Clinical case. A 16 year old boy has an small accident with a scratch at the right hand.

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1 Clinical case A 16 year old boy has an small accident with a scratch at the right hand. Few Hours later: around the wound 3 cm Erythema with swelling/edema. Wound and surrounding appears to be warmer and painful. Rubor redness Tumor swelling Calor warming Dolor pain Functio laesa loss of function Celsus ca 30 AC Galen ca 150 AC

2 What can trigger an inflammation? pathogen Injury, mechanical stress, Trauma infection Cell death DANGER! Activation of the immune system Elimination of pathogen Removal of dead cells

3 What can trigger an inflammation? Typical Biochemical structures= patterns pathogen PAMPs= Pathogen Associated molecular patterns Injury, mechanical stress, Trauma DAMPs=Alarmine Damage associated molecular patterns Pattern recognition receptors = PRRs (soluble and cell-associated) Activation of the immune system Elimination of pathogen Removal of dead cells

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5 Fungal PAMPs

6 How are viruses recognized? ssrna viruses use dsrna stage for replication

7 What can trigger an inflammation? Typical Biochemical structures= patterns pathogen PAMPs= Pathogen Associated molecular patterns Injury, mechanical stress, Trauma DAMPs=Alarmine Damage associated molecular patterns Pattern recognition receptors = PRRs (soluble and cell-associated) Activation of the immune system Elimination of pathogen Removal of dead cells

8 Mustererkennungrezeptoren (PRRs) membrangebundene PRRs scavenger Rezeptoren Toll-like Rezeptoren C-Typ-Lektin-Rezeptoren Erkennung nach Opsonisierung: mit Antikörpern: Fc-Rezeptoren mit C3b: Komplement-Rezeptoren CR3 cytosolische PRRs NOD-like Rezeptoren (NOD1, NOD2) RIG-I-likeRNA-Helikase sezernierte Proteine Collektine: (gehören auch zu C-Typ-Lektinen) Mannose-bindendes Lectin (MBL) und surfactant protein A, D (SP-A, SP-D) Ficoline Pentraxine: Serum Amyloid, C-reaktives Protein, endozytierende Rezeptoren signalgebende Rezeptoren: adaptive Immunantwort (Expression von Cytokinen, kostimulatorischen Proteinen Komplement-Aktivierung

9 1.Phase: reaction of local inflammation Activation of Plasma enzymes Complement Bradykinin

10 Activation of Coagulation DAMPs PAMPs

11 C5b Analaphylatoxine complement Pathogene surface C3b Alternative pathway C3 convertase C3b,Bb Plasmaproteases MBLectin pathway MBL C3 convertase C4b2b C4 C2 Classical pathway Antibody C3a C3 C5a C3 C3 C5 C5 Convertase: C3b,Bb plus C3b C4b2b plus C3b Membrane attacking complex MAC (C9)n Incorporation into Pathogenic membrane (pores, lysis)

12 Antigen-gebundenes IgM und IgG1+3 aktivieren Komplement Figure C1 binding to the Fc portions of IgM and IgG. C1 must bind to two or more Fc portions to initiate the complement cascade. The Fc portions of soluble pentameric IgM are not accessible to C1 (A). After IgM binds to surface-bound antigens, it undergoes a shape change that permits C1 binding and activation (B). Soluble IgG molecules will also not activate C1 because each IgG has only one Fc region (C), but after binding to cell surface antigens, adjacent IgG Fc portions can bind and activate C1 (D). Downloaded from: StudentConsult (on 28 November :30 AM) 2005 Elsevier

13 Der lösliche Inhibitor C1 INH hemmt die Aktivierung des klassischen Pathways Figure Regulation of C1 activity by C1 INH. C1 INH displaces C1r2s2 from C1q and terminates classical pathway activation. Downloaded from: StudentConsult (on 28 November :30 AM) 2005 Elsevier

14 Die zellmembran-gebundenen Inhibitoren DAF, CR1 + MCP inaktivieren die C3-Konvertase DAF = (CD55) decay accelerating factor MCP = (CD46) Membrane cofactor CR1 = (CD35) Complement receptor 1 Figure Inhibition of the formation of C3 convertases. Several membrane proteins present on normal cells displace either C2a from the classical pathway C3 convertase (A) or Bb from the alternative pathway C3 convertase (B) and stop complement activation. Downloaded from: StudentConsult (on 28 November :30 AM) 2005 Elsevier

15 Der zellmembran-gebundene Inhibitor CD59 (Protektin) verhindert die Polymerisierung von C9 und damit die MAC-Formierung Figure Regulation of formation of the MAC. The MAC is formed on cell surfaces as an end result of complement activation. The membrane protein CD59 and S protein in the plasma inhibit formation of the MAC. Downloaded from: StudentConsult (on 28 November :30 AM) 2005 Elsevier

16 Zellmembran-gebundene Inhibitoren (CD59 (Protektin), DAF) agieren species-spezifisch Problem in der Xenotransplantation Pigs transgenic for human complement inhibitors

17 Mast cell activation Dolor pain activated Complement C3a C5a Anaphylatoxines Mast cells (Basophile Eosinophile) Degranulation (few minutes) Pre-formed Bradykinin Histamin Nerve cells itching Endothelial cells Vasodilatation Rubor redness Tumor swelling

18 1.Phase: reaction of local inflammation Activation of Plasma enzymes Mast cells macrophages

19 PAMPS-TLR-Specificities West AP, et al in Annu. Rev. CellDev. + Biology

20 TLRs can trigger immune response via 2 different signalling pathways only Myd88 dependent TLR1/2 TLR2/6 TLR5 TLR7 TLR8 TLR9 TRIF only Myd88 Independent (= TRIF dependent) TLR3

21 TLRs are located in different cell types and compartiments mainly in macrophages and mdcs mainly in pdcs NF-kB TNFa etc. Nucleus IRF7 IFNb Also other (non-immune) cells (e.g. epithelial cells) can express TLRs

22 Other PRRs C-type lectins

23 Scavenger receptors: PPRs for both infectious nonself and modified self erkennen modified LDL (mldl) und anionische Substanzen (z.b. LPS, Lipoteichonsäuren, einige Polynukleotide) Aufnahme von acetyliertem und oxidiertem LDL und haben eine Bedeutung bei der Entstehung der Arteriosklerose (CD 36 und SR-A) Aufnahme von Listerien, Staphylokokken, Neisserien und apoptotischen Zellen (SR-A) Aufnahme von Streptokokken (MARCO, MAcrophage Receptor with COllagenous structure) splice-varianten one receptor many ligands LDL receptor ist spezifischer 2 TM N-term. extrazellulär

24 Mustererkennungrezeptoren (PRRs) membrangebundene PRRs scavenger Rezeptoren Toll-like Rezeptoren C-Typ-Lektin-Rezeptoren Erkennung nach Opsonisierung: mit Antikörpern: Fc-Rezeptoren mit C3b: Komplement-Rezeptoren CR3 cytosolische PRRs NOD-like Rezeptoren (NOD1, NOD2) RIG-I-likeRNA-Helikase sezernierte Proteine Collektine: (gehören auch zu C-Typ-Lektinen) Mannose-bindendes Lectin (MBL) und surfactant protein A, D (SP-A, SP-D) Ficoline Pentraxine: Serum Amyloid, C-reaktives Protein, endozytierende Rezeptoren signalgebende Rezeptoren: adaptive Immunantwort (Expression von Cytokinen, kostimulatorischen Proteinen Komplement-Aktivierung

25 Other PRRs NOD1 and NOD2 as intracellular PRRs

26 How can a virally infected non-immune cell, which does not express TLR3, 7 or 9 sense the viral infection and induce IFNa expression?

27 Alternative (TLR independent) intracellular RNA recognition

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29 Intracellular DNA and RNA sensors

30 Inhibition of virus replication by IFNa/b IFNa/b 2-5OA RNAseL Degradation of dsrna PKR eif2-p translation PKR = RNA-dependent protein kinase 2-5OA = 2-5 oligoadenylate synthetase

31 Alarmins = DAMPs (damage/danger associated molecular patterns) Necrotic dying cells release danger signals ECM MSU Inflammasome activation infection Cell death ATP Trauma Injury burn DC inflammation HMGB1 HSPs TLR Stimulation Plasma enzymes ECM Degradation (e.g. Hyalunoric acid) (also other receptors) HMGB = high mobility group B HSPs = heat shock proteins MSU = monosodium urate; uric acid crystals ECM = extra cellular matrix cytokines

32 Inflammasome

33 Partikel, die zum lysosomalen Schaden (und damit mitochondrialen Stress) führen, aktivieren das Inflammasom und damit Entzündung Beispiele: Harnsäurekristalle (Gicht), Asbest, Nanopartikel (Kosmetika), Aluminiumsalze (Adjuvanz) fmet mtdna

34 Inflammasome structure LRR = Leucin rich repeats CARD = Caspase recruitment domain NACHT= Nucleotide binding domain PYD = Pyrin domain

35 Cell death (DANGER signal) can trigger inflammation

36 DAMPs get released by necrotic but not apoptotic cells

37 DAMPs can get inactivated during Apoptosis

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39 Summary PRRs

40 Summary PRR signaling

41 Other cytokines (IL-1, TNF-a) stimulate similar pathways IL-1R IL-17 Such cytokines activate (amplify) inflammation they act as danger signals!

42 pathogen 3) Sekretion of pro-inflammatory mediators by immune cells (Makrophages, Dendritic cells) bioactive lipids (Thromboxanes, Prostaglandines, leukotriens) Vasodilation Higher blood circulation rubor=redness cytokines Activation of local endothelial cells chemokines attract gorging phagocytic cells tumor=swelling

43 Synthesis of bioactive Lipids Pharmacological Targets: Phospholipase A2 Cyclooxygenase (COX) Ibuprofen

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45 Blutgefäß Gewebe (Haut) Haut (Epithel) Komplement aktivierung MΦ DCs Mast zelle Histamin PGs Zytokine (z.b. TNFa, IL-1) Chemokine (z.b. IL-8 = CXCL8) Vaso dilatation Öffnung Tight junctions Influx C +AK Induktion Adhäsions moleküle Influx Granulozyten PAMPs = pathogen associated molecular patterns DAMPS = danger/damage associated molecular patterns PRRs = pattern recognition receptors

46 Cytokine production is controlled on several levels LPS TLR4 Level of cytokine production IL-10 effect MAPK IkB Signalling No AP-1 NF-kB Transcription? (factors + epigenetic) ARE mrna-stability yes Cytokine processing/ secretion yes

47 Epigenetic regulation of cytokine expression

48 Posttranscriptional control of LPS induced cytokine induction LPS TLR4 ATP P2X7 Nigericin Uric acid crystals Bacterial RNA MDP IL-1b K +? K +? Inflammasome secretion TRAF6 Caspase-1 IKK a,b,g IkB p50 p65 NF-kB TAK1 MKK 3,6 JNK p38 Pro-cytokine mrna IL-1b translation IL-1b processing AAAAA AUUUA ARE-BPs MK2 mirnas IL-1b mature cytokine transcription Jun AP-1 FOS p50 p65 IL-1b IL-18 TNF-a

49 Zytokine machen Entzündung Chemokine locken Leukozyten ins entzündete Gewebe Blutgefäß Gewebe (Haut) Chemokine Zytokine Haut (Epithel) transmigration Slow rolling rolling Gefäßwand (Endothel) Blutfluss Leukozyt Entzündungsbotenstoffe weisen den Weg zur Infektionsstelle

52 Anlocken und Extravasation von Neutrophilen Glykoprotein-Selektin Chemokin-Chemokin-Rezeptor Integrin-Integrin-Ligand PECAM CXCL8 (IL-8) wirkt chemotaktisch auf Neutrophile bacterial products (fmlp), C5a, LT- B4 Ca 2+ Cytoskelett Neutrophile wandern schneller zum Entzündungort (1 d) als Monozyten (2-3 d) P-selectin glycoprotein ligand-1 P(platelet)-Selektin aus intrazellulären Vesikeln (Weibel-Palade-bodies) Sekunden nach Signal, z. B. Histamin an die Zelloberfläche E(endothelial)-Selektin: Neusynthese induziert durch TNF-a oder IL-1 über NFkB IL-12 Aktivierung von NK-Zellen TNF-a, IL-1 induzieren Bildung von Zell-adhäsionsmolekülen, erhöhte Gefäßpermeabilität (TNF-a) IL-6 Leber: Bildung von Akut- Phase-Proteinen Fieber (IL-1, TNF-a, IL-6)

53 Neutrophil ways of KILLING

54 Adhesion molecules

55 PAMPs neutro ICAM-1 neutro LFA-1 TNFa, IL-1 CXCL8= IL-8 Macro

56 Induction of Adhesion molecules (Selektines) on Endothelial cells (ICAM-1; E-Selectin) and Immun cells (LFA-1; L-Selectin) cytokines (TNF-a; IL-1, IL-6) Chemokines e.g. Interleukin-8 (IL-8) = CCL8 Konzentrations gradient complement activation C5a Inflammatory locus

57 Makrophage functions 1) Secretion of pro-inflammatory mediators a) cytokine b) chemokines c) bioactive lipids 2. Phase: attraction/accumulation of more/other immune cells 2) Phagocytosis 3) Killing of phagocytosed pathogen

58 Clinical case development Afternoon: ague (shivering fever) 38,5 o C. Local inflammation signs enhanced. Additonally signs of Lymphadenitis and swelling of lymphnodes. Medic prescribes Antibiotics (Ampicillin) and lokal cooling Kühlung. Start of acute phase response

59 Warning remote response cytokines Tumor Necrosis Factor alpha (TNF-a) Interleukin-1 (IL-1) Pyrogene cytokines Interleukin-6 (IL-6) Granulocytes/Monocytes Colony Stimulating factor GM-CSF Hypothalamus Temperature Set point changes Fever Liver Synthesis of Acute-Phase-Proteins u.a. Opsonisation Bone marrow New synthesis of Phagocytic cells Linksverschiebung

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61 Akut Phase Proteine Opsonisierung: Markierung von Erregern durch Bindung an Erregerstrukturen für die erleichterte Phagozytose Beispiele: Collectins: C reaktives Protein (CRP) mannose binding protein (MBP) serum amyloid protein (SAP) surfactant proteins (SP-A SP-D) Komplement C3 (C3b)

62 Energy for the immune system Adipocyted Lipolyse Lipoproteinlipase- Activity Lipid metabolism IL-1 and TNF-alpha Appetite Muscle cells Protein metabolism cachexia and Wasting

63 Makrophage functions 1) Secretion of pro-inflammatory mediators a) cytokine b) chemokines c) bioactive lipids 2. Phase: attraction/accumulation of more/other immune cells 2) Phagocytosis 3) Killing of phagocytosed pathogen

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65 Phagozytosis receptors for opsonized pathogenes CRP MBP Fibronektin Komplement (C3b) Pathogene Oberfläche C3b? CRP-Rezeptor (CD32??)? MBP-Rezeptor (CD14??) Integrine CR1 (CD35) Antikörper Fc-Rezeptoren (CD16; CD32; CD64) Opsonisierungsprinzip Makrophagen

66 Phagozytosis receptors for non-opsonized pathogenes Scavenger-Rezeptoren: SR-A I+II MARCO Lektin-type-Rezeptoren: Mannose Rezeptor b-glukan-rezeptor (Dectin-1) LPS-Rezeptor CD14

67 Phagozytose-Rezeptoren für opsonisierte Pathogene CRP MBP Fibronektin Komplement (C3b) Pathogene Oberfläche C3b? CRP-Rezeptor (CD32??)? MBP-Rezeptor (CD14??) Integrine CR1 (CD35) Antikörper Fc-Rezeptoren (CD16; CD32; CD64) Opsonisierungsprinzip Makrophagen

68 Phagozytose 1) Aufnahme des Erregers - Pseudopoiden - Aufnahme in die Zelle - Ablösung von Zellmembran 2) Verschmelzung mit Lysosom - Phagolysosom - saurer ph 3) Abtöten des Erregers - oxidative burst (O2-Radikale; NO) 4) Abbau der Erregerbestandteil - Enzyme (Hydrolasen, Proteasen, etc...)

69 Principles of KILLING

70 ROS-formation ROS = reactive oxygen species respiratory burst

71 Stickstoffoxid-abhängiges Abtöten

72 Trotz unfreundlicher Bedingungen Überleben von intrazellulären Bakterien Beispiele: Mycobakterien tuberculosis leprae

73 Phagozytose nicht möglich-was nun? Parasiten z.b. Würmer Frustrierte Phagozytose Degranulation Fce IgE Mastzellen Eosinophile Basophile C3a C5a

74 Phagozytose nicht möglich-was nun? Hermetisch Abriegeln Granulom

75 What happens if you have a mutation in the NAPDH-Oxidase Chronic granulomatosis

77 Von der angeborenen zur erworbenen Immunität: Transport von Erregerbestandteilen zum Lymphknoten TLR

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79 Von der angeborenen zur erworbenen Immunität: Lymphknoten Treffpunkt der Immunzellen

80 Activation of inflammation by Danger is required to initiate an immune response apoptotic cell death necrotic cell death Pathogen (PAMPS) NO danger Damage (DAMPS) DC DC Ag presen tation T soluble Mediators (e.g. cytokines) Ag presen tation T costimulation

81 Lymphe und Lymphbahnen Lymphe: wasserklare Flüssigkeit; nur viszeral durch Chylomikronen milchig getrübt; bis 2 L/d werden in die Blutbahn eingespeist Gefäße und Leitungen, welche Flüssigkeit der Gewebe aufnehmen und zurück zur Blutbahn bringen (überwiegend linke Schlüsselbeinvene)

82 Immunologie-Vorlesung MHC und Antigenpräsentation Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC, major histocompatibility complex) Antigen-Prozessierung Professionelle Antigen-präsentierende Zellen: Dendritische Zellen, B-Zellen und Makrophagen soweit nicht anders angegeben, Abbildungen aus Janeway s Immunobiology, Garland Science, 8.ed. / 2008

83 Antigen presentation via Major histocompatibility Antigens responsible for Transplant rejection Major histocompatibility complex = MHC (all spezies) In Humans they are named: Human Leukocyte Antigen = HLA

84 Erworbene Immunität: Aktivierung von CD4+ T-Helfer-Zellen Extrazelluläre Erreger Antigen präsentierende Zelle Extrazelluläre Erreger werden in endozytotischen Vesikeln prozessiert und über MHC Klasse II Moleküle CD4+ T-Helfer-Zellen präsentiert. MHC Klasse II Moleküle werden nur von Antigen präsentierenden Zellen exprimiert (Dendritische Zellen, Makrophagen, B-Zellen)

85 MHCII-presentation

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87 Erworbene Immunität: Aktivierung von CD8+ zytotoxischen T-Zellen Infizierte Zelle viral protein Major Histocompatibility Complex Intrazelluläre Erreger werden durch das Proteasom prozessiert und über MHC Klasse I Moleküle den CD8+ zytotoxischen T-Zellen präsentiert. MHC Klasse I Moleküle werden von allen Körperzellen exprimiert

88 MHCI-presentation

89 Antigen-Präsentation von cytosolischen Antigenen über MHC-I fehlgefaltete cytosolische (und virale) Proteine werden ubiquitiniert und im Proteasom gespalten über einen ABC-Transporter (TAP) ins ER transportiert dort an MHC-I-Moleküle gebunden und zur Zelloberfläche transportiert

90 Viruses have evolved different evasion strategies for MHCI escape

91 MHC class I HLA-A, B und C MHC class II = HLA-DR, DP und DQ Presentation of endogenes Antigens (host, Tumors, Viruses) Presentation exogenes Antigens (Bakterien, Pilze etc.) all nucleated cells Only on specialized Antigen-presenting cells (=APCs) (DCs, Makrophages; Monocytes, B-cells) Recognition by cytotoxic T-Lymphozyten (CD8+) Recognition by T-Helper Lymphozyten (CD4+)

92 Professionelle antigenpräsentierende Zellen Dendritische Zelle FcgR, CR, Mannose receptors, DEC-205 phagocytosis Viral Infection macropinocytosis endocytosis Endosomes/lysosomes cross presentation Cytosol MHC-II MHC-I starke Induktion der Expression von MHC-II und B7 durch verschiedene Rezeptoren (TLR, scavenger receptor, CR, MMR), geeignetes Wanderungsverhalten (treffen T-Zellen in den Lymphknoten Makrophage phagocytosis FcgR, CR, Mannose receptors Endosomes/lysosomes MHC-II Induktion der Expression von MHC-II und B7 durch verschiedene Rezeptoren (TLR, scavenger receptor, CR, MMR) B-Lymphozyt B cells only internalize antigens that bind to BCR. MHC-II stark exprimiert BCR MHC-II kostimulatorisches Molekül B7.1 wird durch LPS induziert

93 How can DCs prime naive CD8+ T cells for viral antigens?

94 MHC class I HLA-A, B und C MHC class II = HLA-DR, DP und DQ Presentation of endogenes Antigens (host, Tumors, Viruses) all nucleated cells Recognition by cytotoxic T-Lymphozyten (CD8+) Presentation exogenes Antigens (Bakterien, Pilze etc.) Only on specialized Antigen-presenting cells (=APCs) (DCs, Makrophages; Monocytes, B-cells) Recognition by T-Helper Lymphozyten (CD4+) Crosspresentation (viral epitopes for naive CD8+ T cells)

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97 Zytokine machen Entzündung Chemokine locken Leukozyten ins entzündete Gewebe Blutgefäß Gewebe (Haut) Chemokine Zytokine Haut (Epithel) transmigration Slow rolling rolling Gefäßwand (Endothel) Blutfluss Leukozyt Entzündungsbotenstoffe weisen den Weg zur Infektionsstelle