Immunologie. Teil I Prof. Reinhold Förster. Inst. f. Immunologie

Transkript

1 Immunologie Teil I Prof. Reinhold Förster Inst. f. Immunologie foerster.reinhold@mh-hannover.de 1

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3 Immunologie Lehrbücher für Nerds: Immunobiology Janeway Case Studies in Immunology 8th/

4 Andere:... etc 4

5 Tafelbild 5

6 Komponenten und Aufbau des Immunsystems Initiation von Immunantworten lymphatische Organe Erkennungsmechanismen Lymphozytenentwicklung Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 6

7 Grundlagen der Immunologie Impfungen Therapeutika Diagnostik Primäre Immundefekte Autoimmunerkrankungen HIV und andere Infektionskrankheiten, die dass Immunsystem beeinflussen 7

8 Lernziele Sie sollten in der Lage sein, - die zellulären Komponenten des Immunsystems zu benennen und dem myeloiden oder lymphoiden Teil zuzuordnen. - die beteiligten Zelltypen dem angeborenen und dem erworbenen Immunsystem zuzuordnen. - den Unterschied zwischen dem angeborenen und dem erworbenen Immunsystem kennen. Dabei sollten Sie die Kinetik der beiden Systeme beschreiben können. - das Prinzip der Mustererkennung (pattern recognition) durch spezifische Rezeptoren des angeborenen Immunsystems zu erklären und dazu fünf Beispiele zu geben (erkannte Struktur und passender Rezeptor) Grundlagenimmunologie

9 The physician of the future will be an immunisator Sir Almroth Wright 9

10 10

11 210 Jahre Vakzinierung 1798 Immunisierung gegen Pocken mit Vaccinia-Virus (Jenner) 1880 Pasteurella multocida (Pasteur) 1881 Anthrax (Pasteur) 1885 Tollwut (Pasteur) 1886 Typhus 1896 Cholera 1897 Pest 1960er Polio (Salk, Sabin), MMR 2006 HPV 11

12 Die Ausrottung der Pocken durch die Schutzimpfungen Anzahl der Länder mit einem oder mehreren Fällen pro Monat 12

13 Fehlen von effektiven Impfstoffen Tote/Jahr Malaria 1.2 Mio Schistosomiasis 15,000 Intestinale Wurminfestation 12,000 Diarrhöe 1.8 Mio Atemwegsinfektionen 3.9 Mio HIV/AIDS 2.8 Mio Tuberkulose 1.5 Mio 13

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15 Komponenten und Aufbau des Immunsystems 1) Zelltypen 2) angeborene und erworbene Immunität 3) humorale und zelluläre Immunfunktion 15

16 Neutrophiler Eosinophiler Neutrophiler Lymphozyt Basophiler Monozyt 16

17 Hämatopoese T NK B Gr Neu Eos Baso Mono Thrombo Ery 17

18 Hämatopoese Lymphoid T NK B Gr Neu Eos Baso Mono Myeloid Thrombo Ery 18

19 Hämatopoese Lymphoid T NK B HSC Hämatopoetische Stammzelle Neu Eos Baso Gr Mono Myeloid Thrombo Ery 19

20 Hämatopoese Lymphoid Thymus T pro-t NK CLP B HSC pro-b Gr Neu Eos Baso CMP GMP Mono Myeloid MkEP Thrombo Ery 20

21 Hämatopoese Lymphoid Thymus T pro-t NK CLP B HSC pro-b Gr Neu Eos Baso CMP GMP Mono Myeloid MkEP Thrombo Ery 21

22 Komponenten und Aufbau des Immunsystems 1) Zelltypen 2) angeborene und erworbene Immunität 3) humorale und zelluläre Immunfunktion 22

23 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden 23

24 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden mechanisch: epitheliale Barrieren Luft-/Flüssigkeitsstrom 24

25 Enzyme ph Enzyme ph Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden mechanisch: epitheliale Barrieren Luft-/Flüssigkeitsstrom chemisch: ph Enzyme antimikrobielle Peptide 25

26 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden mechanisch: epitheliale Barrieren Luft-/Flüssigkeitsstrom Darmflora chemisch: ph Enzyme antimikrobielle Peptide mikrobiologisch: Darmflora 26

27 angeboren adaptiv Zeit 27 Antigenmenge

28 angeboren erworben lebensnotwendig gut es zu haben 28

29 angeboren erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13:

30 angeboren erworben lebensnotwendig ready to go gut es zu haben braucht etwas mehr Zeit 30

31 Eosinophiler Neutrophiler Lymphozyt Monozyt Basophiler 31

32 Eosinophiler a g n Basophiler Neutrophiler b e r o Lymphozyt n e Monozyt/Macrophage a a d it v p 32

33 33

34 angeboren erworben lebensnotwendig ready to go Zellen besitzen Effektorfunktion (Phagozyten) gut es zu haben braucht etwas mehr Zeit Keine basale Effektor- Funktion (Lymphozyten) 34

35 Basale Aufgabe eines Immunsystems kontrolliert Selbst Immunsystem zerstört Fremd 35

36 Basale Aufgabe eines Immunsystems kontrolliert Selbst Immunsystem zerstört Fremd Wie unterscheidet das Immunsystem Freund und Feind? 36

37 Fremderkennung - angeborenes Immunsystem - angeborenes Immunsystem Fremd Pattern Recognition Receptors PRR Pathogen-Associated Molecular Patterns PAMPs Janeway,

38 Klassen von Muster-Rezeptoren N-Formylmethionin-Rezeptor erkennt als G-Protein gekoppelter Rezeptor bakterielle Polypeptide Dectin-1 erkennt als C-Type-Lectin spezifische Zellwand- Glukose-Polymere in Pilzen (beta-1,3-glucane) RIG-I erkennt als Helikase intrazelluläre virale RNA TLR, NLR, NLRP 38

39 Bruce Beutler Jules Hoffmann

40 Fremderkennung - angeborenes Immunsystem - Drosophila Toll 40

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42 42

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44 TLR: Leucine-rich repeats 44

45 Fremderkennung - angeborenes Immunsystem - 45

46 NOD-like receptors (NLRs) NOD2 erkennt intrazelluläres Muramyl-Dipeptid. NOD2 loss of function mutationen sind stark mit Crohn s Disease assoziiert. 46

47 NLRPs erkennen vermutlich Gefahr NLRP3 wird aktiviert durch verringerte intrazelluläre Kaliumkonzentration, Kristalle (Harnsäure), Alum (Adjuvanz) 47

48 Ignoranz angeborenes Immunsystem PRR - PAMP Muster Selbst PRR: genetisch festgelegt. Selektion im Laufe der Evolution. Fremd 48

49 angeboren erworben lebensnotwendig ready to go Zellen besitzen Effektorfunktion (Phagozyten) Erkennung über PAMPs gut es zu haben braucht etwas mehr Zeit Keine basale Effektor- Funktion (Lymphozyten) hoch variable Erkennungsrezeptoren 50

50 Lernziele Sie sollten in der Lage sein, - die Terminologie zelluläre und humorale Immunantwort, exokrin, endokrin, autokrin, parakrin zu verwenden. - die Funktionen der Phagozytose 1) Eliminierung der Pathogene, 2) Induktion einer Entzündung, 3) Aufnahme von Fremdantigen zur Präsentation für die erworbene / adaptive Immunantwort zu beschreiben. - die Bedeutung von Adjuvanzien zu erklären und aktuell in Deutschland zugelassene Adjuvanzien zu benennen. - die wesentlichen Funktionen der Entzündung zu beschreiben. - zu erklären, warum Dendritische Zellen oft als Brücke zwischen angeborener und erworbener Immunität bezeichnet werden. Grundlagenimmunologie

51 humorale Funktionen anti-microbials akute Phase Proteine angeborenes Immunsystem Interferone Komplement zelluläre Funktionen Phagozyten innate like Lymphozyten Antikörper adaptives Immunsystem Effektor Lymphozyten 52

52 Anti-mikrobielle Substanzen werden exokrin sezerniert: z.b. Peptide wie Defensine, Enzyme wie Lysozym, Antikörper der IgA Klasse akute Phase Proteine, Antikörper der IgG Klasse, Zytokine werden endokrin sezerniert. Dies geschieht teilweise autokrin oder parakrin. 53

53 54

54 Komponenten und Aufbau des Immunsystems Initiation von Immunantworten lymphatische Organe Erkennungsmechanismen Lymphozytenentwicklung Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 55

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56

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58 Makrophagen werden durch Pathogenkontakt aktiviert, nehmen diese auf und leiten eine Entzündungsreaktion ein 60

59 Makrophagen werden durch Pathogenkontakt aktiviert, nehmen diese auf und leiten eine Entzündungsreaktion ein PRR 61

60 Adjuvanzien The immunologist s dirty little secret (Janeway) notwendig bei nicht sehr immunogenen Antigenen (z.b. Peptide) oft sterile Bestandteile von Bakterien (Zellwandbestandteile) Aktivierung von Antigen- präsentierenden Zellen über TLR und NRLP

61 klinisch zugelassene Adjuvantien Alum (amorphes Aluminiumhydroxyphosphat) Konversion des Ag in Partikelform DC-Aktivierung über TLR und NLRP3 MF59 und AS03 (im H1N1-Vakzin) Öl-in-Wasser Emulsion, Emulgatoren Verweildauer des Antigens, Eintritt in die Lymphe Chemokin-, Cytokin-Induktion in DC AS04 Kombiniertes Adjuvans. Komplex aus MPL (Monophosphoryl-Lipid A) und Aluminiumhydroxid bzw. Aluminiumphosphat Aktivierung des Toll-like-Rezeptors TLR4. Bestandteil in Fendrix (Hepatitis B-Impfstoff), Cervarix (HPV-Impfstoff)

62 Lösliche Mediatoren I: Antibakterielle Substanzen angeboren ph-absenkung H 2 O 2, O 2, OH,OCl - NO erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13:

63 Respiratory burst = explosionsartige Zunahme des oxidativen Stoffwechsels in Makrophagen und Neutrophilen 65

64 X-linked Respiratory burst = explosionsartige Zunahme des oxidativen Stoffwechsels in Makrophagen und Neutrophilen Septische Granulomatose: Wegen einer defekten NADPH-Oxidase können keine Sauerstoffradikale und radikalverbindungen gebildet werden => von Phagozyten aufgenommene Bakterien und Pilze werden nicht abgetötet, uu im ganzen Organismus disseminiert (Sepsis); besonders schwere Infektionsverläufe. 66

65 Lösliche Mediatoren II: Zytokine/Chemokine angeboren IL-1 IL-6 IL-8 (CXCL8) IL-12 TNFα Rekrutierung von Neutrophilen/Lymphozyten Akute-Phase-Proteine Entzündungsreaktion adaptive Immunantwort erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13:

66 Die Zytokine TNFα, IL-1 und IL-6 haben vielfältige Wirkung und helfen so, die Immunantworten auf Infektionen zu koordinieren 68

67 IL-6 induziert akute Phase Proteine der Leber dazu gehören C-reactive protein CRP und serum amyloid protein SAP MLP (Mannose-bindendes-Lektin) Surfactant Protein A und D Fibrinogen Diese dienen als hochaussagekräftige klinische Entzündungsparameter, z.b. CRP normal bis 10mg/ml 69

68 angeboren Rekrutierung von Neutrophilen/Lymphozyten Akute-Phase-Proteine Entzündungsreaktion adaptive Immunantwort erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13:

69 Phagozyten adhärieren an Gefäßendothel mittels Integrinen LAD (Leukozyten-Adhäsions-Defizienz): Klassische Form betrifft Integrin β2-expression; nicht auf Zelloberfläche, weswegen LFA-1 und CR3 nicht exprimiert sind => mangelhafte Leukozytenadhäsion => Sehr suszeptibel für bakterielle Infektionen und Defekte in der Wundheilung. 72

70 Neutrophile verlassen den Blutkreislauf und wandern zu Infektionsherden 73

71 Die wesentlichen Funktionen der Entzündung sind Rekrutierung zusätzlicher Effektorzellen (und damit der von ihnen synthetisierten löslichen Mediatoren) sowie weiterer löslicher Effektormoleküle wie Antikörper und Komplementproteine, mit dem Ziel, Pathogene möglichst vor Ort schon zu vernichten. Aufbau einer physikalischen Barriere (mikrovaskuläre Koagulation) mit dem Ziel, Pathogenverbreitung einzudämmen. Einleitung der Wundheilung mit dem Ziel, zusätzliche pathogene Belastung zu verhindern. => Die Gefahren einer Infektion unterbinden oder wenigstens eindämmen und gleichzeitig eine adaptive Immunantwort initiieren. 74

72 Eine Infektion und die darauf ausgelöste Immunantwort kann in mehrere Stadien eingeteilt werden 75

73 Ralph M. Steinman 76

74 77

75 Dendritische Zellen starten eine adaptive Immunantwort unreife dendritische Zellen halten sich in peripheren Geweben auf Makropinsom dendritische Zellen wandern über afferente Lymphgefäße zu regionalen Lymphknoten reife dendritische Zelle im inneren Cortexbereich Antigen-spezifischer Lymphozyt Lymphatischer Follikel Reife dendritische Zelle innerer Cortexbereich regionaler Lymphknoten naiver Lymphozyt Mark 78

76 79

77 Dendritische Zellen (DCs) wandern durch die Lymphe in den Lymphknoten 80

78 humorale Funktionen Zelluläre Funktionen angeborenes Immunsystem Dendritische Zellen adaptives Immunsystem 81

79

80 Der Verlauf einer typischen Antikörperantwort Primärantwort Sekundärantwort Antikörper (μg ml- 1 Serum) Lag- Phase Reaktion auf Antigen A Reaktion auf Antigen B Antigen A Anti gene A+B Tage 83

81 Der Verlauf einer typischen Antikörperantwort Primärantwort Sekundärantwort Antikörper (μg ml- 1 Serum) Lag- Phase Immunologisches Gedächtnis Reaktion auf Antigen A Reaktion auf Antigen B Antigen A Anti gene A+B Tage 84

82 Komponenten und Aufbau des Immunsystems Initiation von Immunantworten lymphatische Organe Erkennungsmechanismen Lymphozytenentwicklung Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 85

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85 Die Verteilung der lymphatischen Gewebe im Körper Rachenmandel (Polyopen) Gaumenmandeln rechte subklavikuläre Vene Lymphknoten Linke klavikuläre Vene Thymus Herz Ductus thoracicus Niere Blinddarm Milz Peyersche Platten im Dünndarm Dickdarm Lymphgefäße Knochenmark 88

86 Lymphknoten Lymphgefäße 89

87 Ca αβt-zellen im Menschen viel! Nur ca spezifisch für ein best. Epitop, z.b. Influenza Virus HA wenig Influenza-infizierte Person mehrere Millionen Viruspartikel praktisch nichts! 90

88 Lymphozyt - Durchmesser: ~ 10 µm = 10x10-6 m Lymphozyt - Volumen: 5x10-13 m 3 Körpervolumen (100 kg): 0.1 m 3 Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Lymphozyten: 1:500 Mrd. bei 6000 identischen Lymphozyten: 1:314 Mio. 91

89 92

90 4 Hauptphasen der Lymphozytenadhäsion Rollen Aktivierung Adhäsion Diapedese 93

91 Retention von T-Zellen im Lymphknoten im Zuge Figure der Aktivierung 10-8 T-Zellen in efferenter Lymphe Zeit nach Infektion (Tage) 94

92 angeboren vs. adaptiv 95

93 Komponenten und Aufbau des Immunsystems Initiation von Immunantworten lymphatische Organe Erkennungsmechanismen Lymphozytenentwicklung Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 97

94 Lernziele Sie sollten in der Lage sein, - zu beschreiben, wie und aus extrazellulären und intrazellulären Peptiden Antigene auf MHC-I oder MHC-II beladen werden. - zu benennen, in welchem MHC-Kontext CD4 + oder CD8 + T-Zellen Peptide erkennen. - die Interaktion von T- und B-Zellen im Keimzentrum zu beschreiben. - zu erklären, auf welche Arten Antikörper an der Immunabwehr beteiligt sein können. Grundlagenimmunologie

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97 101

98 Die Struktur des T-Zell-Rezeptors Kohlenhydrat α-kette β-kette variable Region (V) konstante Region (V) Gelenk (H) Transmembranregion Disulfidbrücke Cytoplasmatischer Schwanz 103

99 Zwei Hauptgruppen von T-Zellen erkennen Peptid, das an Proteinen von zwei unterschiedlichen Klassen von MHC Molekülen gebunden ist 104

100 MHC-Moleküle präsentieren die Peptidfragmente von Antigenen auf der Zelloberfläche MHC-Klasse I MHC-Klasse II Peptid Zellmembran 105

101 kurze Peptide im MHC-I

102 längere Peptide im MHC-II

103 MHC-I-Moleküle präsentieren Antigene, die aus Proteinen im Zytosol stammen Virus infiziert eine Zelle Im Zytosol werden virale Proteine synthetisiert endoplasmatisches Reticulum MHC-I bindet Peptidfragmente viraler Proteine im ER MHC-I transportiert gebundene Peptide and die Zelloberfläche Zellkern 109

104 Bakterium infiziert Makrophagen und dringt in Vesikel ein; Peptidfragmente entstehen MHC-II bindet bakterielle Fragmente in den Vesikel MHC-II transportiert gebundene Fragmente an die Zelloberfläche MHC Klasse II Moleküle präsentieren Antigen aus intrazellulären Vesikeln an B-Zell-Rezeptor gebundenes Antigen Antigen wird aufgenommen und zu Peptidfragmente abgebaut Fragmente binden an MHC-II und werden an die Oberfläche transportiert Antikörper B-Zelle 110

105 Grundzüge der Strukturen der CD4- und CD8-Corezeptormoleküle 111

106 Der T-Zell-Rezeptor-Komplex besteht aus Proteinen, die das Antigen erkennen, und unveränderlichen Proteinen, die Signale aussenden Erkennung Signalgebung 112

107 Die Aggregation des T-Zell-Rezeptors und eines Corezeptors setzt die Verbreitung von Signalen in der Zelle in Gang in ruhenden T-Zellen sind die ITAMs nicht phosphoryliert Bindung des Liganden an den Rezeptor führt zur Phosphorylierung der ITAMs durch rezeptorassoziiete Kinasen antigenpräsentierende Zelle ZAP-70 bindet an die phosphorzlierten ITAMs der ζ- Kette; es wird durch Lck phosphoryliert und aktiviert, sobald der Corezeptor an den MHC-Liganden gebunden hat T- Zelle 113

108 Die Expression von MHC-Molekülen unterscheidet sich in verschiedenen Geweben Gewebe MHC-Klasse I MHC-Klasse II Lymphatisches Gewebe T-Zellen B-Zellen Makrophagen andere antigenpräsentierende Zellen (z.b. Langerhans-Zellen) epitheliale Zellen des Thymus andere kernhaltige Zellen Neutrophile Zellen Hepatocyten Niere Gehirn kernlose Zellen rote Blutkörperchen 114

109 Die Expression von MHC-Molekülen unterscheidet sich in verschiedenen Geweben Gewebe MHC-Klasse I MHC-Klasse II Lymphatisches Gewebe T-Zellen B-Zellen Makrophagen andere antigenpräsentierende Zellen (z.b. Langerhans-Zellen) epitheliale Zellen des Thymus andere kernhaltige Zellen Neutrophile Zellen Hepatocyten Niere Gehirn kernlose Zellen rote Blutkörperchen 115

110 Retention von T-Zellen im Lymphknoten im Zuge Figure der Aktivierung 10-8 T-Zellen in efferenter Lymphe Zeit nach Infektion (Tage) 116

111 Cytotoxische T-Zellen erkennen Antigene, die von MHC-I-Molekülen präsentiert werden, und töten die Zelle ab Cytotoxische T-Zelle erkennt Komplex aus viralem Fragment und MHC-I und tötet infizierte Zelle tötet MHC- Klasse-I 117

112 Cytotoxische T-Zellen erkennen Antigene, die von MHC-I-Molekülen präsentiert werden, und töten die Zelle ab Cytotoxische T-Zelle erkennt Komplex aus viralem Fragment und MHC-I und tötet infizierte Zelle tötet CD8 MHC- Klasse-I 118

113 T H 1- und T H 2-Zellen erkennen Antigene, die von MHC-II-Molekülen präsentiert werden T H 1-Zelle erkennt Komplex aus bakteriellem Fragment und MHC-II und aktiviert Makrophagen T H 2-Helferzelle erkennt Komplex aus antigenem Fragment und MHC-II und aktiviert die B-Zelle aktiviert T-Helferzelle aktiviert MHC- Klasse-II MHC- Klasse-II 119

114 T H 1- und T H 2-Zellen erkennen Antigene, die von MHC-II-Molekülen präsentiert werden T H 1-Zelle erkennt Komplex aus bakteriellem Fragment und MHC-II und aktiviert Makrophagen T H 2-Helferzelle erkennt Komplex aus antigenem Fragment und MHC-II und aktiviert die B-Zelle aktiviert CD4 T-Helferzelle CD4 aktiviert MHC- Klasse-II MHC- Klasse-II 120

115 Der T-Zell-Rezeptor ähnelt einem membrangebundenem Fab- Fragment Antigenbindungsstelle Antikörper Antigenbindungsstelle T-Zell- Rezeptor T-Zelle 121

116 Immunglobulinmolekühle bestehen aus zwei verschiedenen Arten von Polypeptidketten, den schweren Ketten und den leichten Ketten leichte Ketten schwere Ketten Disulfidbrücken 122

117 Unterschiede in der Antigenerkennung zwischen Immunglobulinen und T Zell Rezeptoren 123

118 Unterschiede in der Antigenerkennung zwischen Immunglobulinen und T Zell Rezeptoren Oberflächen Immunglobuline innere Strukturen TCR 124

119 Antigene können in Taschen, Gruben oder an ausgedehnten Oberflächen innerhalb der Bindungsstellen von Antikörpern binden 125

120 germinal center = Keimzentrum

121 Aktivierte T-Zellen im Keimzentrum vermitteln B-Zell-Hilfe Dies führt zur Affinitätsreifung und zum Klassenwechsel

122 Aktivierte T-Zellen im Keimzentrum vermitteln B-Zell-Hilfe Dies führt zur Affinitätsreifung und zum Klassenwechsel

123 Gedächtniszelle Tod Plasmazelle

124 bakterielle Toxine spezifische Antikörper Bakterien im extrazellulären Raum Bakterien im Plasma Antikörper können auf drei Arten an der Immunabwehr beteiligt sein Zelle mit Toxinrezeptoren Makrophage Neutralisierung Opsonisierung Aktivierung des Komlementssystems Komplement 133

125 134

126 Überblick: Komplementkaskade 135

127 Klassischer Weg: Initiiert durch C1 136

128 Klassischer Weg: Generierung von C3/C5- Konvertase (=C4bC2b) Protease-Kaskade: Signal-Amplifikation (vgl. Blutgerinnung) Regulation: Aktiv nur an Oberflächen körpereigene Zellen tragen Regulatoren 137

129 Spaltung des C5 Leitet die späte Kaskade ein. In C5-Spaltung konvergieren die 3 Wege der Komplementkaskade. 138

130 Spaltung des C5 Leitet die späte Kaskade ein. In C5-Spaltung konvergieren die 3 Wege der Komplementkaskade. Anaphylatoxine: Chemotaxis Aktivierung des membrane attack complex 139

131 Der fertige membrane-attack -Komplex erzeugt ein Loch in der Zellmembran 140

132 Lernziele Sie sollten die somatische V(D)J-Rekombination verstehen und erklären können, wie es zur hohen Vielfalt der variablen Teile der Antigenrezeptoren kommt. Weiterhin sollten Sie in der Lage sein, - zu benennen, welche Veränderungen in den Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen, die während der B-Zell- und T-Zell-Entwicklung und Differenzierung erfolgen. - den Begriff und die Bedeutung von MHC-Restriktion zu erklären. - zu beschreiben welche positiven und negativen Selektionsmechanismen die theoretische Antigenrezeptordiversität einschränken (VS 4 und VS 5). Grundlagenimmunologie

133 angeboren erworben lebensnotwendig ready to go Zellen besitzen Effektorfunktion (Phagozyten) Erkennung über PAMPs gut es zu haben braucht etwas mehr Zeit Keine basale Effektor- Funktion (Lymphozyten) hoch variable Erkennungsrezeptoren 150

134 Gene der variablen Regionen werden durch somatische Rekombination jeweils neu aus Gensegmenten aufgebaut leichte Ketten schwere Ketten Keimbahn-DNA Somatische Rekombination DJ-verknüpfte umgeordnete DNA Somatische Rekombination VJ- oder VDJ-verküpfte umgeordnete DNA Primäres RNA-Transkript Spleißen mrna Polypeptidkette 152

135 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette V-Segmente D-Segmente J-Segmente 153

136 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 200 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 154

137 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 120 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 155

138 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 320 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 156

139 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette V-Segmente D-Segmente J-Segmente 157

140 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette V-Segmente x 320 = 3.4 x 10 6 D-Segmente J-Segmente 158

141 Die genomische Organisation der Loci für die schweren und leichten Immungloblinketten in der Keimbahn des Menschen Locus der leichten λ-kette Locus der leichten κ-kette Locus der schwerenkette 159

142 Rekombinations-Signal-Sequenzen - Die 12/23-Regel 160

143 Gensegmente für variable Regionen werden durch Rekombination verknüpft 161

144 Die Einführung von P- und N-Nucleotiden an den Verknüpfungen zwischen Gensegmenten während der Immunglobulingenumlagerung RAG-Komplexe binden und spalten Rekombinationssignalsequenzen, sodass eine DNA-Haarnadelstruktur ensteht Anfügen von N-Nucleotiden durch TdT Paarung der Stränge die RAG-vermittelte Spaltung der Haarnadelstruktur erzeugt palindromartige P-Nucleotide Durch Exonucleasespaltung, DNA-Synthese und DNA-Ligation ensteht die codierende Verknüpfungssequenz 165

145 Umordnung und Expression der Gene für die α- und β-kette des T-Zell-Rezeptors Keimbahn-DNA Rekombination umgeordnete DNA Transkription Spleißen Translation Protein (T-Zell-Rezeptor) Transkription Spleißen Translation umgeordnete DNA Rekombination Keimbahn-DNA 166

146 Die Anzahl der menschlichen T-Zell-Rezeptor-Gen-Segmente und die Ursachen der T-Zell-Rezeptor-Vielfalt im Vergleich zu den Immunglobulinen Element Immunglobulin α:β - Rezeptoren V-Segmente D-Segmente D-Segmente, in drei Rastern gelesen selten oft J-Segmente Verknüpfung mit N- und P- Nucleotiden Anzahl der V-Genpaare 50% der Verknüpfungen junktionale Diversität Gesamtvielfalt 167

147 Veränderungen in den Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen, die während der B-Zell- und T-Zell-Entwicklung und Differenzierung erfolgen Vorgang erfolgt in Ereignis Vorgang Art der Änderungen B-Zellen T-Zellen Zusammensetzung der V- Regionen somatische Rekombination von DNA irreversibel ja ja junktionale Diversität unpräzise Verknüpfungen, Insertion von N-Sequenzen in die DNA irreversibel ja ja transkriptionelle Aktivierung Aktivierung des Promotors durch Nähe zum Enhancer irreversibel, aber reguliert ja ja Isotypwechsel- Rekombination somatische Rekombination von DNA irreversibel ja nein Somatische Hypermutation DNA-Punktmutation irreversibel ja nein IgM-, IgD-Expressionen auf der Oberfläche Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja nein Membrangebundene oder sezernierte Form Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja nein 168

148 Veränderungen in den Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen, die während der B-Zell- und T-Zell-Entwicklung und Differenzierung erfolgen Vorgang erfolgt in Ereignis Vorgang Art der Änderungen B-Zellen T-Zellen Zusammensetzung der V- Regionen somatische Rekombination von DNA irreversibel ja ja junktionale Diversität unpräzise Verknüpfungen, Insertion von N-Sequenzen in die DNA irreversibel ja ja transkriptionelle Aktivierung Aktivierung des Promotors durch Nähe zum Enhancer irreversibel, aber reguliert ja ja Isotypwechsel- Rekombination somatische Rekombination von DNA irreversibel ja nein Somatische Hypermutation DNA-Punktmutation irreversibel ja nein IgM-, IgD-Expressionen auf der Oberfläche Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja nein Membrangebundene oder sezernierte Form Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja nein 169

149 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen 170

150 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen Opsonisierung 171

151 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen Opsonisierung mucosale Immunität 172

152 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen Opsonisierung Komplement mucosale Immunität 173

153 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen Opsonisierung Komplement mucosale Immunität Mastzell-Aktivierung 174

154 IgM- und IgA-Moleküle können Multimere bilden IgM-Pentamer J-Kette IgA-Dimer J-Kette 175

155 Veränderungen in den Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen, die während der B-Zell- und T-Zell-Entwicklung und Differenzierung erfolgen Vorgang erfolgt in Ereignis Vorgang Art der Änderungen B-Zellen T-Zellen Zusammensetzung der V- Regionen somatische Rekombination von DNA irreversibel ja ja junktionale Diversität unpräzise Verknüpfungen, Insertion von N-Sequenzen in die DNA irreversibel ja ja transkriptionelle Aktivierung Aktivierung des Promotors durch Nähe zum Enhancer irreversibel, aber reguliert ja ja Isotypwechsel- Rekombination somatische Rekombination von DNA irreversibel ja nein Somatische Hypermutation DNA-Punktmutation irreversibel ja nein IgM-, IgD-Expressionen auf der Oberfläche Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja nein Membrangebundene oder sezernierte Form Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja nein 176

156 Keimzentren als Orte der somatischen Hypermutation

157 Keimzentren als Orte der somatischen Hypermutation

158 schwere Kette leichte Kette Immunisierung Affinität primäre sekundäre tertiäre

159 Komponenten und Aufbau des Immunsystems Initiation von Immunantworten lymphatische Organe Erkennungsmechanismen Lymphozytenentwicklung Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 180

160 Basale Aufgabe eines Immunsystems kontrolliert Selbst Immunsystem zerstört Fremd Wie unterscheidet das Immunsystem Freund und Feind? 181

161 Ignoranz angeborenes Immunsystem PRR - PAMP Muster Selbst PRR: genetisch festgelegt. Selektion im Laufe der Evolution. Fremd 182

162 Ignoranz angeborenes Immunsystem PRR - PAMP Muster Selbst Fremd Selektion adaptives Immunsystem potenziell alles 183

163 Ignoranz angeborenes Immunsystem PRR - PAMP Muster Selbst Antigenrezeptoren: ZUFÄLLIGE somatische Rekombination. Fremd Selektion adaptives Immunsystem potenziell alles 184

164 Ignoranz angeborenes Immunsystem PRR - PAMP Muster Selbst Antigenrezeptoren: ZUFÄLLIGE somatische Rekombination. Erkennung jeglicher Form von Antigen. Fremd Genetisch festgelegte Ignoranz ist keine Option. Selektion adaptives Immunsystem potenziell alles 185

165 - Autoimmunität - der Preis des adaptiven Immunsystems 186

166 - Autoimmunität - der Preis des adaptiven Immunsystems 187

167 B- und T-Zell-Entwicklung 1. Positive Selektion: Selektion funktioneller Antigen- Rezeptoren (erfolgreiche Rekombination in frame ) 2. Negative Selektion: Eliminierung von Klonen mit autoreaktivem Antigen-Rezeptor 188

168 B-Zell-Entwicklung 189

169 Avidität: hoch Zentrale Toleranz - B-Zellen Avidität: gering Avidität: gering 190

170 T-Zell-Entwicklung 191

171 Der zelluläre Aufbau des menschlichen Thymus Kapsel corticale Epithelzelle Cortex Medulla Trabekel subkapsuläres Epithel Corticomedulläre Grenze Hassall- Körperchen Thymocyt (aus dem Knochenmark) medulläre Epithelzelle dendritische Zelle (aus dem Knochenmark) Makrophage (aus dem Knochenmark) 193

172 Die epithelialen Zellen des Thymus bilden ein Netzwerk, das die sich entwickelnden Thymocyten umgibt 194

173 Die Korrelation von Entwicklungsstadien der α:β T-Zellen mit der Umordnung der T-Zell-Rezeptor-Gene und der Expression von Zelloberflächenproteinen doppelt negativ doppelt positiv einfach positiv Umordnung 195

174 Die Korrelation von Entwicklungsstadien der α:β T-Zellen mit der Umordnung der T-Zell-Rezeptor-Gene und der Expression von Zelloberflächenproteinen doppelt negativ doppelt positiv einfach positiv Umordnung + Selektion: β-kette ( β-kette-selektion ) 196

175 Figure MHC-Restriktion 7-28 part 1 of 2 bestrahlter Empfänger des MHC-Typs a bestrahlter Empfänger des MHC-Typs b 197

176 MHC-Restriktion Messung der Reaktion immunisierter F 1 -T-Zellen auf das Antigen, das von APCs des MHC- Typs a und b präsentiert wird T-Zellen reagieren auf ein Antigen, das von APCs des MHC-Types a präsentiert wird T-Zellen reagieren auf ein Antigen, das von APCs des MHC-Types b präsentiert wird 198

177 Figure

178 Lernziele Sie sollten in der Lage sein, -zu beschreiben welche positiven und negativen Selektionsmechanismen die theoretische Antigen- Rezeptordiversität einschränken (VS 4 und VS 5). -die Differenzierungsmöglichkeiten von naiven zu Effektor-T-Zellen und die für eine Aktivierung von notwendigen Signale aufzuzählen (naive CD8+ zu Killer T-Zellen, 5 Möglichkeiten für naive CD4+ T- Zellen). -zu benennen, welche Mechanismen in der Regel eine immunologische Toleranz gegenüber Selbst ermöglichen. Grundlagenimmunologie

179 Figure

180 Positive Selektion im Thymuscortex normale Expression von MHC-Klasse-II-Molekülen Mutante ohne MHC-Klasse-II- Molekülen Mutante, deren MHC-Klasse- II-Transgen nur im Thymusepithel exprimiert wird Mutante, in der ein MHC- Klasse-II-Transgen exprimiert wird, das nicht mit CD4 interagieren kann CD8- und CD4-Zellen reifen heran nur CD8-Zellen reifen heran CD8- und CD4-Zellen reifen heran nur CD8-Zellen reifen heran Bare lymphocyte syndrome II/Klasse II Defizienz: Rezessive Erkrankung, in der die Expression von MHCII aufgrund von Transkriptionsfaktor-Defekten unterbleibt. Sehr wenige CD4 T Zellen in den Patienten, wenig IgG (mangels Interleukin-4 von Helfer T-Zellen) 203

181 Figure

182 Die anderen Zellen im Thymus 207

183 Die anderen Zellen im Thymus mtec 208

184 Wie findet der Thymozyt das Selbst? Promiskuitive Genexpression in mtec durch AIRE Monogene Autoimmunerkrankung: APECED 209

185 Autoimmunes-Polyendokrinopathie- Candidiasis-Ektodermales-Dystrophie-Syndrom (APECED) Hohe Prävalenz in Finnen (1:25k), iranischen Juden (1:9k) und Sardiniern (1:14k) Erste Identifikation und Klonierung des menschlichen AIRE-Gens durch das finnisch-deutsche APECED Konsortium

186 Komponenten und Aufbau des Immunsystems Initiation von Immunantworten lymphatische Organe Erkennungsmechanismen Lymphozytenentwicklung Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 212

187

188

189 Dendritische Zellen starten eine adaptive Immunantwort unreife dendritische Zellen halten sich in peripheren Geweben auf Makropinsom dendritische Zellen wandern über afferente Lymphgefäße zu regionalen Lymphknoten reife dendritische Zelle im inneren Cortexbereich Antigen-spezifischer Lymphozyt Lymphatischer Follikel Reife dendritische Zelle innerer Cortexbereich regionaler Lymphknoten naiver Lymphozyt Mark 215

190 T-Zellen gelangen über Venolen mit hohem Endothel in den Cortex der Lymphknoten T-Zellen, die nicht auf ihr spezifisches Antigen treffen, verlassen den Lymphknoten über die Lymphbahnen Naive T-Zellen treffen während ihrer Wanderung durch die peripheren Lymphorgane auf Antigene T-Zellen überprüfen, welche Antigene die Makrophagen und dendritische Zellen präsentieren T-Zellen, die auf ihr spezifisches Antigen treffen, proliferieren und entwickeln sich zu Effektorzellen 216

191 Vorübergehende Verbindungen zwischen T-Zellen und antigenpräsentierenden Zellen werden durch eine spezifische Antikenerkennung stabilisiert T-Zellen binden zuerst über LFA- 1:ICAM die anschließende Bindung der T- Zell-Rezeptoren bewirkt ein Signal an LFA-1 durch eine Konformationsänderung von LFA-1 erhöht sich die Affinität und verlängert sich der Kontakt zwischen den Zellen 217

192 Vorübergehende Verbindungen zwischen T-Zellen und antigenpräsentierenden Zellen werden durch eine spezifische Antikenerkennung stabilisiert Immunologische Synapse 218

193 Figure 8-22 part 1 of 2 Wieviel Antigen braucht die T-Zelle? 1-10 MHC Klasse II - Peptid- Komplexe in Anwesenheit von CD4 219

194 Figure 8-22 part 1 of 2 Signal 1 Stimulation über T-Zell-Rezeptor / MHC Signal 2 Co-Stimulation über z.b. B7 (CD80 + CD86) / CD28 220

195 Die Aktivierung naiver T-Zellen erfordert zwei voneinander unabhängige Signale Spezifisches Signal und Costimulator 221

196 Auf antigenpräsentierenden Zellen werden als costimulierende Signale vor allem B7-Moleküle exprimiert, die an das T-Zell-Protein CD28 binden 222

197 durch Quervernetzung von CD28 wird bei der Aktivierung naiver T-Zellen ein costimulierendes Signal ausgesandt und die Expression von CTLA-4 (CD152) ausgelöst Die T-Zell-Aktivierung über den T-Zell-Rezeptor und CD28 führt zu einer erhöhten Expression von CTLA-4, einem inhibitorischen Rezeptor für B7-Moleküle CTLA-4 bindet stärker als CD28 an B7 (CD80 oder CD86) und übermittelt aktivierten T- Zellen inhibitorische Signale 223

198 naive T-Zelle wird durch virusinfizierte dendritische Zelle stimuliert T-Zelle erkennt dasselbe Antigen auf einer infizierten Epithelzelle aktivierte T-Zelle tötet infizierte Epithelzelle Die Bedingung, dass dieselbe Zelle sowohl das antigenspezifische als auch das costimulierende Signal aussenden muss, spielt eine wesentliche Rolle bei der Vermeidung von Immunreaktionen gegen körpereigene Antigene naive T-Zelle erkennt körpereigenes Antigen auf einer Epithelzelle antigenspezifisches Signal allein löst eine Anergie aus T-Zelle reagiert nicht auf körpereigenes Antigen auf APC 224

199 Mikrobielle Substanzen können bei Makrophagen eine costimulierende Aktivität auslösen Proteinantigen, das nicht zu einem Bakterium gehört Bakterien Bakterielle und nichtbakterielle Proteine nicht stimulierte Makrophagen senden kein costimulierendes Signal an T- Zellen, die nichtbakterielle Antigene erkennen Bakterien stimulieren Makrophagen, ein costimulierendes Signal an T-Zellen zu senden, die bakterielle Antigene erkennen Bakterien regen Makrophagen an, ein costimulierenden Signal an T-Zellen auszusenden, die nichtbakterielle Antigene erkennen anergische T-Zellen Proliferation und Differenzierung von T-Zellen, die für ein bakterielles Protein spezifisch sind Proliferation und Differenzierung von T- Zellen, die für ein nichtbakterielles Protein spezifisch sind 225

200 Aktivierte T Zellen produzieren und reagieren auf IL-2 226

201 Expansion Figure Ag-spezifischer 8-22 part 1 of T-Zellen 2 227

202 Expansion Ag-spezifischer T-Zellen Figure 8-22 part 1 of 2 Ausgangspopulation: 6000 pro Mensch CD4 + : mehrere 100-fach CD8 + : 50, ,000-fach 228

203 AktivierteT-Effektorzellen können auf ihre Zielzellen ohne Kostimulation reagieren Stimulation einer naiven T-Zelle proliferierende T-Zelle aktive T-Effektorzelle töten virusinfizierte Zielzellen 229

204 Effektor-T-Zell-Populationen 1. Cytotoxische T-Zellen (CTL, CD8 + ) 2. Helfer T-Zellen (CD4 + ) a. T h 1 b. T h 2 c. T h

205 Figure 8-31 Zytotoxische T-Zellen können Zielzellen, die das spezifische Peptid präsentieren über die Zytotoxine Perforin, Granzyme, Granulysin sowie über FasL-Fas in die Apoptose treiben. 231

206 Figure 8-22 part 1 of 2 Signal 1 Stimulation über T-Zell-Rezeptor / MHC Signal 2 Co-Stimulation über z.b. B7 (CD80 + CD86) / CD28 Signal 3 Zytokine beeinflussen die Differenzierung von Th-Zellen 233

207 Pathogen Übersicht T h Effekte T h 1 T h 2 T h 17 intrazelluläre Bakterien, Viren Helminthen extrazelluläre Bakterien, Pilze Effektor-Zytokin IFNγ, LTα IL-4, 5, 13, 25 IL-17A, IL-17F, 22, TNF Ziel-Zelle Makrophage, CTL B-Zelle Epithelien, Endothelien, Fibroblasten Effekt Pathologie Phagozytose, zytolytisch systemische Autoimmunität Ig- Klassenwechsel, Mastzellaktivierung Allergie, Asthma Akute Entzündung, Integrität der Epithelien 235 organspezifische Autoimmunität

208 Leishmania major: Modell für T h 1 vs. T h 2 Polarisierung T h 2 BALB/c lesions (size) Resistenz T h 1 time (d) C57BL/6 236

209 Naive CD4 + T-Zellen können durch Variationen des durch die antigenpräsentierende Zelle vermittelten Signals 3 verschiedene Effektorfunktionen wahrnehmen. 237

210

211 Immunologische Toleranz negative Selektion AIRE Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Zentrale Toleranz Periphere Toleranz 239

212 Immunologische Toleranz negative Selektion Co-Stimlulation Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Zentrale Toleranz Anergie Periphere Toleranz 240

213 Immunologische Toleranz negative Selektion Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Aktivierungsinduzierter Zelltod Zentrale Toleranz Anergie Periphere Toleranz 241

214 Immunologische Toleranz negative Selektion Thymus schwach negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Ignoranz Zentrale Toleranz Anergie AICD Periphere Toleranz 242

215 Scurfy (sf) syndrome Courtesy of Edgar Schmitt

216 Effektor-T-Zell-Populationen 244

217 IPEX Syndrom Immunodysregulation polyendocrinopathy enteropathy X-linked syndrome selten! Der Fall von John Doe: Bei Geburt unauffällig atopische Dermatitis in den ersten Tagen wässrige Diarrhöe mit 4 Monaten IDDM mit 6 Monaten Leukozyten normal, Hämoglobin normal, Eosinophile+, IgE+, Autoantikörper Foxp3 Gen disfunktional (IPEX) CyclosporinA, Tacrolimus, kurzfristige Besserung Knochenmarkstransplantation, nach einem Jahr symptomfrei 245

218 Lehrbücher Martin/Resch Kapitel 1-5 Janeway (7. Auflage) Kapitel 1, 2 Kapitel 3-5, 7 teilweise Kapitel 8, 10 Komponenten und Aufbau des Immunsystems Initiation von Immunantworten lymphatische Organe Erkennungsmechanismen Lymphozytenentwicklung Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 248

219 Eine Patientin Luisa: 4 Wochen alt; Geb.-Gewicht 3.7 kg Omphalitis; WBCC: /µl Antibiose 12d; WBCC: /µl Bruder: verstarb im Alter von 4 Wochen: multiple Infektionen der Haut; Omphalitis nekrotisierende Enterocolitis Staphylokokken-Pneumonie WBCC: /µl

220 Eine Patientin Luisa: Kinderklinik: X-Ray: Abdomen, Thorax: obb WBCC: /µl 73% Neutrophile 22% Lymphos 3% Eosinophile IgG: 613mg/dl IgM: 89mg/dl IgA: 7 mg/dl C3: 185 mg/dl C4: 28 mg/gl

221 Eine Patientin Luisa: Rebuck Hautfenster: Deckgläser auf Hautabrasion für 8h, alle 2h wird gewechselt: MIkroskopische Untersuchung: keine Leukozyten ausgewandert! Verdacht: LAD; Leukozyten-Adhäsions-Defizienz

222 LAD

223 Dynamik der Migration und Interaktion von Immunzellen und deren Beeinflussung zu therapeuthischen Zwecken

224 Grundlagen der Immunzell-Migration

225 Migration und Interaktion von Immunzellen als Basis der Funktion des Immunsystems Makrophage Neutrophiler Granulozyt Dendritische Zelle Helfer-T-Zelle B-Zelle Antikörper

226 Adhäsion und Einwanderung von Leukozyten in peripheren Kapillargefäßen

227 Adhäsions- und Signalmolekülen orchestrieren die gewebespezifische Einwanderung von Leukozyten from: v. Andrian and Mackay 2000, NEJM 343: Potentielle therapeutische Targets zur Modulation der Leukozyten-Migration Selectine Integrine Chemokinrezeptoren S1P-Rezeptoren

228 Rekrutierung von Effektor-Lymphozyten Chemotaktische Bewegung im Gewebe

229 Chemokines a family of chemotactic cytokines Chemokine receptors 7-transmembrane spanning G-protein coupled receptors (GPCRs) Gαi-dependent Pertussis toxin (PTX)-sensitive extracellular lumen cytoplasm chemokine (chemotactic cytokine)

230 Chemokine orchestrieren die funktionelle Gliederung von Lymphknoten und Milz in T- und B-Zell-Bereiche B T B T Lymphknoten B220 CD31 CD3 Milz CD3 IgD B220

231 Das Mehrstufen-Modell der Adhäsion und Einwanderung von Lymphozyten in Lymphknoten Rolling Aktivierung Adhäsion L- Selektin CD34 Chemokin Chemokin Rezeptor α β γ LFA-1 (inaktiv) ICAM-1,2,3 LFA-1 (aktiv) B T Transendotheliale Migration B220 CD31 CD3 B-Zell-Follikel CXCL13 T-Zell-Zone CCL21

232 -Teil Lymphknoten-Homing (in vivo Fluoreszenz-Mikroskopie)

233 Präparation des inguinalen Lymphknotens vorher Übersicht nachher Detail

234 Rolling und Adhäsion von Lymphozyten im Venenbaum des inguinalen Lymphknotens Zeitbeschleunigung: 2,5x intravitale Video- Epifluoreszenzmikroskopie Kortex des inguinalen Lymphknotens grün - CFSE-gefärbte Lymphozyten

235 Rolling und Adhäsion von Lymphozyten im Venenbaum des inguinalen Lymphknotens

236 T-Zellen im Lymphknoten (in vivo 2-Photonen-Laser-Scanning- Mikroskopie)

237 Intravitale 2-Photonen Mikroskopie des poplitealen Lymphknotens Adapted from Mempel et al. Curr Opin Immunol 2004 Adapted from Mempel et al. Curr Opin Immunol 2004

238

239

240 Structural and functional aspects of lymph node organization Macroscopic organization of LN regions

241 Cell motility and interactions in the absence of antigen B cells T cells T cells DC T cells lymphatic endothelium

242 Cellular choreography with antigen B cell chemotaxis T cell/ B cell motility pairs T cell/ DC clusters T cell egress block T cell proliferation

243 Interaktionsdynamik von Lymphozyten und Dendritischen Zellen Immunologische Synapse (IS) Zeitbeschleunigung: 200x time lapse 2-Photonen Laser-Scanning Mikroskopie äußerer Parakortex (-120 to -160 µm) des poplitealen Lymphknotens grün rot - CFSE-gefärbte Lymphozyten - TAMRA-gefärbte reife (in vitro maturierte) Dendritische Zellen Mempel et al. Nature (2004)

244 Migrationsinhibition als therapeutische Strategie: selektivere Immunsuppression?!

245 Die Magic Bullets sind da?! Monoklonale Antikörper chimär, humanisiert, human

246 Typen von therapeutisch eingesetzten monoklonalen Antikörpern Disease or Target Class: Viral -vir- Bacterial -bac- Immune -lim- Infectious Lesions -les- Cardiovascular -cir- Antifungal -fung- Neurologic -ner- Interleukins -kin- Musculoskeletal -mul- Bone -os- Toxin as target -toxa- Tumors colon -colmelanoma -melmammary -martestis -gotovary -govprostate -pr(o)- miscellaneous -tum- -omab (Maus) -ximab (chimär) -zumab (humanisiert) -umab (human) -cept (Fusinonsprotein) Inf li(m) ximab (chimärer anti-tnfα-mab) Nata li(m) zumab (humanisierter anti-α 4 integrin-mab) adapted from: Carter, Nature Reviews Cancer 1, (2001)

247 Gewinnung monoklonaler Antikörper Maus-Hybridoma-Technik Immunisierung zur Stimulierung der Antikörperproduktion Ziel-Antigen immortale Tumor- Zell-Linie Isolierung von Plasmazellen aus der Milz Plasmazellen werden mit den kultivierten Tumorzellen zu sogenannten Hybridom-Zellen fusioniert Hybridom-Zellen werden subkloniert Antikörper-produzierende Klone der Hybridom-Zellen werden auf Spezifität getestet Hybridom-Zellen produzieren monoklonale Antikörper gegen Ziel-Antigen

248 Infliximab anti-inflammatorische Therapie durch spezifische TNFα-Blockade Therapie inflammatorischer Autoimmunerkrankungen, rheumatoide Arthritis, Morbus Crohn, Psoriasis Monoklonale (chimäre) Antikörper gegen TNFα Infliximab (Remicade ) [bis zu 61% HACA-Inzidenz]

249 XenoMouse eine humanisierte Maus zur Erzeugung vollständig humaner monoklonaler Antikörper from: Scott, Nature Biotechnology 25, (2007)

250 Generierung der transgenen humanisierten XenoMouse und Produktion humaner monoklonaler Antikörper alternative Methode: Phage-Display-Technik adapted from: Brekke and Sandlie Nature Reviews Drug Discovery 2, (2003), Jakobovits et al. Nature Biotechnology 25, (2007) vollständig humaner monoklonaler Antikörper der gewünschten Spezifität

251 Mit Hilfe der XenoMouse produzierte monoklonale Antikörper in der klinischen Erprobung adapted from: Jakobovits et al. Nature Biotechnology 25, (2007) mab Panitumumab (Vectibix) Denosumab (AMG162) AMG 102 AMG 655 CP-675,206 CP-870, 893 CP-751,871 HCD122 CROO2 CRO11-vcMMAE HGS004 AGS-PSCA/ MK-4721 Target EGFR RANK ligand HGF Trail receptor 2 CTLA-4 CD40 agonist IGF-IR CD40 antagonist PDGFR GPNMB CC chemokine receptor 5 (CCR5) PSCA Indication Cancer, solid tumors Osteoporosis, treatment-induced bone loss, bone metastases, multiple myeloma Cancer, solid tumors Cancer, solid tumors Cancer, solid tumors Cancer, solid tumors Cancer, solid tumors Cancer, hematologic tumors Kidney inflammation Cancer, melanoma HIV Cancer, solid tumors Company (developer) Amgen Amgen Amgen Amgen Pfizer Pfizer Pfizer Novartis/ Xoma CuraGen CuraGen Human Genome Sciences Agensys/Merck Clinical trial stage approved; 2, 3 2, 3 1 1, b 1 2 1

252 Monoklonale Antikörper als Migrationsinhibitoren bei Psoriasis: anti-α L integrin-mab (Efalizumab)

253 Efalizumab ein blockierender anti-α L Integrin Antikörper in der Therapie gegen Psoriasis Efalizumab - blockierender, nicht-depletierender humanisierter mab gegen die α L Integrin-Kette (Bestandteil des Adhesionsmoleküls LFA-1) - LFA-1 ist u.a. auf CD45RO + Gedächtnis-Effektor-T-Zellen exprimiert adapted from: Brekke and Sandlie Nature Reviews Drug Discovery 2, (2003) Marecki and Kirkpatrick, Nature Reviews Drug Discovery 3, (2004)

254 Wirkmechanismus von Efalizumab Blockade der LFA-1/ICAM-1 Interaktion from: v. Andrian and Mackay 2000, NEJM 343: Efalizumab (humanisierter mab) Inhibition von Adhesion und Aktivierung

255 Efalizumab in der Therapie gegen Psoriasis Inhibition der Migration und Aktivierung von T-Zellen Repräsentative Antworten auf Efalizumab-Therapie adapted from: Lebwohl et al. N Engl J Med 2003;349: Tag 0 Tag 84

256 Neue Therapeutika gegen MS (1): Antikörper blockieren die Leukozyten-Inflitration ins ZNS anti-α 4 integrin-mab (Natalizumab)

257 Natalizumab ein blockierender anti-α 4 Integrin Antikörper in der Therapie gegen MS und CED Stamper-Woodruff Gefrierschnitt-Adhäsionsassay adapted from: Noseworthy and Kirkpatrick Nature Reviews Drug Discovery 4, (2005), Steinman Nature Reviews Drug Discovery 4, (2005)

258 Wirkmechanismus von Natalizumab Blockade der α 4 Integrin-Kette from: v. Andrian and Mackay 2000, NEJM 343: ZNS (Multiple Sklerose) Adhesion inflammatorischer Zellen durch Interaktion von α 4 β 1 Integrin-VCAM-1 Darm (CED) Adhesion inflammatorischer Zellen durch Interaktion von α 4 β 7 Integrin-MAdCAM-1 (in darm-assoziierten lymphatischen Organen und im Darm konstitutiv exprimiert)

259 Natalizumab in der Therapie der Multiplen Sklerose Blockade von anti-α 4 Integrin ist doppelt wichtig VCAM-1 ist auf Endothelien im Gehirn konstitutiv exprimiert Expression ist bei MS deutlich erhöht α 4 β 1 -Integrin erlaubt Rolling und Adhesion auf VCAM-1 zudem: im ZNS möglicherweise kein Rolling notwendig

260 Die Blockade der Migration von inflammatorischen Zellen durch die Blut-Hirn-Schranke ist hoch-wirksam MS-Studienprogramm der Universität von Toronto - Natalizumab (Tysabri) Radiologisches Monitoring

261 ...doch die Modulation der Immunzell-Migration ist nicht ohne Risiko! Immunhistochemischer Nachweis von JC-Virus-Protein (braun) in infizierten Gliazellen bei PML Mögliche (seltene) Komplikation: Opportunistische JC Virus-Infektion aufgrund der verminderten Immunüberwachung des ZNS nach Natalizumab-Therapie

262 Neue Therapeutika gegen MS (2): ein small molecule als Migrationsinhibitor Fingolimod (FTY720)

263 FTY720 ein vielversprechendes neues Immunsuppressivum OH Immigration Sphingosin NH 2 OH OH NH 2 Blut sekundäres lymphatisches Organ OH FTY720 (2-amino-2-(2-[4-octylphenyl]ethyl)-1,3-propanediol) Emigration synthetische Nachbildung des natürlichen Wirkstoffs Myriocin aus dem Pilz Isaria sinclairii gewonnen bereits in der traditionellen chinesischen Medizin verwendet derzeit in mehreren Phase III-Studie als MS-Therapeutikum (Fingolimod, Novartis)

264 FTY720 ein vielversprechendes neues Immunsuppressivum OH Immigration Sphingosin NH 2 OH OH NH 2 Blut sekundäres lymphatisches Organ OH FTY720 (2-amino-2-(2-[4-octylphenyl]ethyl)-1,3-propanediol) Emigration FTY720

265 FTY720 (Fingolimod) als MS-Therapeutikum

266 Das MS-Studienprogramm der Universität von Toronto FTY720 (Fingolimod) Immigration Blut sekundäres lymphatisches Organ Emigration FTY720 FTY720 (Fingolimod) Phase II-Studie bindet Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptor-1 mit agonistischer Wirkung führt zur Internalisierung der Rezeptoren ( funktioneller Antagonist ) blockiert die Auswanderung von Lymphozyten aus lymphatischen Organen (Lymphozytenzahl im Blut ) wahrscheinlich zusätzlich immunmodulatorischer Effekt im ZNS