Natürliche Abwehrmechanismen Prof. Dr. Erika Jensen-Jarolim

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1 Natürliche Abwehrmechanismen Prof. Dr. Erika Jensen-Jarolim Quellenangabe Janeway Immunologie Murphy, Travers, Walport Wörterbuch Allergologie und Immunologie Ferencik, Rovensky, Matha, Jensen-Jarolim. Springer 2004 Gastrointestinaltrakt: Mukosale Pathophysiologie und Immunologie Jensen-Jarolim, Schöll, Szalai. Springer 2006

2 TEIL 1: Natürliche Abwehr führt zu Entzündung

3 Die Abwehr Angeborene (natürliche) Abwehr: nicht antigenspezifisch und sofort (0-4 Stunden), keine immunologische Memory Frühe induzierte Antwort (nach 4-96 Stunden): führt nicht zu dauerhaften Immunität. Erkennung, Aktivierung v. Effektorzellen Späte adaptive Immunantwort (nach einigen Tagen) - antigenspezifische Effektorzellen und Memory

4 Natürliche Barrieren Haut: Keratinabschuppung, organische Säuren Epithelien: Tight junctions, Schleim, Zilien Magen: Saurer ph Darm: Gallensäuren, intest. Bewegung Paneth Zellen: Cryptidine Flora: E. coli produzieren Colicine

5 Das Eindringen eines Pathogens erfordert Reaktion Adhärenz Lokale Infektion Lokale Infektion Lymphogene A. Adaptive Imm. Schutzmechanismus Flora Lokale Faktoren Phagozyten Wundheilung antibakt.prot. T-Zellen Phagozyten Komplement Zytokine Phagozyten NK-Zellen Makrophagen

6 Die natürliche Abwehr Entzündung = lokal Akute Phase Reaktionen = systemisch

7 Die natürliche Abwehr Entzündung = lokal Akute Phase Reaktionen = systemische Entzündungsreaktion

8 Akute Entzündung 1.) Vasokonstriktion (Katecholamine) 2.) dann Dilatation (Histamin) CALOR, RUBOR Restitutio ad integrum 3.) TUMOR Permeabilitätssteigerung Dilatation postkapillär, Strömungsverlangsamung, Exsudat Schäden an Basalmembran oder Mediatoren: Histamin, Substanz P, Prostaglandine Endothel-Adhäsivität steigt, Thrombosierung 4.) DOLOR 5.) FUNCTIO LAESA Einschränkung der Funktion

9 Entzündung: Dolor NOXE Präkallikrein Kontaktaktivierung Hagemann Faktor Kallikrein direkt durch Mediatoren Bradykinin Arachidonsäure K+ Histamin B1 Rezeptoren Erregung nociceptiver Neurone PGE 2 Afferenz Substanz P Efferenz

10 Signal-Amplifikation durch Axonreflex Initiale Rötung Quaddel diffuse Rötung Triple Response Sensible Neurone Histamin Mastzelle Substanz P Arteriole Dilatation

11 Praktische Anwendung des Axonreflexes Weisser Dermographismus bei atopischer Dermatitis Roter Dermographismus bei Urtikaria

12 Restitutio ad integrum.

13 oder chronische Entzündung Persistierende Reize (M. Tuberculosis) Extrazelluläre Mikroorganismen (Salmonellen in Gallenwegen, Anaerobier in Gangrän) Fremdkörper Autoimmun: Endogenes Antigen Tumoren Chronische physikalische und chemische Reize

14 Chronische Entzündung IL-2, IFN- Aktivierte T-Zelle TNF- Lymphokine z.b Migrations- inhibitorischer Makrophage Faktor IL-1 Epithelzellen Fibroblastenaktivierung Epitheloidzellen, Riesenzellen FAF Fibroblasten-Proliferation Epitheloidz. Granulom Riesenzelle Kapsel Kollagen Sekretion Fibrosierung Lymphozyten

15 Die natürliche Abwehr Entzündung = lokal Akute Phase Reaktionen = systemisch

16 Akute Phase-Reaktionen Stärkste Makrophagen-Aktivatoren: LPS (Bakterien-Lipopolysaccharide) und TNF IL-1, IL-6 und TNF- Akute Phase-Reaktionen Leukozytose Fieber akute Phase-Proteine Linksverschiebung (GM-CSF) Granulozyten nach 6-12 h Monozyten nach 48 h, Lymphozyten Temperaturregulation Hypothalamus MBL CRP Fibrin..

17 Lokale und systemische akute Entzündung sind Teil der natürlichen Abwehr. Was sind die Erkennungsmechanismen? Was sind die Effektor-Werkzeuge?

18 Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMPs) Bacterielle S-layer PAMPs bakterielle Carbohydrate (LPS, Mannose) Nukleinsäuren (bacterial/viral) Peptidoglykan Lipoteichon-Säure N-Formylmethionin Lipoprotein, Pilz-Glykane Peptidoglykan HIV Trichiuris

19 PAMPs brauchen auf der anderen Seite Pathogen Recognition Receptors (PRRs) Extracellular Interstitiell epithelial Intracellular zytoplasmatisch Vesikulär PRRs: Solubel oder membrangebunden; für Proteine, Glykane PRRs: intrazellulär für Protein, RNA, DNA

20 Pathogen Recognition Receptors (PRRs) CRP Serum amyloid Zytoplasmatische PRRs NOD Like Receptors (NODs, NALPs) RNA Helicasen Plant R Proteine MBL Sezernierte PRRs Komplement Receptoren Collectine: Mannan - binding Lectin (MBL) Pentraxine: Serum-Amyloid, CRP, Lipid Transferasen, Peptidoglykan recognition Proteine C1q: Rodney Porter Membrangebundene PRRs Toll - like Rezeptoren Mannose Rezeptor

21 Toll-like Rezeptoren (TLRs) Drosophila melanogaster

22 Indirekte Antigenerkennung: Opsonisierung durch humorale Faktoren vereinfacht Phagozytose 1. Komplement (C3b, ic3b) 2. Akute Phase Proteine (CRP, MBL, Fibrin) CRP 3. Immunglobuline (spezifische Abwehr: IgG, IgM): Antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC) oder Antibody-dependent cellular phagocytosis (ADCP) Makrophagen Tumorzelle Phagozytose plus spezifisches Immunglobulin keine Phagozytose plus Kontroll-Immunglobulin

23 Lokale und systemische akute Entzündung sind Teil der natürlichen Abwehr. Was sind die Erkennungsmechanismen? Was sind die Effektor-Werkzeuge?

24 TEIL 2: Die Akteure der natürlichen Abwehr

25 TEIL 2: Die Akteure der natürlichen Abwehr Unterschiedliche Anforderungen bei extrazellulären oder intrazellulären Pathogenen Extrazellulär Interstitiell Epithel Intrazellulär Zytoplasma Vesikel Bakterien, Viren, Protozoen, Würmer,... Würmer, Vibrio cholerae, E.coli, Helicobacter, Candida,... Komplement, GZ, Milieu Phagozytose Viren, Chlamydien Protozoen,... NK-Zellen, K-Zellen Mycobacterien, Salmonellen,... Zytotoxizität Entzündliche Mediatoren

26 Der zelluläre Schenkel der natürlichen Abwehr Phagozyten: Polymorphkernige Granulozyten (PMNs) - neutrophile, eos. Makrophagen Zellen, die Mediatoren ausschütten: Mastzellen, basophile GZ. Zytotoxische Zellen: NK, K-Zellen

27 Neutrophile Granulozyten (40-70% der Leukozyten) Zentral Leukozytose Peripher CR1, 3, 4 durch Produktion Verteilung durch Rezeptoren für Prostaglandine und Leukotriene Fc R: IgG Rez. für C3a, C5a

28 Selektine & Integrine vermitteln Kontakte an Endothel Sialyl-Lewis LFA-1 (Integrin) Adhäsion Selektine Rolling Diapedese Extravasat

29 Phagozytose durch Granulozyten 1. Attachment 2. Elgulfment durch Pseudopodien - Phagosom 3. Phagolysosom, ph-erniedrigung, dann Erhöhung 4. Lyse der outer lipid bilayer Übermässige Phagozytose - GZ-Zerfall - Pus

30 Toxische Granulainhalte der Neutrophilen I. 1. Durch lysosomale antibakterielle Substanzen Primäre (azurophile) Granula: Typische Lysosomen Kationische Proteine (wirken im alkalischen Bereich gegen Gram-negative Bakterien, zerstören Bakterienwände) Saure Hydrolasen (Esterasen, Glykosidasen, Lipasen) Neutrale Esterasen (Elastase, Kathepsin,...) Kollagenasen Mikrobizide Substanzen Lysozym spaltet Bakterienwand-Mukopeptide, Myeloperoxidase bildet O 2 -Radikale Sekundäre Granula: 70% Lysozym, Kollagenase, Vit B12-bindendes Protein, Laktoferrin

31 Toxische Granulainhalte der Neutrophilen II. 2. O 2 -abhängiges, Myeloperoxidase-unabhängiges Killing durch Produkte des Oxidative Burst: Super-Oxid, Singlet Sauerstoff, Hydroxyl-Radikale, H 2 O 2

32 Toxische Granulainhalte der Neutrophilen III. 3. O 2 -abhängiges und Myeloperoxidase-abhängiges Killing: Hydrogen Peroxid Metaboliten halogenieren Bakterienproteine, Reaktion wird durch Myeloperoxidase katalysiert.

33 Eosinophile Granulozyten 2-6% der Leukozyten, vermehrt in Allergie, Parasiten, Tumoren Anlockung: Eotaxin, Aktivierung: IL-5 Phagozytose (Kompl.Rezeptoren, Fc R) ADCC (Fc R, Fc RI) Oxydative Burst: Peroxidase Charcot-Leyden Kristalle Spezifische Granulainhalte: Major basic Protein (MBP) Eosinophil Cationic Protein (ECP) Eosinophil peroxidase (EPO) Eosinophil-derived neurotoxin (EDN)

34 Monozyten / Makrophagen In der Zirkulation: Monozyten im Blut Im Gewebe: Histiozyten im Bindegewebe Mikroglia im Gehirn Kupffer sche Zellen in der Leber Makrophagen in Serosa und lymphoiden Organen MERKE: Wichtig in natürlicher Abwehr, sind auch Vermittler der spezifischen Immunantwort

35 Makrophagen Rezeptoren Antigenerkennung der Makrophagen Sofortige Erkennung und Einleitung der Phagozytose der Pathogene Rezeptoren Trigger-Zytokinfreisetzung für IgG, Komplement, IFN, TNF Bakterien - Rezeptoren LPS Rezeptor (CD14, Mac-2) Mannose-Rezeptor CD11b/CD18 (CR3, Mac-1) CD11c/CD18 (CR4) Phagozytose und Verdau Scavenger-Rezeptor: sialidisierte Liganden Glycan-Rezeptor

36 Der zelluläre Schenkel der natürlichen Abwehr Phagozyten: Polymorphkernige Granulozyten (PMNs) - neutrophile, eos. Makrophagen Zellen, die Mediatoren ausschütten: Mastzellen, basophile GZ. Zytotoxische Zellen: NK, K-Zellen

37 Mastzellen Basophile Granulozyten (0-1% der Leukozyten) Beide Zellen haben: Fc RI (high affinity Rez. für IgE), Fc- R (IgG) Komplement-Rezeptoren CR1und CR3, sowie für Anaphylatoxine C3a, C5a, basophile Granula: Histamin, Leukotriene Granula der MZ: saure und alk. Phosphatase, 30-fach höheres Histamin Granula der Basophilen: Peroxidase Mastzelle

38 Mechanismen für Mediator-Freisetzung Basophile GZ und Mastzellen 1. Quervernetzung (cross-linking) von Fc RI über spezifisches IgE oder allergen-unspezifisch durch Lektine (Pseudoallergie) oder anti-fc RI-Antikörper 2. Anaphylatoxine C3a, C5a (siehe Komplement) 3. Aktivierung durch Neuropeptide (Substanz P) 4. Gewebezerstörung (Traumen) 5. Toxine (Insektenstiche, bakt. Toxine), Pharmaka (Tubocurarin) Reaktion: Quaddel (Urtica)

39 Aktivierung Mastzell-Aktivierung biphasischer Release Lipoxygenase 1. Exozytose: Histamin, PG, LT Cycloxygenase 2. Neusynthese: Leukotriene, Prostaglandine, PAF (Platelet Activating Factor) Aus:

40 Prostaglandine haben vielfältige Wirkungen Aktivierung From:

41 Der zelluläre Schenkel der natürlichen Abwehr Phagozyten: Polymorphkernige Granulozyten (PMNs) - neutrophile, eos. Makrophagen Zellen, die Mediatoren ausschütten: Mastzellen, basophile GZ. Zytotoxische Zellen: NK-Zellen

42 Natürliche Killerzellen In Gesunden: NK-Aktivität zu ~100% über Large Granulated Lymphocytes-LGLs Bezeichnung zumeist NK-Zellen: Antigen-Erkennung über NK-Rezeptoren oder Immunglobuline Seltener K-Zellen Killing mit Immunglobulinen: Antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC) IL-2 und IL-12 aktivieren NK-Zellen - LAK (Lymphokine-activated killer) LGL

43 Antibody-dependent cell mediated cytotoxicity (ADCC) NK-Zellen: Interaktion mit spezifischer Abwehr

44 NK Zellen: Funktion Zytotoxizität Zielzellerkennung über Oberflächen-Glykoproteine niedrige Expression von HLA I. Antigenen oder über Antikörper - ADCC Tu NK Lysisprogramm Kontakt - Zytoplasmatisches Rearrangement Zytolytische Granula mit lysosomalen Enzymen, pore forming protein (PFP) PFP Zielzelluntergang Exozytose der NK-Granula an Kontaktstelle Polymerisierung PFP, stanzt Löcher in Membran Eindringen von Proteasen, Nukleasen (Granzyme) Kommando zum Selbstmord (Apoptoseinduktion) über Fas-Ligand /Fas Interaktion Tu NK NK Zelle nach Lyse einer Tumorzelle

45 Nekrose (GZ) - Apoptose (NK) APOPTOSE Aktiver Prozess, Zellen schrumpfen Integrität der Zellmembran erhalten Pseudopodienartige Ausstülpung der Membran und Abschnürung von apoptotic bodies, die phagozytiert werden Endonukleasen: DNA-Fragmentierung Keine Entzündung NEKROSE Zusammenbruch der Ionengradienten Desintegration der Zelle Auslösung von Entzündung durch freiwerdende zytosolische Bestandteile

46 TEIL 3: Die humorale natürliche Abwehr

47 TEIL 3: Die humorale natürliche Abwehr: Lösliche Plasmaproteine und Mediatoren Funktion: Direkte Abwehr Chemotaxis Opsonisierung Entzündungseinleitung durch Zellaktivierung Zellneubildung aus Knochenmark

48 Phagozyten produzieren Zytokine IL-1 IL-8 IL-6 TNF- IL-12 Lokale Effekte Aktiviert vask. Endothel, Lymphozyten Chemotaktischer Faktor für Leukozyten Lokale Gewebszerstörung aktiviert Bindung durch 2 Integrine Erhöht Permeabilität des vaskulären Epithel - IgG, Komplement, Zellen Lymphozytenakti vation Aktiviert NKZellen, AntikörperProduktion induziert Differenzierung von CD4 pos TZellen in TH1 Zellen Systemische Effekte Fieber IL-6 Prod. Fieber, Schock Fieber, akute Phase Proteine

49 IL-6 Endogene Pyrogene: IL-1, IL-6, TNF induzieren Fieber Akute Phase Proteine CRP, MBL, Fibrin, SAP Mannan bindendes Lektin Serumamyloid-Protein CRP Fibrinogen CRP bindet an Phospholipide als Opsonin CRP MBL bindet an Mannose Reste als Opsonin MBL Komplementaktivierung

50 Tumor Nekrose Faktor (TNF)- lokal schützend systemisch toxisch Hämorrhagische Purpura bei Verbrauchskoagulopathie Entzündung: lokale Gerinnung, Beseitigung der Infektion, Einleitung adaptive Immunität Sepsis / Endotoxinschock: DIC (disseminierte intravasale Gerinnung) multiples Organversagen systemische Ödeme

51 Die Typ I-Interferone IFN, IFN IFN : Makrophagen, B-Zellen IFN : jede Zelle (IFN : Typ II) Bedeutung bei Virusinfektionen: Antiviraler Status IFN wird auf Kontakt mit intakten Viren und doppelsträngiger RNA ausgeschüttet, IFN bei intakten Viren und LPS. Beide inhibieren autokrin und parakrin die virale Replikation und induzieren Abwehr des Wirt (Host-Response)

52 MBL: Mannan-binding Lektin MASP: MBL-associated Serum Protease Komplement Ziel Entzündung Ziel Opsonisation Ziel MAC

53 1. Der klassische Weg: C3 Konvertase deponiert große Mengen an C3b Molekülen an Pathogenoberfläche C2a initiiert Entzündung C3a initiiert Entzündung C4b bindet kovalent: Opsonisation C3 Konvertase IgM C3b kovalente Opsonisation Amplifikation: x 1000! IgM opsoniert Bakterium

54 2. Der Lektin Weg: Selbe Wirkung, anderer Start C2a initiiert Entzündung C3a initiiert Entzündung MBL als Opsonin: bindet an Mannose C3 Konvertase MBL Phagozyt Merke: MBL und CRP sind Akute Phase Proteine

55 3. Der alternative Weg: C3b oder ic3b, ein ohne Spaltung verändertes C3b, sind Voraussetzung Autoaktivierung andauernd, jedoch nicht ausreichend (Regulation siehe unten) Aktivatoroberfläche: LPS, Viren, Bakterien, Protozoen, Oberflächen Virus-infizierter Zellen, Tumorzellen Weitere Amplifikation des klassischen Weges durch Vermehrung des Opsonins C3b Aktivatoroberfläche Die C3 Konvertase des alternativen Weges ist nur auf Aktivatoroberflächen stabil

56 Ziel Entzündung Nebenprodukte Weg 1 und 2: Anaphylatoxine Permeabilität C3a C5a C4a Extravasat: Ig, Komplement Migration: Makrophagen, PMN, LZ Adhärenz Anaphylatoxine Rubor - Calor - Dolor - Tumor - Functio laesa

57 Ziel Opsonisation Komplement vereinfacht Phagozytose Opsonisation und den Abtransport von Immunkomplexen aus Antigen und Antikörper..

58 ICs aktivieren Komplement C3b bindet an CR1 CR1 Erythrozyt Kovalente Bindung von C3b C3b Phagozytose: Milz und Leber Komplementrezeptor CR1 an Erythrozyten entfernt Immunkomplexe aus Zirkulation Phagozyt

59 Die terminalen Komplement-Proteine Klassischer und Lektinweg C5 Konvertasen C4b,C2b C3b C3b, Bb C3b Alternativer Weg C5a C5 C5b MAC

60 Ziel MAC - Membrane Attack Complex C6 C7 C8 C9 (x16) C5b Pathogen 10 nm = 100 Å Poren in Zellmembran des Pathogens

61 Komplementsystem: laufende Aktivität, Bindung an Pathogene Ergo: Schutz körpereigener Zellen durch regulatorische Proteine ist wichtig! z.b. C1-Inhibitor verhindert Immunkomplexmediierte Entzündung z.b. CR1, DAF binden C3b, das gespalten wird z.b. CD59 verhindert MAC SELBST

62 Krankheitsbilder durch Defizienzen von Komplementfaktoren C1-C4 C3 C5-C8 Problem Immunkomplexe Lupus erythematodes -ähnliche Syndrome, Glomerulonephritis, Arthralgien, Vaskulitis Problem Opsonisation pyogene bakterielle Infektionen Problem MAC Neisserieninfektionen, rheumatoide Syndrome Inzidenzen primärer Komplement-Defizienzen C1-C9 (C2!) - 1: C1INH: - 1: caucasian; - 1: : USA.

63 Krankheitsbilder durch Defizienzen von Regulatorproteinen C1-Inhibitor hereditäres Angioödem Quincke Exzessive Formation von C2a mit Kinin-Wirkung CD59, DAF:paroxysmale nächtliche Hämoglobinurie Lyse von Erythrocyten durch MAC. Trigger: Acetylcholin.

64 Natürliche Abwehrmechanismen Prof. Dr. Erika Jensen-Jarolim Quellenangabe Janeway Immunologie Murphy, Travers, Walport Wörterbuch Allergologie und Immunologie Ferencik, Rovensky, Matha, Jensen-Jarolim. Springer 2004 Gastrointestinaltrakt: Mukosale Pathophysiologie und Immunologie Jensen-Jarolim, Schöll, Szalai. Springer 2006

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