Institut für Medizinische Immunologie

Transkript

1 Institut für Medizinische Immunologie Direktor: Vorlesung: Prof. Hans-Dieter Volk (Sekretariat) Dr. rer. nat. Gerald Grütz Prof. Birgit Sawitzki Vorlesungsplan/Folien: OS-Themen+paper: Prüfungsschwerpunkte: ca. 10 Einsprechthema freier Wahl Liste per oder auf homepage

2 Oberseminare 3 Seminare von uns gestaltet (- bei Variante 2 vor Xmas): a) Flowzytometrie b) Tiermodelle c) Gemeinsames paper Restliche Seminare: Vorstellung von Originalpapern durch Studenten thematisch an Vorlesung Variante 1 jeden Freitag Variante 2 gebündelt am Ende Freitag nachmittag +Samstag (Vorschlag: am Ende des Fachkurses )

3 Literatur und Quellennachweis Bröcker: Grundwissen Immunologie Holländer: Immunologie Grundlagen f. Klinik&Praxis Abbas: cell. and mol. Immunology Janeway s Immunobiology (auch in Deutsch) + gute Zusammenfassung: What is Immunology? ( Blackboard) Quellennachweis: Abbas, cell.&mol.immunology; Janesway s immunobiology; Kalat, Biological Psychology;

4 Immunology

5 Principles of the Immune System Evolutionary very old Multicellular organism needs to keep identity example sponges:

6 Principles of the Immune System necessity of recognition of and discrimination between SELF and FOREIGN Evolution of effector functions for maintaining SELF and destruction of FOREIGN

7 Unterscheidung zwischen FREMD und SELBST KOMMENSALE und PATHOGENE commensalis Tischgenosse

8 Principles of the Immune System failure of recognition of and discrimination between SELF and FOREIGN: 1) Loss of identity (absorbtion, death) 2) Horror autotoxicus (autoimmunity) 3) Collateral damage

9 wer beschäftigt sich mit Immunologie und immunol. Methoden Immunologie zentrale Frage: Unterscheidung Selbst-Fremd Toleranz Immunität klinische Immunologie Überempfindlichkeit, Allergie Autoimmunerkrankungen Pharmakologie Impfung Immunsuppressiva Immundefizienz Transplantationsmedizin Verhinderung der Abstoßung von Transplantaten Immunchemie therapeutische Antikörper Anwendungen von Antikörpern Diagnostik wichtige Arbeitstechniken und Methoden für Biotechnologen (Auswahl) ELISA, Western blot, FACS, MACS, Hybridoma-Technologie, Phagendisplay-Technik und Herstellung rekombinanter Antikörper

10 Immunology Latin: Immunis, immunitas = exempt (befreit) of duties/taxes Protection/surveillance of HOST against: 1) Infectiones (Pathogenes) 1 st mentioning of immunity: 430 BCE in Athens by Thucydides!! survivors of a plague could nurse sick without getting a second time the disease

11 Vaccination 1. Impfung: Variolation BC (!) in China (Variola = Blattern/Pocken) abgeschwächte Erreger von Patienten, die Krankheit überstanden hatten im 15th century in China, India, Turkey genutzt nach England um 1722 durch Frau des Britischen Botschafters in Konstantinopel Ersetzt durch sicherere Vakzinierung durch Edward Jenner (1796) Impfung mit Kuhpocken verhinderte Erkrankung an humanen Pocken (lat. vaccinae = von der Kuh stammend) Eigentlich die ersten Vakzinierungen: Benjamin Jesty 1774 (Familie) Peter Plett 1791 (3 Kinder in Deutschland)

12 Grundlagen der angeborenen und erworbenen Immunität, Institut für Medizinische Immunologie Beispiel: Erfolg der Polio-Impfung Warum hatte Herr Jenner damit Erfolg? Fälle pro Einwohner

13 Grundlagen der angeborenen und erworbenen Immunität, Institut für Medizinische Immunologie Beispiel: Masernimpfung Warum hatte Herr Jenner damit Erfolg? Fälle pro Einwohner SSPE Fälle in den USA

14 ausgewählte Meilensteine in der Geschichte der Immunologie Thukydides, 430 v. Chr.: Infizierte, die die attische Seuche überlebt hatten, waren immun gegen eine zweite Infektion Variolation BC (!) in China (Variola = Blattern/Pocken) Jenner, 1798: Impfung mit Kuhpocken (Vaccinia)-Virus schützt vor Pocken (lat. vaccinae = von der Kuh stammend) Benjamin Jesty 1774 (Familie); Peter Plett 1791 (3 Kinder in Deutschland) Pasteur, 1880er: Impfung mit abgeschwächten Erregern gegen Cholera bei Hühnern; Tollwut von Behring, 1891: Serum aus mit dem Diphtherie-Toxin immunisierten Tieren ermöglichen Heilung der Diphtherie-Erkrankung Metchnikoff, 1883: Makrophagen fressen Mikroorganismen (an Seeanemonen) Ehrlich 1897: Antikörper binden spezifisch an die Antigene (z. B. Toxine)

15 ausgewählte Meilensteine in der Geschichte der Immunologie Landsteiner, 1930, Blutgruppenantigene; (Heidelberger, Kabat, 1930er: Immunpräzitiation) Snell, Dausset, Benacerraf, 1980 / Doherty, Zinkernagel, 1996: MHC-Komplex, MHC-Restriktion MacFarlane Burnet, 1950, klonale Selektionstheorie, Tonegawa, 1987: Antikörperdiversität durch gene rearrangement Köhler, Milstein, 1984: Monoklonale Antikörper Beutler (1998), Hoffmann(1996): TLRs Steinman (1973): DCs

16 Who is recognized as Aliens? Pathogenes Bacterias fungis Viruses Parasites Gram + Candida Gram aspergillus Extracellular (z.b. Staphylococcus) Intracellular (e.g. Mycobacterias) Gut flora? dsrna ssrna dsdna ssdna Protoazoas helminth Milben

17 Immunology Latin: Immunis, immunitas = free of duties/taxes Protection/surveillance of HOST against: 1) Infectiones (Pathogenes) 2) Toxines (biological + chemical) 3) altered SELF: tumours 4) removal of death SELF cells (e.g. after apoptosis) 5) Transplantes 6) fetus (=transplant, parasite) Generation of DIVERSITY

18 Parts of the Immune System

19 Teile des Immunsystems Thukydides, 430 v. Chr.: Infizierte, die die attische Seuche überlebt hatten, waren immun gegen eine zweite Infektion Erworbene/adaptive (lernfähige) Immunität mit GEDÄCHTNIS Angeborene (innate) Immunität Variolation BC (!) in China (Variola = Blattern/Pocken) Jenner, 1798: Impfung mit Kuhpocken (Vaccinia)-Virus schützt vor Pocken

20 Das Immunsystem höherer Organismen Angeboren ( innate ) Erworben ( adaptive ) in allen Pflanzen und Tieren kurze Reaktionszeit (Stunden) eingeschränkte Erregerspezifität (aber Unterscheidung zwischen Erregertypen) nur in Vertebraten, erstmalig bei Haien lange Reaktionszeit (primär: Tage) kurze Reaktionszeit nach Ausbildung eines Gedächtnis hohe Erregerspezifität geringes Erkennungsmusterrepertoire kein immunologisches Gedächtnis hohes Erkennungsmusterrepertoire immunologisches Gedächtnis

21 Teile des Immunsystems Thukydides, 430 v. Chr.: Infizierte, die die attische Seuche überlebt hatten, waren immun gegen eine zweite Infektion Erworbene/adaptive (lernfähige) Immunität mit GEDÄCHTNIS Angeborene (innate) Immunität Metchnikoff, 1883: Makrophagen fressen Mikroorganismen Zelluläres Immunsystem Ehrlich 1897: Antikörper binden spezifisch an die Antigene Humorales Immunsystem (lösliche nicht zelluläre Komponenten)

22 Teile des Immunsystems Thukydides, 430 v. Chr.: Infizierte, die die attische Seuche überlebt hatten, waren immun gegen eine zweite Infektion Erworbene/adaptive (lernfähige) Immunität mit GEDÄCHTNIS Angeborene (innate) Immunität Metchnikoff, 1883: Makrophagen fressen Mikroorganismen Zelluläres Immunsystem Ehrlich 1897: Antikörper binden spezifisch an die Antigene Humorales Immunsystem (lösliche nicht zelluläre Komponenten)

23 Teile des Immunsystems: humorale Komponenten innate adaptive

24 Teile des Immunsystems: humorale Komponenten (Bestandteil des Blutplasmas) innate Komplementsystem adaptive Antikörper Bordet, 1890, Komplementvermittelte Bakteriolyse : hitzelabile Komponente im Serum (> 30 Proteine) verstärkt (komplementiert) die Wirkung von Antikörpern. siga-dimer Zytokine (lösliche Regulatoren des Immunsystems)

25 Teile des Immunsystems Thukydides, 430 v. Chr.: Infizierte, die die attische Seuche überlebt hatten, waren immun gegen eine zweite Infektion Erworbene/adaptive (lernfähige) Immunität mit GEDÄCHTNIS Angeborene (innate) Immunität Metchnikoff, 1883: Makrophagen fressen Mikroorganismen Zelluläres Immunsystem Ehrlich 1897: Antikörper binden spezifisch an die Antigene Humorales Immunsystem (lösliche nicht zelluläre Komponenten)

26 Teile des Immunsystems: zelluläre Komponenten innate adaptive

27 Teile des Immunsystems: zelluläre Komponenten (Leukozyten) innate adaptive Phagozyten Granulozyten Neutrophile Eosinophile Basophile Monozyten Makrophagen (MФ) Dendritische Zellen (DCs) Mastzellen T lymphoyctes (T cells) T helfer Zellen (TH, CD4+) zytotoxische T Zellen (Tc, CD8+) B lymphocytes (B cells) Antigen präsentierende Zellen (APCs) Lymphozyten Innate lymphoid cells (ILCs) Natural Killer Cells (NK cells)

28 Generation of the Cellular Immune System Haematopoiesis totipotent ESC Adult stem cell Self renewal

29

30 Hämatopoiese Bildung der Leukozyten, Erythrozyten und Blutplättchen aus lymphatischen und myeloiden Vorläuferzellen aus dem Knochenmark modifiziert Leukozyten Lymphozyten Phagozyten konventionelle DC

31 Generation of the Cellular Immune System Haematopoiesis Knochenmark Blut/Gewebe CD34+ Lymphozyten Leukozyten Dendritic cells Mast cells Phagozyten

32 Background Allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-hsct) Treatment of hematopoietic/ non-hematopoietic tumors congenital disorders (e.g. immune deficiencies) Conditioning myeloablative high dosis chemotherapy (e.g. cyclophosphamide) 12 Gy TBI RIC (older patients) e.g. Fludara/Treo 2-8 Gy irradiation GvHD prophylaxis immune suppressiva (e.g. Cyclosporine, Methotrexat) ATG

33 Self renewal versus differentation Non-symmetric cell division differentiation NO differentiation Oberflächemarker: Lin- (keine lineage spezifischen Marker) Sca1 + ; Thy1.1 lo, c-kit + ; CD34 -/lo

34 Extracellular factors driving Haematopoiesis

35 Extracellular factors driving Haematopoiesis Growth factors: Differentiation factors: Examples:...-CSF M-CSF: GM-CSF: EPO IL-3 IL-7 proliferation, self renewal activation of differentiation colony stimulating factor macrophage-csf granulocyte-macrophage-csf erythropoietin Interleukin-3 Interleukin-7 Cell needs to express the respective receptor!!

36 Transcription factors controlling Haematopoiesis totipotent ESC multipotent HSC Tal-1 Lmo2 GATA-1 NF-E2 PU-1 GATA-2 Ikaros c-fos E2A, Pax5

37 Transcription factors controls expression of receptor for growth factor Downregulation of GM-CSF Receptor CLP lymphoid HSC Loss of self renewal Early Progenitor TF-1 GM-CSF CMP myeloid

38 Transcription factors controls expression of receptor for growth factor But who controls the controller???

39 Stochastic model of transcription factor regulation

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41 Tissue distribution of haematopoiesis

42 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)

43 Blood smear 95 % O,14% 4,7%

44 Phagocytes Polymorphkernige Granulozyten 60-70% Monozyten 10% Entsprechend der Färbbarkeit der Granula Neutrophile Eosinophile Basophile Differenziert Zu MΦ oder DC >90% 2-5% 0,1-1% Bakterien/Pilze Parasiten Allergien Phagozytose Degranulation Bakterien/Pilze Phagozytose Antigenpräsentation

45 innate Lymphocytes adaptive Bone marrow NK cells T cells B cells plasma cells 10% 60% Percentage of PBMCs 2-5% CD16, CD56 CD3 CD19 CD4 T helper=t H CD8 T cytotoxic=t c Cell killing Immune regulation Cell killing Antibody maturation Antibody secretion

46 Angeborenes Immunsystem: Phagozyten Neutrophile Granulozyten: Phagozytose Mehrlappiger Kern, feine zytopl. Granula antibakterielle Abwehr Auswurf von NETs (Neutrophil Extracellular Traps) Eosinophile Granulozyten: Phagozytose Parasitenabwehr toxische Enzyme in den Granula

47 Angeborenes Immunsystem: Phagozyten mit erweitertem Aufgabenbereich Dendritische Zellen: Phagozytose Erkennen von Erregermustern Präsentation von Erregerbestandteilen Makrophage (Gewebe)/Monozyt (Blut): Phagozytose Erkennen von Erregermustern Präsentation von Erregerbestandteilen

48 Angeborenes Immunsystem: Mast- und NK-Zellen Mastzellen: Histamin/Heparin in zytopl. Granula Allergie Parasitenabwehr Natürliche Killerzellen (NK-Zellen): Erkennen und Abtöten von infizierten / gestressten Zellen durch tox. Enzyme Einleiten von adaptiven Immunantworten

49 polymorphkernige Granulozyten (50-70%) Neutrophile (<90%) Eosinophile (2-5%) Basophile (<1%) angeboren Leukozyten ( /µl) Monozyten (2-8%) Makrophagen im Gewebe Dendritische Zellen PBMCs NK-Zellen (10%) Lymphozyten (ca 20-45%) T-Zellen (60%) B-Zellen (2-5%) erworben

50 Anzahl der Zellen im Blut kann Indikator für bestimmte Infektionen sein polymorphkernige Granulozyten (50-70%) Neutrophile (<90%) Eosinophile (2-5%) Basophile (<1%) angeboren Leukozyten ( /µl) Monozyten (2-8%) Makrophagen im Gewebe Dendritische Zellen PBMCs Lymphozyten (ca 20-45%) NK-Zellen (10%) T-Zellen (60%) B-Zellen (2-5%) erworben

51 Das Immunsystem höherer Organismen Angeboren ( innate ) Erworben ( adaptive ) in allen Pflanzen und Tieren kurze Reaktionszeit (Stunden) keine Erregerspezifität (aber Unterscheidung zwischen Erregertypen) nur in Vertebraten, erstmalig bei Haien lange Reaktionszeit (primär: Tage) kurze Reaktionszeit nach Ausbildung eines Gedächtnis hohe Erregerspezifität geringes Erkennungsmusterrepertoire kein immunologisches Gedächtnis hohes Erkennungsmusterrepertoire immunologisches Gedächtnis