Anzahl antigen-spezifischer T-Zellen schnell zu steigern (primär reagiert nur etwa 1 von 1.000.000 T-Zellen auf ein Peptid) o und Reifung von Effektorfunktionen o Durch Koordination und Verstärkung der hierfür benötigten Prozesse durch Zytokine ▪ Hormonartige Polypeptide, die die zelluläre Replikation, Differenzierung oder Aktivierung bei Abwehr- oder Reparaturvorgängen regulieren ▪ Kleine, lösl. Moleküle, etwa 100-250 AA, 25 kDa ▪ Binden an spez. Rezeptoren ▪ Autokrin/parakrin/(manche endokrin) ▪ Bsp. IL-10 (inhibitorisches Zytokin): führt bei Fehlen im Tiermodell zu einer chronischen Enteritis (IBD) ▪ Bsp. Kutane Leishmaniose: im Experiment ohne IFN-y exp. Zunahme der Läsionen, mit IFN-y wird Infektionsgeschehen im GG gehalten ▪ Bsp. IL-2: Proliferationsfaktor für T-Zellen, akt. T-Zelle : vermehrte Produktion von IL-2 und vermehrte hochaffine IL-2-Rezeptoren → Verstärkereffekt („autokrine Schleife“) Utermöhlen. SS17 10  ▪ Bsp. IL-12: Induktion zellulärer Immunantworten (T-Zell-Antwort) gegen intrazelluläre Infektionserreger Als „3.Signal“ → naive T-Zelle (T-H-0-Zelle) wird zur Typ1- Helferzelle (produzieren selber IFN-y und TNF) → besonders gut für zellvermittelte Immunreaktion gegen intrazelluläre Erreger ▪ Spezifische Zytokinmuster einer Person bei einer aktuellen Immunreaktion ist abh. von Art und Menge des Antigens, Stärke der Antigenbindung, genetischer Konstitution, Immunstatus, Infektionserreger!!! Lernziele Voraussetzungen der Aktivierung naiver T-Zellen besondere Bedeutung professionell antigen- präsentierender Zellen Prinzip der TCR-vermittelten Aktivierung von T-Zellen Superantigene: Wirkprinzip, klinische Bedeutung Zytokine (Definition; wichtige Beispiele; klinische Beispiele) Klinische Beispiele für molekulare Therapieansätze in der Antigen-Präsentation und T-Zell-Aktivierung Utermöhlen. SS17 11 Zelluläre Immunität – T-Lymphozyten Effektormechanismen von akt.T-Zellen Pathogene im Cytosol: MHC I und CD8-T-Zellen Differenzierung zu CTL → Direkte Zerstörung infizierter oder alterierter Zellen Ablauf bei Infektion: o 1. Virus-Antigen im Cytosol → Präsentation auf MHC I Zellen & Bindung mit TCR; Verstärkung des Signals durch CD8 o 2. Ergebnis: zytotox. Lymphozyten bzw. T-Killer: enthalten zytotox. Granula (Perforin, Granzyme), Rezeptoren CD95L (FasL), Adhäsionsmoleküle, Zytokine (INF-y) Reife T-Zellen: brauchen keine Costimulation; APC „lizensieren“ T-Lymphozyten zum Töten  > zu naiven T-Zellen: brauchen 3 Signale zur Aktivierung → dann Differenzierung Aktive zytotox. CD8+ T-Zellen können seriell eine große Anzahl infizierter Zielzellen töten (10-100 Zellen) Zelltod durch Ausschüttung von zytotox. Granula in infizierte Zellen Wirkung der Effektormoleküle im Detail 1. Effektormechanismus o Bildung von Perforin-Poren ▪ Poren ca. 16 nm breit o Einschleusung von Granzymen (Serin Proteasen) o Aktivieren Apoptose über eine Caspase-Kaskade im Zytosol der Zielzelle ▪ Direkte Caspase-3 Aktivierung ▪ Zusätzl. durch die Aktivierung von proaptotischen Proteinen Zerstörung der Mitochondrien 2. Effektormechanismus o Ausschüttung von Zytokinen o CTLs sezernieren TNF-a und INF-y ▪ TNF: wirkt zytotoxisch ▪ IFN-y induziert Antigenpräsentation und erhöht MHC-Dichte 3. Effektormechanismus: o Exprimierung des Fas-Liganden auf aktivierten CTLs o Fas Ligand bindet an Fas Rezeptor (CD95) auf inf. Zelle – Aktivierung von Caspasen- Kaskade o Apoptose Ergebnis: „Kiss of death“ Klausurfrage: Wozu dienen MHC I- Moleküle der Nicht-APC? – Präsentation von AG der intrazellulären Erreger (z.B. Viren) an die CTLs Intrazelluläre Pathogene – MHC II und CD4-T-Zellen Differenzierung zu Th1 → Aktivierung von Makrophagen durch Sekretion von Th1-Zytokinen (Interferon-y, TNF etc.) Differenzierungssignal! → Bildung von Teilmengen (Subsets)  Nach Aktivierung, Proliferation und Reifung → treffen inf. Zellen (meist Phagozyten) → TH1 produzieren viel IFN-y → Aktivierung von Makrophagen → produzieren ROS, NO, Antimikrobielle Peptide und zusätzl. IL-12 & Expression von MHC → Verstärkung der Th1 Differenzierung und Effektorfunktion CD4+ TH Zellen Polarisierung kann Bakterien eindämmen oder ihre Verbreitung begünstigen! (je nachdem ob Th1 oder Th2), Bsp. Unterschiedliche Formen der Lepra Effektormechanismen von TH1 Zelluläre Immuntherapie (CAR-T Zellen) Kurzschließen der drei Signalwege? Antigenerkennender Teil → Antikörperfragment (erkennt natives Antigen, nicht in MHC Kontext) Voraussetzungen o Tumorzellen müssen ein Antigen an der Oberfläche exprimieren o Spezifischer monoklonale Antikörper o Aminosäure Sequenz von MoAK bekannt →cDNA von CAR-T-Rezeptor kodiert wird in viralen Vektor kloniert und verpackt  Mechanismus Indikation: o B-Zell akute lymphoblastische Leukämie o Diffuses großzelliges B-Zell-Lymphom o B-Zell Tumoren → CD19 (B-Zellen Marker) → CAR erkennt CD19 Ergebnisse o >80% Ansprechrate o >50% komplette Remission o Überlebenszeit: >17 Monate, teilweise Langzeitremission o Ohne Therapie 4-5 Monate Überleben Schwere Nebenwirkungen o B-Zelöen sind lebenslang depletiert o Cytokine Release Syndrome Cytokine Release Syndrom/ „Zytokinsturm“ Systemisches inflammatorisches Response-Syndrom (SIRS) Wenn: Große Anzahl der Leukozyten aktiviert werden Freisetzung proinflammatorischer Zytokine →Positive Feedbackschleife!! Zytokine Hormonartige Polypeptide, die die zelluläre Replikation, Differenzierung oder Aktivierung bei Abwehr- oder Reparaturvorgängen regulieren Wirkung: autokrin/parakrin Funktion o Pro-inflammatorisch: IL-1, TNF, Il-6, IL-8, (INF-y) o Anti-inflammatorisch: IL-10, TGF-ß o Antiviral: INF-a, INF-ß o Wachstum und Differenzierung von Immunzellen: IL-2, IL-12, IL-4, IL-5, INF-y Ätiologie des CRS: bei Immuntherapie 1. Z.B. bei Einsatz von Checkpoint-Inhibitoren: AK blockieren inhibierende Co-Rezeptoren an T-Zellen (z.B. PD-1) oder stimulieren aktivierende Co-Rezeptoren (CD28) → starke Aktivierung der T-Zellen 2. Car-T-Zellen – bi-spezifische Antikörper 3. Monoklonale Antikörper gegen T und B-Zellen: immunsuppressiv oder anti-tumor- Antikörper Außerdem: Superantigene, Hämophagozytische Lymphohistiozytose, virale Infektionen Pathogenese T-Lymphozyten Aktivierung → massive Ausschüttung von Zytokinen insb. IFN-y und TNF-a → syst. Verteilung → Aktivierung extrem großer Anzahl von Makrophagen → Produktion weitere proinflammatorische Zyotkine insb. IL-6 → weitere T-Lymphozyten Aktivierung → weitere IFN-y & TNF-a Ausschüttung Positive Feedbackschleife!! → lawinenartige Aktivierung von T-zellen, Monozyten/Makrophagen Makrophagen: Produktion weitere Chemokine → Aktivierung weiterer Zellen Weitere Pathogenese = SIRS Pathogenese Sezernierte Mediatoren → wirken disseminiert an vielen Organen Zytokine insb. IL-6 wirken am Gefäßendothel (Vasodilatation!) → Volumenverlust, DIC ➜ Disseminierte Intravasale Hypoxämie, Ödeme + erhöhte Koagulation (worst case: DIC) Koagulopathie Von Makrophagen sezernierte Stoffe (z.B. NO) wirken synergistisch mit Zytokinen Final: Multiorganversagen Symptome Fieber, Abgeschlagenheit Myalgie, Arthralgie Kardiovaskulär: Tachykardie, RR-Abfall Pulmonell: Tachypnoe, Hypoxie BB: Cytopenie, Coagulopathie Neuronal: Kopfschmerzen, Verwirrtheit Sepsis vs. CRS (beide SIRS) Initiale Ursache: o Sepsis: bakterielle Infektion, Endotoxin o CRS: Immunotherapie (Virale Infektion) Treibende Zellen:  o Spesis: Makrophagen Aktivierung durch PAMPs o CRS: Makrophagen Aktivierung durch INF-g Therapie o Sepsis: Antibiotikatherapie (CAVE: Endotoxinfreisetzung) o CRS: Anti IL-6 Antikörper, Kortikosteroide (CAVE: Virale Infektionen) Lernziele Voraussetzungen und Ablauf der Aktivierung naiver T-Zellen besondere Bedeutung professionell antigen- präsentierender Zellen Pfade der Antigenprozessierung und –präsentation Prinzip der TCR-vermittelten Aktivierung von T-Zellen Prinzip der Superantigen-vermittelten T-Zell-Aktivierung Zytokine (Definition; wichtige Beispiele; klinische Beispiele) zellvermittelte Immunreaktionen: welche Zellen? o welche Erreger? o Effektormechanismen Unterschiede Th1 – Th2 Zellen: z. B. für welche Immunantworten zuständig?; wodurch reguliert? Beispiele für die Möglichkeiten immuntherapeutischer Eingriffe Humorale Immunität – B-Zellen B – Zellen: Antikörper/Immunoglobuline  Funktion: Phagozytose, Lyse, Neutralisation Inhalt  Wie läuft die humorale Immunantwort (adaptiv) auf ein Antigen ab?  Beispiele für Antikörper im klinischen Alltag  Warum wichtig? o Antikörper sind vermutlich das, was in der Bevölkerung so gern geheimnisvoll als „Abwehrstoffe“ bezeichnet wird o Sie sollen wissen, was sich dahinter verbirgt und welche Leistungen Sie von Antikörpern erwarten können  Vorgehen: Wir folgen dem Lebensweg einer B-Zelle Hämatopoetisches System Utermöhlen, SS17 1 Prinzip der humoralen Immunantwort Es geht um: Extrazelluläre Microben (z.B. Bacterien) B-Lymphozyten:  Erkennen Antigen über ihre B-Zell-Rezeptoren (BZR)  BZR = membranständige Antikörper  Bindung von Antigen an BZR aktivierte B-Zelle  Differenzierung zu Antikörper sezernierenden Plasmazelle  Effektormechanismen: o Neutralisation o Lyse o Phagozytose Stadien der B-Zell-Entwicklung  Viele Vorstufen (SZ bis reife B-Zelle)  mehrstufig, molekular definierbar!  Entwicklungsstadien sind definiert über o Rearrangement der IgH (Schwerketten) Gene, IgL (Leichtketten) Gene o Expression von membranständigem Ig o Expression von Adhäsionsmolekülen o Expression von Zytokinrezeptoren Utermöhlen, SS17 2 Struktur von Antikörpern  2 leichte Ketten (gelb),  oder , ca. 220 AS +  2 schwere Ketten (grün), , , ,  oder , ca. 440 AS  Zusammenhalt über kovalente Bindungen (Di-Sulfidbrücken)  Und Nicht-kovalente Bindungen (ele. WW, V-d-W-WW)  2 verschiedene B-Zellen können nicht den gleichen Antikörper produzieren!  Bei Immunreaktion klonale Proliferation mehrerer B-Zellen, die aber alle ein wenig etwas anderes erkennen  Antigen-Bindung an Antikörpern ist an sich im Körper irreversibel! Struktur und Funktion von Antikörper  Fab-Teil o Variable Region o Antigen-Bindung o Spezifität (VH, VL)  Fc-Teil: o Konstante Region o Effektor-Funktion Antigen-Bindung durch Antikörper  Schlüssel-Schloss-Prinzip  Bindung nicht-kovalent (H-Brücken, hydrophobe Bindung, van der Waals)  Reversibel  Extrem starke Bindungkräfte!! Beweglichkeit von Antikörpern  AK = Proteine  flexible Substanzen  Entscheidende Voraussetzung für die sterische Anpassung an Antigene Utermöhlen, SS17 3  Antikörpervielfalt  humanes Genom < 105 Gene  verschiedene Antikörperspezifitäten ca. 1015 o 1-Gen-1-Protein-Hypothese veraltet  Variabilität der AK via Kombinatorik o Kombi leichte/schwere Ketten (, /, , , , , ) o VDJ-Rekombination (Keimbahn-Genstruktur der Immunglobulin-Loci als Voraussetzung)  auf Gen Vielzahl von Variablen  von allen möglichen Merkmale verschiedene Ausprägungen und Konstrukte  Zusammenbasteln je nach Kettentyp  Individualisierung der B-Zellen schon auf DNA-Ebene in der Entwicklung DNA-Rearrangement Anzahl der Variationen durch VDJ-Rek. Utermöhlen, SS17 4 B-Zellentwicklung bis hier ohne jeglichen Antigenkontakt  Spontanes Rearrangement der Ig-Gensegmente  Expression eines individuellen Ig pro Zelle o Ig wird nicht sezerniert o Ig in Plasmamembran inseriert als BZR (B-Zell-Rezeptor)  zum Erkennen des spez. Ag o Ig assoziiert mit Transmembranproteinen zur Signaltransduktion  ohne Antigenkontakt: B-Zellen rezirkulieren ständig durch die lymphatischen Organe  Erst durch Kontakt mit Antigen wird die B-Zelle aktiviert, um nun vollständig auszureifen zur Effektorzelle und die humorale Immunantwort zu tragen  vollständige Ausreifung  humorale Immunabwehr (Antigen = etwas das an B-Zelle bindet) Utermöhlen, SS17 5 B-Zell-Rezeptor (BZR) Welche Art von Antigenen erkennen BZR?  Prinzipiell alle Makromoleküle: Proteine, Polysaccharide, Lipide, Nukleinsäuren  Erkennung als ganzes Molekül, ohne Prozessierung  BZR mit --/--Verankerung  Bivalent/Multivalent: Antigene müssen an mind. 2 Rezeptoren binden (Quervernetzung), erst dann Aktivierung der B-Zellen durch Tyrosin-Kinasen-Signaling Je größer die Bindung, desto heftiger die Reaktion  Quervernetzung der BZR führt zur Aktivierung von B-Zellen Intrazellulären Folgen der BZR-Vernetzung im Überblick Antigen-spezifische B-Zellen Bleiben im Lymphknoten und beginnen zu proliferieren/differenzieren  Antigen wird via afferenter Lymphe in LK gebracht  Keimzentrum: transiente Struktur mit hoher Proliferations- /Differenzierungsaktivität  Aus Keimzentrum werden Plasmazellen entlassen  Produktion von AK Bindung von Antigen an BZR Führt zu  Quervernetzung von BZR Utermöhlen, SS17 6   Signaltransduktionsmoleküle in hoher Dichte auf engem Raum zusammengebracht  Phosphorylierungskaskade  Aktivierung der Transkription von B-Zell-spezifischer Gene  Proliferation und Differenzierung zur Plasmazelle  Produktion und Sekretion von IgM (=Immunglobulin der Erstantwort) Klassen von Antigenen Thymus-unabhängige Ag, Typ I Beispiel: Lipopolysaccharide  Bei hoher Konzentration von LPS als PAMP bindet an den Toll-Like Rezeptor 4 aller B-Zellen  polyklonale Aktivierung  Tl-1 Antigene sind B-Zell Mitogene (Treiber der Proliferation)  Hauptsächlich IgM, begrenzter Klassenwechsel  2000 Antikörper/Sekunde/Zelle! Nach B-Zell-Aktivierung  alles „thymus-unabhängig“ (keine Hilfe von aktivierten T-Zellen nötig)  Beispiel: LPS bindet an TLR4 aller B-Zellen o Polyklonal und/oder an spezifische Rezeptoren mit PAMP-Anteilen o Alle und jede B-Zellen kann LPS erkennen! o Die B-Zelle mit dem passenden Rezeptor, dann die spezifische Antikörper- Reaktion zusätzlich  hochdramatische Reaktion des Körpers auf LPS = Thymus-unabhängige Ag Typ ! Utermöhlen, SS17 7   spezifisch bindende B-Zelle proliferiert  nimmt LPS auf  spezifische Reaktion, nur IgM als löslichen AK produziert Thymus-abhängige Ag, Typ II Beispiel: Kapselpolysaccharide mit hochrepetitiver Struktur  Ausschließlich IgM Produktion  Viele BZR gleichzeitig vernetzt  Gram-negative Bakterien mit „Schleimhülle“ und geometrisch aufgebauten Viren Utermöhlen, SS17 8 B-Zellen außer IgM Wie können B-Zellen veranlasst werden, über IgM hinausgehend IgG, IgA, IgE zu produzieren?  Durch CD4+ T-Helferzellen  helfen B-Zellen mehr & bessere Antikörper zu produzieren  Bindet nur B-Zelle an Antigen IgM (Phagozytose, Antigenprozessierung)  Zusammen Aktivierung durch CD4+ T-Helferzellen  CD4 produzieren Zytokine  in B-Zelle umschalten von IgG auf IgG/E/A (wenn Antigenpräsentation auf MHC II)  B-Zellen = professionell antigenpräsentierende Zellen und aktivieren so die von ihnen selbst benötigten Th-Zellen o B-Zelle bindet Antigen  Quervernetzung  Endozytose  Phagozytose o auf MHC II Oberfläche exprimiert  CD4+-Helferzelle bindet (und co- stimuliert) aktivierte B-Zellen (MHC II, da exogenes Antigen) Utermöhlen, SS17 9  (aktiviert die von ihnen selbst benötigten T-Helferzellen)  perfekte individuelle Hilfe Aufnahme, Prozessierung und Präsentation von Antigen in B-Zellen  B-Zellen aktivieren antigenspezifische T-Helferzellen, die wiederum B-Zellen zur Proliferation und Reifung aktivieren Antikörper-Klassen Unterschiede in AS-Sequenz der konstanten Region der H-Kette ZYTOKINE IGM IGG3 IGG1 IGG2B IGG2A IGA IGE TH2 IL-4 Inhibiert Inhibiert Induziert Inhibiert induziert IL-5 Produktion  TH1 IFN- Inhibiert induziert Inhibiert induziert Inhibiert IgG2A: vor allem bei Viralen Infekten IgE: bei Allergie Utermöhlen, SS17 10 „Isotype switch“ Wechsel der Antikörper-Klassen  Erstimmunantwort: immer IgM  erstes Produkt der B-Zellen  Wechsel induziert: Zytokine von CD4+ Th Zellen angepasst an Erreger/immunologische Situation  Wenn B-Zell-Aktivierung, dann „umswitchen“ auf andere  IgG, IgA, IgE = „Isotype Switch“  Mechanismus: Rekombination auf DNA-Ebene  weitere Determinierung der B-Zell variablen Region und damit bleibt die Spezifität erhalten o „Looping Out“/Rausschneiden von überflüssigem DNA-Anteil z.B. IgM (blauer Kasten) Kodierung  Die variable Region (durch VDJ Segmente) und damit die Spezifität bleibt erhalten!  Nur Effektorfunktion (Fc-Teil) abgewandelt Eigenschaften der Ig-Subklassen  IgM: Pentamer  IgA: Dimer  IgG, IgD, IgE: Monomere  IgG 2: Monomer, hohes Serumlevel, schlechte Komplement Aktivierung, keine Makrophagen-Bindung  gut wirksam gegen Virus (soll nur am Eindringen in Zelle gehindert werden)  IgG 1, 3: hohe Komplementaktivieurng (Lyse), v.a. gegen Bakterien  IgA1,2: Schleimhautschutz Utermöhlen, SS17 11   IgE: Serumlevel sehr niedrig, aber Körperlevel zum Großteil im Gewebe an Mastzellen gebunden  Antikörper die gut gegen Viren aktiv sind binden nicht Fc-Rezeptor (Makrophagen- Bindung)  Virusaufnahme darf durch das Immunsystem nicht erleichtert werden!  Viren sind in großer Anzahl vorhanden: können nicht alle weggefressen werden Ig-Subklassen Übersicht Diagnostischer Nutzen der Ig-Subklassen  Differenzierung zwischen einer Pertussis-Infektion und einer Impfung o Nur nach der Infektion auf natürlichem Weg gibt es IgA (resp. Bakterium  Infektion der Atemwege)  bei Reexposition Schutz vor Erreger! o Bei Impfung nur IgG  zirkulierende AK im System, bringt aber nix gegen Eindringen des Erregers in Frühphase, nur bei schon manifester Infektion gegen Bakterien & Toxine o Bei florider, akuter Infektion: IgA Antwort, ansonsten IgG (dann anderer Erreger) Utermöhlen, SS17 12 Zusammenfassung: T-Helferzellen steuern über Zytokine die Subtypen, der von B-Zellen produzierten Ig  nach Primärantwort mit IgM  umswitchen auf IgG/E/A Vielfalt der Antikörper  Etwa 1015 verschiedene Antikörperspezifitäten in jedem Menschen  Anzahl der Variationen durch VDJ-Rekombination  Variabilität der Antikörper via Kombimotorik o Kombination leichte/schwere Kette o VDJ-Kombinationen o somatische Hypermutation der B-Zellen: Mutationsrate etwa 105- bis 106-mal höher als sonst (durch unpräzise Polymerase), wird in aktivierten B-Zellen zugelassen  massiv gesteigerte Variabilität und damit bessere Spezifität von Ig der B- Zellen durch die spezifisch in den für die variable AK-Region kodierenden DNA-Abschnitten unpräzise Polymerase = somatische Hypermutation durch unpräzise Polymerase  Somatische Hypermutation o Variationen in den umgeordneten V-Regionen (gehäuft Mutationen in V- Region) Utermöhlen, SS17 13  o Negative und positive Selektion (ist Mutation besser geeignet oder schlechter?)  selektieren! o Waag. Linien = DNA einer Zelle  entweder Expansion bei verbesserter Ag- Bindung oder Absterben bei verschlechterten Ag-Bildung o Bessere Antigenbindung: Affinitätsreifung  Zusammenfassung: somatische Mutation in den variablen Bereichen und anschließende Selektion führt zur Bildung hochaffiner Antikörper (Affinitätsreifung) Rekombinations- und Mutationsaktivität  Der Preis der hohen Rekombinations- und Mutationsaktivität von B-Zellen: Bunter Fächer von B-Zell-Tumor Erkrankungen  B-Zell-Lymphome  Gute individualisierte Therapie durch molekulare Differenzierung (Wo & Wann war der Schaden?) Utermöhlen, SS17 14 Funktion der Antikörper Bekämpfung extrazellulärer Mikroorganismen und derer Toxine  Abwehrleistungen von Antikörpern o Neutralisation durch Antikörper  Ak binden Bindungsstelle der Toxine  Verdauung durch Makrophagen  Bsp.: Tetanus Vakzinierung (aktiv (Tetanus Toxoid), passiv (Hyperimmun Ig))  Bsp.: HBV Vakzinierung  Bsp. Sars Cov 2  Bsp.: Tumor-Immuntherapie mit „immune checkpoint inhibitors“ o Opsonierung  Markierung durch AK  erleichterte Phagozytose durch Makrophagen  Bakterien können über TLR erkannt werden, aber Strategien von Infektionserregern zur Tarnung z.B. mit Schleimbekapselung  Antikörper gegen Kapselpolysaccharide machen Pneumokokken „greifbar“  Abbau durch Makrophagen o Komplement-Aktivierung Utermöhlen, SS17 15   AK binden auf Bakterien  aktiviert über Fc-Teil Komplement  Rekrutierung & Aktivierung  Komplement Poren Tunnel in Bakterien  Lyse/Volllaufen  Tod Immunologisches Gedächtnis  Langlebige B-Gedächtniszellen (eigenes Stadium der B-Zellen, schon früh in der Erregerbekämpfung differenziert)  Quantität Primär- vs. Sekundärantwort o Bei Primärantwort erstmals Antigenantwort, dauert bis Immunantwort eintritt o Sekundärantwort: schnellerer und deutlich höherer Anstieg an Antikörpern  Qualität Primär vs. Sekundärantwort Utermöhlen, SS17 16  o Primärantwort: fast ausschließlich IgM-Antwort, lang genug Antikörper vorhanden: geringer IgG-Anstieg (aber erst spät), Herstellung von Memory-Zellen o Sekundärantwort: schneller hoher IgG-Anstieg, nur wenig IgM (neu angesprochene B-Zellen), wieder Herstellung von Memory-Zellen  Differenzierung Primär- und Sekundärinfektion o Frische Primärinfektion: IgM > IgG  Patient Streuherd? o Frische Sekundärinfektion: IgM < IgG o Länger zurückliegende Infektion (Seronarbe);`: IgG >>> (IgM)  Beispiele der Irreführung o 1. Serologie: Influenza (+), Varizellen (+), Röteln (+) o 2. Serologie: Influenza (+++), Varizellen (+++), Röteln (+++)  Verdacht: infektiöse Mononukleose: unspezifischen Proliferation und polyklonale Aktivierung von Gedächtnis-Zellen durch EBV  bei jeder B-Zell-Antowrt auf ein Antigen werden Gedächtnis-B-Zellen generiert  diese haben eine niedrigere Aktivierungsschwelle als naive B-Zellen, sodass bei Zweitkontakt mit dem Antigen schneller und mehr spezifische Ig produziert werden Antibody-dependent enhancement (ADE) Infektionsverstärkende Antikörper  vorbestehende humorale Immunität kann auch nachteilig sein!  Bsp. Dengue-Virus Infektion o Primärinfektion mit einem spezifischen Serotyp  neutralisierende Ak = erfolgreiche Immunreaktion Utermöhlen, SS17 17  o Sekundärinfektion mit einem anderem Serotyp  nicht optimale Antikörper, zwar Bildung, aber keine Neutralisation  Immunkomplexe werden in Makrophagen aufgenommen, aber dort nicht mehr zerstört, sondern führen nun auch zur Infektion dieser Zellen  wenn Makrophagen Virus in sich aufgenommen haben  Erkennung über TLR  Reaktion proinflammatorisch (IL-1, TNF)  septischer Schock!!! (Dengue-hämorrhagisches Fieber)  Auch bei HIV, vermutlich Zika-Virus, Befürchtung bei Corona-Viren Primärinfektion & Immunologisches Gedächtnis bei SARS-CoV-2  Diagnostik: Detektion von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 - später als PCR positiv - weniger sensitiv als PCR - ? Kreuzreaktion mit Antikörpern gegen andere Corona-Viren  Falsch negativ: zu frühe Testung, noch keine Ak  Falsch positiv: vorherige Corona-Virus-Infektionen Zusammenfassung/Lernziele  extrazelluläre Erreger/Antigene/Toxine als Zielstruktur von Antikörpern  Klassen von B-Zell-Antigenen (unabhängig oder abhängig von Th Zelle)  Reifung von B-Zellen (antigenunabhängige und –abhängige Phase)  B-Zell-Aktivierung  Kooperation von B-Zellen und CD4+ T Helferzellen  Struktur / Funktion von Antikörpern  Mechanismen für Antikörpervielfalt  B-Zell-Gedächtnis Utermöhlen, SS17 18 Autoimmunität – Autoimmunerkrankung  Autoimmunität: spezifische, adaptive Immunantwort gegen Selbst-Antigene  Autoimmunerkrankungen: Zerstörung oder Schädigung körpereigenen Gewebes oder physiologischer Prozesse durch einen Autoimmunprozess Autoimmunität  Autoimmerkrankung  Mechanismen: identisch mit den gegen Infektionserreger gerichteten Mechanismen der schützenden, spezifische Immunität Autoimmunität Bestandteile der Autoimmuität  Genetische Faktoren  Infektionen (Trigger) Immunregulation  Autoimmunerkrankung  Umweltfaktoren Autoimmunerkrankungen  Epidemiologie o Häufig: 5 – 7% der Bevölkerung! o unter den top ten der Todesursachen bei Frauen bis 65 Jahre o deutliche Häufung bei Frauen (Schwangerschaft!) o oft familiäre Häufung  oft chronisch  oft schubweise  Triggereffekte (Stress (UV, psycho, Trauma), Entzündung) können zum Schub oder zur Erstmanifestation führen  Streng lokal (z.B. Hashimoto, Thyreoditis) oder  Systemisch (z.B. systemischer Lupus Erythematodes)  Ursache: Verlust der Toleranz für „Selbst-Antigene“ Utermöhlen, SS17 1 Toleranz  Toleranz: o Unfähigkeit, auf ein Antigen zu reagieren nach Bindung an T/B-Zelle o Toleranz ggü. Selbst-Antigenen ist entscheidendes Charakteristikum des adaptiven Immunsystems  Verlust der Toleranz für „Selbst-Antigene“  Wie wird Toleranz überhaupt etabliert Stufen der Toleranz Toleranz Typ Mechanismus Ort Zentrale Toleranz Deletion Thymus, Knochenmark Antigen Sequestrierung Physische Barriere Blut-Hirn-Schranke: Hirn Auge, etc. Periphere Antigene Inaktivierung durch Sekundäre lymphatische schwaches Signal ohne Co- Organe Stimulus Regulatorische Zellen Suppression durch Zytokine, Sek. Lymphatische Organe, interzelluläres Signal Entzündungsorte „Zytokin-Verschiebung“ Bildung von Th2-Zellen Sek. Lymphatische Organe, verringert Inflammator, Entzündungsorte Zytokine Klonale Deletion Apoptose nach Aktivierung Sek. Lymphatische Organe, Entzündungsorte Zentrale deletionale Toleranz Der „Autoimmune Regulator“ (AIRE) steuert die Expression einiger gewebsspezifischer Antigene im Thymus  Folge: Deletion der entsprechenden autoreaktiven T-Zellen  AIRE (Transkriptionsfaktor) schaltet im Thymus zufällig Gene an, die nur in der Peripherie vorkommen  AIRE wird in Thymus-Epithelzellen der Medulla exprimiert  Defekt von AIRE: autoraktive T-Zellen verlassen den Thymus  Autoimmunreaktion  Autoimmunerkrankung Utermöhlen, SS17 2  Verlust der Toleranz für „Selbst-Antigene“  Überleben autoraktiver Klone (unvollständige negative Selektion im Thymus: Antigen im Thymus nicht exprimiert, nicht korrekt prozessiert oder präsentiert) Beispiel Klausurfrage: Welche Signale benötigt eine naive T-Zelle, um aktiviert zu werden?  MHC + Antigen, Co-Stimulus, Zytokin  Freisetzung sequestrierten Antigens (traumatisch, infektionsbedingt, operativ, etc.) Beispiel: Sympathische Ophthalmopathie (Folge: bilaterale Erblindung) Thymus Peripherie Beispiel: sympathische Opthalmopathie  Periphere Anergie T-Zelle o = Inaktivierung durch schwaches Signal ohne Co-Stimulus o 1.Signal: naive T-Zelle erkennt Antigen via TZR  Inaktivierung der T-Zelle  Umgehung/Überwindung von Anergie o Infektionserreger als Carrier oder Adjuvans (evtl. bei SLE): Pathogen bindet an Selbst-Antigen  Aufnahme von APC  T-Zelle reagiert gegen Selbst-Ag o Kreuzreaktive Antigene: Antigen des Infektionserregers ist körpereigenen Strukturen sehr ähnliche (z.B. bei rheumatischem Fieber)  Post-Streptokkoken Nephritis und Karditis  Anticardiolipin Antikörper bei Syphilis  Korrelation von Klebsiella und ankylosierender Spondylitis o Mangel regulatorischer T-Zellen (bei vielen Autoimmunerkrankungen) Infektionserreger als Carrier/Adjuvans Kreuzreaktive Antigene Mangel regulatorischer T-Zellen Utermöhlen, SS17 3 Th17 Zellen Untereinheit von CD4+ T-Zellen  Pro-inflammatorische Aktivität und Gewebeschädigung bei Autoimmunerkrankungen  Name nach Leitzytokin: IL-17a  Dauerhafte Feuerung inflammatorischer Zytokine  Epitheliale Barriere geht kaputt, Immunzellen Infiltration  chronische Inflammation - Neutrophile  Physiologische Funktion: Anstoß der Abwehr extrazellulärer Bakterien durch Neutrophile  Pathophysiologie: o Durch Suppression von Th1: Erregerpersistenz + chron. Entzündung o Autoimmunerkrankungen Utermöhlen, SS17 4 Effektormechanismen der Autoimmunerkrankungen Um eine Autoimmunerkrankung zu definieren und aufzuklären, müssen die hauptverantwortliche Immunkomponente und das Zielantigen identifiziert werden Klassifizierung von Autoimmunerkrankungen analog zu Hypersensivitätsreaktionen nach:  Art/Lokalisation des Antigens  Wichtigste beteiligte Immunkomponente  Typ der vorherrschenden Immunmechanismen  Erinnerung: Dermatologie (Hypersensibilitäts-Reaktionen Typ I-IV nach Gell und Combs) Typ I: IgE gegen körpereigene Antigene  Prototypische Erkrankung: Chronisch spontane Urticaria (CSU) o Symptomatik: Quaddeln, Juckreiz, Angioödem, ohne definierbaren äußeren Auslöser  Immunkomponente: spez. IgE  Antigene: o Thyreoperoxidase (TPO) o IL-24 o Ca. 200 weitere Autoantigene  Mechanismus: o Mastzellen binden an Fc-Rezeptoren (Fc für IgE) + IgE +Ag  Histamin-Ausschüttung  Weitere Erkrankungen o Bullöses Pemphigoid o Systemischer LE Utermöhlen, SS17 5 Typ II: Antikörper gegen Zelloberflächen/extrazelluläre Matrix  Autoimmunerkrankungen werden nicht immer durch Gewebszerstörung verursacht!!  Immunkomponente: spez. IgG  Stimulation von Rezeptoren o Beispiel: Hyperthyreose (Morbus Basedow/ Graves´disease)  Symptome: Struma, Exophtalmus  Bild li normal, re krank  AK gegen TSH-Rezeptoren  wirken stimulierend  Blockade von Rezeptoren o Beispiel: Myasthenia gravis o Symptome: Lidheberschwäche o Blockierende spez. Ak gegen Ach-Rezeptor auf Muskulatur Utermöhlen, SS17 6   Weitere Bsp. o Insulin-resistenter diabetes:  Antigen: Insulin receptor (anatgonist)  Resultat: Hyperglykämie, Ketoazidose o Hypoglycämie:  Antigen: Insulin receptor (agonist)  Resultat: Hypoglycämie o Goodpastures syndrom  Autoantigen: Non-kollagenöse Domäne des BM-Kollagens Typ IV (in Glomeruli der Niere)  Resultat: Glomerulonephritis, pulmonary hemorrhage  Immunhistochemie: Ablagerung von anti-Glomerulus BM IgG  Histologie: proliferierende mononukleäre Zellen, Neutrophile Typ III: Immunkomplex Krankheiten  Lösl. Ag  Interaktion von herumschwimmender Antigene mit Immunglobuline  bei Bindung: Immunkomplex  Beispiel: SLE o Autoantigen: DNA, histone, ribosome, snRNP, scRNP o Resultat: Glomerulonephritis, Vaskulitis, Rash o Histologie: Ablagerung von Immunkomplexen  verdickte BM  Beispiel: Rheumatoide Arthritis o Autoantigene: Autoantikörper verschiedener Subklassen (IgM, IgG, IgA, IgE), die sich gegen das Fc-Fragment körpereigener Immunglobuline der Klasse G (IgG) richten. o Resultat: Arthritis  Ablagerung der Immunkomplexe in Gelenken  Wichtige Bsp. Für systemische Immunerkrankungen, es sind mehrere immunpathogenetische Mechanismen aktiv Lernziele  Definition und Abgrenzung: Autoimmunität – Autoimmunerkrankung  Toleranz o Definition o Stufen/Mechanismen o Mechanismen von Verlust/Überwindung der Toleranz  Klassifikation der Autoimmunerkrankungen  Wichtige Bsp. Für Autoimmunerkrankungen & deren Pathomechanismen Utermöhlen, SS17 7 Immunpathologie des Sars-CoV-2 Definitionen  Sars-Cov-2: severe acute respiratory syndrome corona virus 2  Covid-19: coronavirus disease 2019  Sars-Cov: 2002/03 Ausbruch eines nahe verwandten, aber klar unterscheidbaren Coronavirus Woher kommt unser bisheriges Wissen?  Vorige Coronavirus Ausbrüche  Niedrig-pathogene humane Coronaviren: Infektion der oberen Atemwege, saisonale milde bis mäßige Atemwegserkrankungen  Mittel bis hoch-pathogene zoonotische Coronaviren: o SARS-CoV: im Jahr 2002/03, 8400 Fälle, Letalität: 9,6% o SARS-CoV-2: seit 2019, Millionen Fälle, Letalität 3% o MERS-CoV: seit 2012, 2500 Fälle, Letalität 33%, niedrige Transmissionsrate Grundprinzipien von Virusinfektionen am Bsp. MERS  Reservoirwirt: Dromedare  „Schnupfen“  Die Evolution von Viren ist auf gute Replikation und Transmission im Reservoirwirt optimiert  Überschreitung der Spezies-Grenze in den Wirt „Mensch“ ist meist Folge unserer Lebensweise  Über oder Fehlreaktionen im menschl. Organismus  Tod des „Wirts“ Mensch  schlecht für Virus  Aber durch Reisen: ww Übertragung Phasen der Infektion mit hochpathogenen Coronaviren  1. Initiale schnelle Virusreplikation  Fieber, Husten, etc., wenige Tage  2. Hohes Fieber, Hypoxie, Pneumonie-artige Symptome trotz Abnahme der Viruslast  3. ALI (acute lung injury) ARDS (acute respiratory distress syndrom)  Ateminsuffizient (70% der Todesfälle) Virus-/Sekundärinfektionen  Zytokinsturm/Sepsis (30% der Todesfälle)  Krankheitsverlauf eines Individuums hängt ab von o der eigentlichen Virusinfektion  Z.B. Infektdosis, Virus-Rezeptor-Affinität, Geschlecht (Sexualhormone haben immunmodulatorische Effekte) o der individuellen Immunreaktion Infektionsroute Tröpfcheninfektion/Schmierinfektion  notwendige Dosis?  Evtl. weiterer Verlauf abhängig von Dosis  Primäre Wirtszelle = Eintrittspforte o V.a. obere Atemwege/Pharynxepithel o Andocken des S-Proteins an ACE2 (Angiotensin-converting enzyme 2) o Replikation in diesen Zellen  o Ideale Abschussbasis beim Sprechen, Husten, Niesen = effiziente Transmission in nächsten Wirt Die sehr frühe Infektionsphase  Eingeschleuste virale RNA ist ein PAMP  RIG-I-like Receptors in Atemwegepithelzellen erkennen die RNA und sollen antivirale Interferon-Antwort (IF-1) auslösen  ABER: Coronaviren sind die RNA-Viren mit dem längstem Genom  mehrere virale Proteine haben immunmodulierende Funktionen o Struktur-Proteine (= für Aufbau des Virus notwendig)  Membran  IFN Antagonist  Nucleocapsid  IFN Antagonist o Non-structure proteine  ORF1a: u.a. IFN Antagonist o IFN-Blockade führt zu der für pathogene Coronaviren typischen sehr früh sehr starken Virusreplikation  Coronaviren = zytopathische Viren, d.h. sie zerstören ihre Wirtszellen im Replikationszyklus  IFN Blockade führt zu mehr Replikation  = Positive Feedback-Schleife   mehr Zelluntergänge   massive Freisetzung viraler PAMP und zellulärer DAMP (z.B. IL-1, Wirtszell-DNA)   Reaktion der Nachbarzellen: Freisetzung pro-inflammatorischer Zytokine  + chemotaktische Anlockung von Entzündungszellen (Monozyten, Makrophagen, T-Zellen), die auf PAMP & DAMP ebenfalls mit pro-inflammatorischen Zytokinen reagieren  Positive Feedback-Schleifen = Teufelskreise  aberrante inflammatorische Antwort 1. Option: Effektive antivirale Immunantwort  APC nehmen Zelltrümmer, Viruspartikel, virale Proteine = antigene auf  Wegen pro-inflammatorischen Milieus werden die APC aktiviert   wandern in regionalen LK  induziert T-Zell- Antwort  B-Zellen erkennen Viruspartikel und virale Proteine und beginnen eine humorale Immunantwort  = Kooperation zell-autonomer, angeborener, zellulärer und humoraler Immunreaktionen   Heilung; bei COVID-19 >97% der nachgewiesenen Infektionen  Wie lange die Immunität anhält (immunologisches Gedächtnis) unklar 2. Option: dysfunktionale Immunantwort  Schwere, evtl. letale Verläufe  Frühe massive Virusreplikation bei ineffektiver zellautonomer Immunität (reduzierte IFN- Wirkung)  Massive Freisetzung pro-inflammatorischer Zytokine von infizierten pithelzellen, chemotaktische angelockten Monozyten, Makrophagen, T-Zellen,die wiederum auf virale  PAMP und zelluläre DAMP mit massiver Sekretion von pro-inflammatorischen Zytokinen, reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) etc. reagieren o = positive Feedback-Schleife o = Zytokinsturm, systemisch (Endothellockernd, RR Senkung  Multiorganversagen, 30% der Todesfälle)  + Lungengewebe-Schädigung (ALI) o Diffuse Alveolarschäden, Desquamation der Alveolarzellen, hyaline Membranen, Fibrin-Exudat, Lungenödem   Gasaustausch behindert, niedrige Oxygenisation = ARDS (70% der Todesfälle)  Evtl. erhöhte Anfälligkeit für Sekundärinfektionen   Risikogruppe: höheres Alter, ab ca. 50 Jahre steigt Letalität o Im Alter verändern sich das Immunsystem und seine Funktion  Inflammaging o Vermehrte Ausschüttung von proinflammatorischen Zytokinen & damit verbundenen chron. Erkrankungen bei älteren Menschen o Leichte systemisch und chronische (aber primär subklinische) Entzündungen o Akutüberschießende ZYtokinproduktion = Zytokinsturm  ARDS, Multiorganversagen  Risikogruppe: Adipositas o 2Arten des Bauchfettes  Äußeres Bauchfett  Viszerales Fett: reich an Adipozyten, die hormonell aktiv sind  Sezernieren u.a. TNF-a und IL-6  ++ systemische Entzündungsparameter  Hyperinflammatorische systemische Voraktivierung   metabolisches Syndrom  Risikogruppe: respiratorische Vorerkrankungen o COPD/COLD/Emphysem: weniger Alveoli, rarefiziertes Alveolargewebe  reduzierte Fläche für Gasaustausch o + Sars-Cov-2-Infektion  Diffuse Alveolarschäden, Desquamation der Alveolarzellen, hyaline Membranen, Fibrin-Exsudat, Lungenödem  Gasaustausch behindert, niedrige Oxygenisation = ARDS (70% der Todesfälle) Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)