Immunologie Block 4. Prinzipielles zur Organisation des Immunsystems - Definitionen

Transkript

1 Immunologie Block 4 Prinzipielles zur Organisation des Immunsystems - Definitionen Immunologie ist die Lehre von den Abwehrmechanismen eines Organismus gegen Mikroorganismen (wie Viren, Bakterien Protozoen, Würmer, Pilze) und deren Produkte sowie die Beschreibung der Auswirkungen der Vorgänge, die zu dem daraus resultierenden Schutz führen. Die eigentliche Aufgabe des Immunsystems besteht einerseits im Freihalten des Organismus von möglicherweise schädigenden Einflüssen (v.a. durch Mikroorganismen) und andererseits die Entsorgung von abgestorbenem Material. Im Falle einer Fehl/Nichtfunktion des Immunsystems kann es zu Immundefizienzen bzw. Autoimmunreaktionen kommen. Die erste Abwehrfront besteht in der physikalischen Barriere durch äussere und innere Oberflächen sowie der speziellen chemischen Eigenschaften von Körperflüssigkeiten. Wenn diese Barriere von Mikroorganismen überwunden wird, kommt es zur koordinierten Rekrutierung von Zellen des Immunsystems, die eine Abwehrreaktion gegen den Eindringling starten. Diese Zellen sind in erster Linie Makrophagen, neutrophile Granulozyten und Dendritische Zellen, die diese Keime aufnehmen. Die Wechselwirkung zwischen Zellen und Erregern bzw. deren Produkten erfolgt über die Erkennung durch bestimmte Rezeptoren an der Oberfläche der jeweiligen Zellen. Weitere Abwehrmechanismen sind lösliche Mediatoren, welche wie z.b. Laktoferrin den Eindringlingen lebensnotwendige Stoffe (wie Eisen) entziehen, oder bestimmte Substanzen, die sich an der Oberfläche von Epithelien, in Sekreten (wie in Tränenflüssigkeit or Speichel) und im Blut befinden. Die Art der Abwehrreaktion wird als angeborene oder natürliche Immunität (teilweise auch aber eher unzutreffend als unspezifische Immunität) bezeichnet und beschreibt die Auswirkung/Reaktion von bereits vorhandenen Effektormechanismen inklusive der physikalische Barrieren von Oberflächen bzw. der Beteiligung von Körpersekreten im Kampf gegen das Eindringen von Erregern. Sie ist immer gleichermassen bereit ein Eindringen/Ausbreiten zu vereiteln. Dem gegenüber steht die zweite Abwehrfront, die spezifische oder adaptive Immunität. Diese benötigt einige Tage, um entsprechend aktiviert zu werden, wenn der Organismus mit diesem Eindringling noch nicht in Kontakt gewesen ist. Bei dieser Art der Immunreaktion beobachtet man die Produktion von Antikörpern (lösliche Proteine, die spezifisch an Antigene binden) und die Beteiligung von Zell-vermittelten Reaktionen, bei denen spezifische Zellen eine Infektion von Zellen erkennen und dann zur Elimination des Erregers beitragen. Die Immunantwort im Falle einer erneuten Infektion mit dem gleichen Erreger ist meist viel schneller und stärker als beim ersten Mal, da hierbei bereits Gedächtniszellen rekrutiert werden können. Die Wechselwirkung zwischen Zellen erfolgt sowohl über die Erkennung von bestimmten Rezeptoren an der Oberflächer der interagierenden Zellen, wie auch durch bestimmte Botenstoffe, die Zytokine und Chemokine, welche von verschiedenen Zellen eines Organismus produziert werden können und ebenfalls über Oberflächenrezeptoren ihre Wirkung an der Zielzelle entfalten. Diese Immunität umfasst also die Reaktion von Immunkomponenten gegen ein bestimmtes Antigen durch spezifische Erkennung dieses Antigens. Sie ist durch eine verzögerte Reaktion gekennzeichnet und führt zur

2 Ausbildung eines immunologischen Gedächtnisses. Das spezifische Immunssystem kann sich an einen vorhergehenden Kontakt mit einem Pathogen/Antigen über einen unterschiedlich langen Zeitraum hinweg erinnern, sodass ein weiterer Kontakt zu einer viel effizienteren Immunantwort führt. Das spezifische Immunssystem verstärkt und unterstützt die Mechanismen der angeborenen Immunität und richtet ihre Effektormechanismen gezielt gegen bestimmte Antigene, sodass diese selektiver und effizienter eliminiert werden können. Die Hauptmerkmale der spezifischen Immunität sind Gedächtnis und Spezifität der Reaktion. A. Angeborene (auch natürliche) Immunität 1. Ist bereits vor Antigenkontakt entsprechend ausgebildet und tritt als erstes in Aktion 2. Erkennung von bestimmten Strukturen an der Oberfläche von Erregern, die jedoch nicht spezifisch für diesen Erreger sein müssen 3. Kann insbesondere durch Mediatoren (wie z. B. Zytokine) nach Antigenkontakt in ihrer Wirksamkeit gesteigert werden B. Spezifische (erworbene, adaptive) Immunität 1. Ein Charakteristikum der spezifischen Immunantwort ist die Fähigkeit zwischen verschiedenen Antigen genau unterscheiden zu können, wobei üblicherweise aufgrund geeigneter Selektion der reaktiven Zellen während der Entwicklung nur gegen Fremdantigene eine Reaktion gestartet wird (Fremd/Selbst Unterscheidung durch Deletion). 2. Die Immunantwort wird nur gegen das Antigen, gegen das sie ausgebildet wurde oder bestenfalls gegen ein sehr ähnliches Antigen gerichtet (Spezifität). 3. Weist Erinnerung an frühere Antigenkontakte auf und kann somit bei wiederholtem Antigenkontakt auf eine andere (raschere) Art reagieren. Üblicherweise kann ein derartiges Gedächtnis nur durch Kontakt mit dem gleichen Antigen abgerufen werden. 4. Unterschiedliche Reaktion (Schutzmechanismus) je nach Lokalisation des Pathogens - Es gibt prinzipiell zwei Lokalisationen, an denen Pathogene vorgefunden werden können: a) extrazellulär, b) intrazellulär Antikörper dienen zur Abwehr von Keimen im extrazelluären Bereich, während für die Elimination von intrazellulären Pathogenen eine zellvermittelte Immunantwort nötig ist. BEGRIFFE A. Immunogen Eine Substanz, die eine spezifische Immunantwort induziert. B. Antigen (Ag) Eine Substanz, die mit Komponenten der spezifischen Immunantwort (T-Zellrezeptor, Antikörper) reagiert. C. Hapten Eine Substanz, die selbst nicht immunogen ist, aber mit den Produkten einer spezifischen Immunantwort reagieren kann. Haptene sind kleine Moleküle, die nur nach Kopplung an Trägermoleküle eine Immunantwort auslösen können. Haptene haben daher die Eigenschaft der Antigenität aber nicht die der Immunogenität. D. Epitope or antigene Determinanten Jener Abschnitt eines Antigens, der mit den Produkten einer spezifischen Immunantwort (Antikörper, T-Zellrezeptor) interagiert.

3 ORGANISATION DES IMMUNSYSTEMS Zur Ausbildung der Immunität tragen bei PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE BARRIEREN ZELLEN ORGANE FAKTOREN WANDERWEGE PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE BARRIEREN * Anatomische Barrieren * Sezernierte Substanzen Anatomisch/Physikalische Barrieren Haut/Schleimhaut o Geschlossene Oberfläche o Verhornung o Schleim Darmbewegung Oszillation der bronchopulmonalen Zilien Wimpernschlag Spülung mit Tränenflüssigkeit Spülung des Urogenitaltraktes mit Harn Schweißsekretion Sezernierte Substanzen Zu diesen zählt man organische Säuren in Hautsekreten, Salzsäure im Magen, Enzyme im Gastrointestinaltrakt, Inhaltstoffe im Schleim kompetieren mit Schleimhautepithel um die Anlagerung von Bakterien, Gallensäuren und kurzkettige Fettsäuren im Darm; Lysozym in Tränenflüssigkeit (verdaut Bakterienwände -Peptidoglykane) Nach Durchdringen/Zerstörung der intakten Haut/Schleimhautoberfläche durch Pathogene kommt es zur Einwanderung von Entzündungszellen und deren Aktivierung, Aktivierung anderer Funktionssystem wie des Komplementsystems was schließlich in der Ausbildung einer Entzündungsreaktion resultiert

4 ZELLEN Alle am Immunsystem beteiligten Zellpopulationen stammen vom Knochenmark ab. Man unterscheidet im wesentlichen zwei von einer gemeinsamen hämatopoietischen Stammzelle abstammende Entwicklungslinien: 1. die myeloide Reihe Granulozyten (Neutrophile, Eosinophile, Basophile), Mastzellen Monozyten, Makrophagen Langerhans Zellen, Dendritische Zellen Megakaryozyten 2. die lymphoide Reihe T Lymphozyten (T-Zellen) B Lymphozyten (B-Zellen) Natürliche Killerzellen (NK Zellen) * Granulozyten Neutrophile Granulozyten (polymorphnukleär: PMN) sind die wichtigsten Zellen zur Aufnahme und Zerstörung von Bakterien. Es handelt sich dabei um relativ grosse Zellen, die zahlenmässig die grösste Population der weissen Blutkörperchen darstellen. Sie besitzen eine gelappten Kern und weisen im Zytoplasma Granula (Lysosomen) auf. Prinzipiell sind sie durch ihre Morphologie charakterisiert. Weiters kann man sie anhand der Expression bestimmer Oberflächenmerkmale mittels monoklonaler Antikörper identifizieren. Es werden 4 Arten von PMN Granula unterschieden: primäre (azurophile), sekundäre (spezifische) und tertiäre (gelatinöse) Granula sowie sekretorische Vesikel Primäre (azurophile) Granula werden im Promyelozytenstadium gebildet und sind daher charakteristisch für unreife und sehr junge Neutrophile. Ihre Inhaltsstoffe sind u. a. kationische Proteine, Defensine, Proteasen (Elastase, Cathepsin G, etc.), Lysozym und als besonders Charakteristikum Myeloperoxidase. Sekundäre (spezifische) Granula werden im Myelozytenstadium gebildet und kommen besonders in reifen Granulozyten vor. Sie beinhalten u.a. Lysozym und NADPH-Oxidase Cofactoren, Laktoferrin and B-12 bindendes Protein Tertiäre Granula enthalten u.a Metalloproteinasen und können rascher entleert werden als die beiden anderen Arten Sekretorische Vesikel stellen ein Reservoir an Memranrezeptoren dar, welche in der frühen Phase einer Entzündungsreaktion benötigt werden. Die Aufgabe der Eosinophilen Granulozyten besteht in der Zerstörung von meist Antikörper-beladenen Parasiten (Eo besitzen Fc Rezeptoren für IgE und entfalten Zytotoxizität grossen multizellularen Parasiten gegenüber, die mit spezifischen IgE beladen sind) und in der Regulation der Immunabwehr, während die Funktion der Basophilen Granulozyten noch nicht ausreichend geklärt ist (wahrscheinlich auch eher regulierend)

5 * Mastzellen werden in Bindegewebsmastzellen und Schleimhautmastzellen eingeteilt und üben durch die Freisetzung verschiedener Mediatoren ( z.b. Histamin) einen regulierenden Einfluss auf eine Immunantwort aus. * Mononukleäre Phagozyten sind die zweite wichtige Population phagozytierender Zellen. Zu ihnen zählt man in der Blutzirkulation die Monozyten, die Histiozyten im Gewebe, die Mikroglia im Gehirn, die Kupffer schen Sternzellen in der Leber und Makrophagen in serösen Kavitäten und in lymphatischen Organen. Sie besitzen auch wie die Granulozyten Granula, jedoch weniger häufig. Charakteristisch für sie ist ihre Morphologie, die Fähigkeit an Glas/Plastikoberflächen anzulagern sowie die Expression des CD14 Oberflächenmoleküls. * Dendritische Zellen stellen ein wesentliches Bindeglied zur spezifischen Immunität dar, indem sie für die exemplarische Aufnahme von Antigenen aus dem Gewebe zuständig sind und diese dann den T-Zellen im Lymphknoten präsentieren (Antigenpräsentation). Man findet sie sowohl in lymphatischen Organen wie auch im Gewebe (z.b. Langerhanszellen der Haut), wo sie geringe Antigenmengen (im Vergleich zu PMN und Makrophagen) aufnehmen und nach gleichzeitiger Stimulation durch geeignete Gefahrensignale eine Aktivierung der T-Zellen in sekundär lymphatischen Organen herbeiführen. * Lymphozyten T-Zellen spielen eine zentrale Rolle bei der Ausbildung einer spezifischen Immunantwort. Man unterscheidet folgende Subpopulationen mit ihren Funktionen: A) Zytotoxische oder Tc-Zellen. Diese Zellen exprimieren CD8 an ihrer Oberfläche und töten infizierte Zellen, bei denen sich die Keime im Zytoplasma befinden. B) Helfer oder Th Zellen. Diese Zellen exprimieren CD4 an ihrer Oberfläche und werden in zwei Gruppen unterteilt: a) Inflammatorische Th1 Zellen, die mitwirken, dass es zur Elimination von Keimen kommt, die sich in vesikulären Kompartimenten einer infizierten Zelle aufhalten b) Eigentliche Helfer oder Th2 Zellen, die für die B-Zellaktivierung mit nachfolgender Antikörperproduktion benötigt werden B-Zellen sind durch ihre Fähigkeit Antikörper zu produzieren ausgezeichnet. Zellen, welche diese sezernieren werden als Plasmazellen bezeichnet, während bei B-Zellen die Antikörper membranständig sind. Natürliche Killer (NK) Zellen sind wichtig in der Abwehr von viralen Infektionen und Tumoren. Sie sind morphologisch den Lymphozyten sehr ähnlich, jedoch grösser und granuliert, weshalb sie als grosse, granulierte Lymphozyten bezeichnet wurden (large granular lymphocyte, LGL). Die Granula enthalten zytolytische Proteine wie Perforin. NK Zellen erkennen den Unterschied zwischen normalen und infizierten/malignen Zellen/fremden

6 Erregern durch die Abwesenheit von MHC Klasse I Molekülen an der Oberfläche der betroffenen Zellen.

7 ORGANE Primär lymphatische Organe Organe, in denen Immunzellen gebildet werden und reifen: Knochenmark, Thymus sekundär lymphatische Organe Organe, in denen Immunzellen aktiviert werden: z.b. Lymphknoten, Milz, Tonsillen, lymphatische Gewebe in Haut und Schleimhaut (MALT z. B. Peyer Plaques) MALT (mucosa associated lymphatic tissue) 400 m2 Oberfläche bedeckt mit verschiedenen Epithelien, exokrine Drüsen und Schleimhaut besitzen die Mehrzahl der aktivierten B-Zellen (~10 10 pro Meter Darm) Diese Strukturen besitzen keine afferenten lymphatischen Gefäße Peyer Plaque (imponieren als Wölbung =dome unter dem Epithel, besitzen Keimzentrum und Follikel), M Zellen zum Transport von Antigen aus dem Darmlumen in die darunterliegenden lymphatischen Gewebe Lymphatisches Gewebe im Pharynx Tonsillen, Gaumen-, Rachen- Zungen-, Tubenmandeln, Erstkontakt mit inhalierten bzw. per os aufgenommenen Fremdstoffen MILZ Filter für Antigene aus Blut Erythrozyten/Thrombozyten - Mauserung Aufbau Rote Pulpa: Erythrozyten Weiße Pulpa: um Arteriolen. Periarteriolare lypmphoide Scheide (PALS), mit hauptsächlich T-Zellen, flankierende B-Zell-Corona LYMPHKNOTEN Aktivierung von T- und B-Zellen Aufbau Rinde mit Lymphfollikel (B-Zellaktivierung), paracorticale Zone (T- u. B-Zellaktivierung), Mark

8 FAKTOREN Alle löslichen Substanzen, die zur Abwehr, zum Abtöten, zur Elimination von Pathogenen beitragen Komplementsystem, Antikörper, Zytokine, Akutphasenproteine, Defensine * IMMUNGLOBULINE ANTIKÖRPER Immunglobuline (Ig) sind Glykoproteine, die von B-Zellen an der Oberfläche exprimiert und von Plasmazellen bei der Immunantwort gegen Immunogene produziert und sezerniert werden und die als Antikörper fungieren. Es existiert prinzipiell eine gemeinsame Grundstruktur der Immunglobuline, wobei es unterschiedliche Ausprägungen dieser Moleküle gibt. Aufbau aus schweren und leichten Ketten Das Grundgerüst aller Immunglobuline sind vier Polypeptidketten, wobei jeweils 2 Ketten ident sind und als schwere (50-70Kd, H = heavy) bzw. leichte (23Kd, L = light) Ketten bezeichnet werden. Die schweren und leichten Ketten werden durch Disulfidbrücken zusammengehalten. Die Anzahl und Anordnung der Disulfidbrücken variiert zwischen verschiedenen Antikörperklassen.Es gibt auch Disulfidbrücken innerhalb einer Polypeptidkette, die für die Ausbildung der speziellen dreidimensionalen Struktur der jeweiligen Ketten verantwortlich sind. Dearartige globuläre Regionen werden als Domänen bezeichnet. Aufgrund der unterschiedlichen Variabilität der Aminosäuresequenz von leichten bzw. schweren Ketten können bei diesen im Prinzip variable (V) und konstante (C) Regionen unterschieden werden. 1. Domänen der leichten Kette 1 VL und 1 CL 2. Domänen der schweren Kette 1 VH und 3 4 CH Der Bereich des Antikörpermoleküls, an dem die schweren Ketten das Y formieren, wird wegen seiner Flexibiliät als Gelenksregion (hinge) bezeichnet. Spezielle Genorte für diese Gelenksregion weisen nur IgG, D und A auf. Immunglobulinfragmente, die durch proteolytische Spaltung entstehen, haben sich als sehr nützlich bei der Untersuchung von Struktur-Funktionsbeziehung von Immunglobulinen herausgestellt. Die Verdauung mit Papain spaltet die schweren Ketten des Immunglobulins oberhalb der Disulfidbrücken in der Gelenksregion. Dies ergibt unter anderem zwei idente Fragmente, die die leichte Kette und die VH und CH1 Domäne der schweren Kette beinhaltet (Fab). Verdauung mit Papain ergibt auch ein Fragment, das den Rest der beiden schweren Ketten beinhaltet und aus den CH2 und CH3 Domänen besteht. Dieses Fragment wird als Fc Fragment bezeichnet, da es leicht kristallisierbar ist. Die Behandlung von Immunglobulinen mit Pepsin ergibt eine Spaltung der schweren Ketten unterhalb der ersten Disulfidbrücke in der Gelenksregion. Ein Fragment beinhaltet beide Antigenbindungsstellen des Antikörpers. Es wird F(ab')2

9 genannt, weil es divalent ist. Die Fc Region des Antikörpers wird bei dieser Verdauung in kleine Peptide gespalten. F(ab') 2 kann wie Fab nur Antigen binden und auch keine Fc-abhängigen Effektorfunktionen ausüben. ALLGEMEINE FUNKTIONEN VON IMMUNGLOBULINEN A. Ag Bindung Immunglobuline binden spezifisch an ein Antigen oder an wenige eng verwandte Antigene. Jedes Immunglobulin bindet an eine spezifische antigene Determinante (Epitop). Valenz von Antikörpern bezeichnet die Anzahl von antigenen Determinanten, die von einem Antikörpermolekül gebunden werden können. Die Valenz von Antikörpern ist mindestens zwei und kann je nach Antikörperklasse auch höhere Werte annehmen (IgA: 4, IgM: 10). B. Effektor Funktionen Oft hat die Bindung eines Antikörpers an ein Antigen keine unmittelbaren biologischen Auswirkungen. Diese sind meist die Folge von sekundären Effektorfunktionen von Antikörpern, welche von der Bindung des Antikörpers an sein Antigen abhängig und nicht für alle Antikörpermoleküle gleich sind. Durch Bindung des Antikörpers an sein Antigen kann es zur Neutralisation des Pathogens und/oder seiner Produkte kommen, was eine der wichtigsten Funktionen von Antikörpern darstellt. Mögliche Situationen a. Antikörper binden an bakterielle Toxine und machen somit durch Verhinderung der Bindung dieser Stoffe an entsprechende Oberflächenrezeptoren von Zellen das Eindringen dieser Stoffe in die Zelle unmöglich b. Antikörper binden an Moleküle von Viren oder Bakterien, die diese zum Eindringen in die Wirtszellen benötigen und verhindern somit deren Infektion. Bindung an verschiedene Zellarten: Phagozyten, Lymphozyten, Thrombozyten, Dendritische Zellen, Mastzellen und Basophile haben Rezeptoren, die Immunglobuline binden können. Diese Bindung kann zur Aktivierung der betroffenen Zellen führen, sodass bestimmte Effektormechanismen in Gang gesetzt werden. Einer von diesen ist die Phagozytose, die aufgrund einer Beladung des Antigens durch Antikörper (Opsonisierung) erleichtert bzw. erst möglich wird. Manche Immunglobuline binden auch an Rezeptoren auf den Trophoblastzellen der Plazenta, was im Übertritt von mütterlichen Immunglobulinen durch die Plazenta in den fetalen Kreislauf resultiert. Komplementbindung und -aktivierung mit nachfolgender Lyse der beladenen Zellen und Freisetzung von biologisch aktiven Mediatorsubstanzen. Dadurch kommt es ebenfalls zur besseren Opsonisierung der Antigene. Einteilung der Immunglobuline: Immunglobuline werden in 5 verschiedene Klassen entsprechend der Unterschiede in der Aminosäuresequenz in den konstanten Abschnitten der schweren Ketten eingeteilt. Alle Immunglobuline einer Klasse besitzen schwere Ketten mit sehr ähnlichen konstanten Abschnitten.

10 1. IgG - schwere Ketten mit gamma bezeichnet 2. IgM - schwere Ketten mit mü bezeichnet 3. IgA - schwere Ketten mit alpha bezeichnet 4. IgD - schwere Ketten mit delta bezeichnet 5. IgE - schwere Ketten mit epsilon bezeichnet Immunglobulinklassen können aufgrund kleiner Unterschiede in den Aminosäuresequenzen der konstanten Regionen der schweren Ketten weiter in Subklassen unterteilt werden. Alle Immunglobuline einer Subklasse besitzen sehr ähnliche Aminosäuresequenzen der konstanten Regionen der schweren Ketten. 1. IgG Subklassen IgG1-4 - schwere Ketten - gamma IgA Subklassen IgA1, 2 - schwere Ketten - alpha 1, 2 Immunglobuline können auch entsprechend der Art ihrer leichten Kette klassifiziert werden. Die Typen der leichten Ketten werden aufgrund von Unterschieden in der Aminosäuresequenz der konstanten Abschnitte der leichten Kette festgelegt. Diese Unterschiede werden meistens mit serologischen Testmethoden nachgewiesen. 1. Kappa leichte Kette 2. Lambda leichte Kette Nomenklatur - Immunglobuline werden entsprechend der Klasse bzw. Suklasse der schweren Kette bezeichnet. STRUKTUR UND EIGENSCHAFTEN VON IG KLASSEN UND SUBKLASSEN IgG Struktur IgG Moleküle sind Monomere. Die Subklassen unterscheiden sich in der Anzahl und Lokalisation der Disulfidbrücken wie auch in der Grösse der Gelenksregion. IgG Eigenschaften IgG ist die universiellste Immungloblinklasse, da IgG im Prinzip alle Funktionen der Immunglobuline ausüben kann. IgG ist das häufigste Ig im Serum - 75% der Serumimmunglobuline sind IgG. IgG ist das häufigste und wichtigste Ig im Extravaskulärraum (im Gewebe). IgG ist die einzige Ig Klasse, die die Plazentaschranke überqueren kann. Unterschiedliche Komplementbindung je nach Subklasse, IgG4 tut es nicht. Makrophagen, Monozyten, PMN und manche Lymphozyten besitzen Fc Rezeptoren für die Fc Region von IgG. Subklassen binden unterschiedlich gut. IgG2 und IgG4 binden nicht an Fc Rezeptoren. Eine Folge der Bindung an Fc Rezeptoren auf Makrophagen, Monozyten und PMN ist die effizientere Internalisation von Antikörperbeladenem Antigen. Der Begriff Opsonin bezeichnet derartige Substanzen, die die Phagozytose steigern. IgG ist ein gutes Opsonin. IgM Struktur IgM existiert üblicherweise als Pentamer aber kann auch als Monomer vorkommen. In der pentameren Form sind jeweils alle schweren und leichten Ketten

11 ident. Die Valenz ist somit theoretischerweise 10. Die schwere Kette des IgM Moleküls besitzt im Gegensatz zu der von IgG eine zusätzliche konstante Domäne. Weiters ist am Aufbau des Pentamers eine sogenannte J-Kette beteiligt, die durch Disulfidbrücken gebunden ist. IgM Eigenschaften - IgM ist das erste Ig, das vom Fetus produziert wird und ist auch das erste Ig, das von einer naiven B-Zelle produziert wird, wenn sie durch ein Antigen aktiviert wird. Aufgrund seiner pentameren Struktur kann IgM gut Komplement binden. Aufgrund seiner pentameren Struktur kann IgM gut agglutinieren, was zu einer Verklumpung der Mikroorganismen und zur Elimination dieser Keime beiträgt. IgA Struktur - Serum IgA ist ein Monomer, während IgA in Sekreten als Dimer vorkommt. Im Falle des Dimers ist ebenfalls eine J-Kette mit den beiden schweren (alpha) Ketten verbunden. In Sekreten ist IgA mit einem weiteren Protein vergesellschaftet, dem sekretorischen Stück, welches der verbleibende Rest des für den Transport durch die Epithelzellen notwendigen Poly Ig Rezeptors ist. Dieser wird von den Epithelzellen produziert und an ihrer basalen Seite exprimiert. Das sekretorische Stück beschützt das sezernierte IgA vor Verdauung in den Sekreten. IgA Eigenschaften - IgA ist das wichtigste Ig in Sekreten wie Tränen, Speichel, Kolostrum, Schleim. Es ist besonders wichtig zur Ausbildung der lokalen (mukosalen) Immunantwort. IgD Struktur - IgD kommt nur als Monomer vor. IgD Eigenschaften - IgD kommt nur in sehr geringen Mengen im Serum vor, seine Bedeutung ist unklar. IgD wird auf der Oberfläche von reifen naiven B-Zellen gefunden und fungiert hier als Antigenrezeptor. IgE STRUKTUR - IgE kommt als Monomer vor und besitzt eine zusätzliche Domäne in der konstanten Region der schweren Kette. IgE Eigenschaften - IgE ist das seltenste Ig im Serum, es bindet unabhängig von der Interaktion mit Antigen sehr fest an Fc Rezeptoren für IgE an der Oberfläche von Basophilen und Mastzellen. IgE spielt auch eine wichtige Rolle bei der Abwehr von parsitären Wurmerkrankungen. Ein Anstieg der Serumkonzentrationen kann für die Diagnose derartiger Erkrankungen hilfreich sein. Die Bindung von IgE an die Fc Rezeptoren für IgE an der Oberfläche von Eosinophilen ermöglicht das Abtöten der Parasiten durch diese Zellen. Die Quervernetzung von Fc Rezeptoren auf Mastzellen führt zur Auslösung von allergischen Reaktionen nach Anlagerung des Antigens an die oberflächengebundenen IgE Moleküle. Dies bewirkt die Freisetzung von pharmakologisch aktiven Substanzen (z. B. Histamin), die die entsprechende klinische Symptomatik hervorrufen.

12 * KOMPLEMENTSYSTEM Der Begriff Komplement ergibt sich historisch aus der Beobachtung, dass es im frischen Serum zusätzliche Faktoren gibt, die zur Lyse von Antikörper-beladenen Zellen beitragen können. Die Aktivität wird durch Erhitzen des Serums für 30 Minuten auf 56 C zerstört (inaktiviert). Proteine des Komplementsystems Das Komplementsystem besteht aus mehr als 25 verschiedenen Proteinen, die von verschiedenen Geweben und Zellen (wie Hepatozyten, Makrophagen, Epithelzellen des Darms) produziert werden können. Dieses System kann über verschiedene Mechanismen aktiviert werden, was zu einer kaskadenartigen Aktivierung der beteiligten Proteine mit abschliessender Lyse des Eindringlings führt. Eine Defizienz bzw. das Fehlen einer Komponente kann daher zu einer Unterbrechung mit entsprechender Fehlfunktion führen. Man unterscheidet je nach Auslöser der Aktivierung drei Wege der Komplemetaktivierung Klassischer Weg: Aktivierung durch Immunkomplexe Lektinweg: Aktivierung durch Lektinbeladung (Mannose bindendes Lektin) von Erregern Alternativer Weg: ständig aktiver Weg der Komplementaktivierung, der durch Regulatorproteine auf eigenen Zellen kontrolliert/gestoppt wird Biologische Funktion des Komplementsystems a) Nach vollständiger Aktivierung des Komplementsystems kann es zur Lyse und somit Zerstörung der Pathogene kommen b) Während der Aktivierung des Komplementsystems kommt es zur Ausbildung spezieller Spaltprodukte von bestimmten Komplementkomponenten (C3b, C4b), die sich in die Membran von Pathogenen einlagern können, was deren Aufnahme durch Phagozyten erleichtert (Opsonisierung) c) Während der Aktivierung des Komplementsystems kommt es zur Ausbildung spezieller Spaltprodukte von bestimmten Komplementkomponenten (C5a, C3a), die andere Entzündungszellen anlocken (Entzündung).

13 WANDERWEGE Grosser Kreislauf Geschlossenes Kreislaufsystem mit arteriellem und venösem Schenkel, die durch ein Kapillarsystem miteinander in Verbindung stehen. Dient zur Versorgung des Organismus mit Sauerstoff und Energie, sowie zur Verteilung der Immunzellen im Körper. Als immunologische Filterstation ist die Milz eingeschaltet. Beginn Herz (linke Kammer) - Aorta - Arterien - Arteriolen - Kapillaren - Venolen - Venen - Vena cava - rechter Vorhof rechte Kammer. Anschliessend kleiner Kreislauf über die Lunge zur Sauerstoffbeladung des Blutes. Rechte Kammer - A. pulmonalis (venöses Blut) - Lunge mit Kapillarbett in den Alveolen - V. pulmonalis (arterielles Blut) - linker Vorhof linke Kammer. Der Richtung der Strömung wird durch Herzaktion, Klappen in den venösen Gefäßen und Unterdruck im Thoraxraum bestimmt. Lymphkreislauf Offen im Gewebe beginnende Kapillaren mit einem dachziegelartig geschichteten Endothel und ohne Basalmembran nehmen aus dem Gewebe Flüssigkeit, Partikel und Zellen auf. Kommen außer in Knorpel, Milzpulpa, Nervensystem und Knochenmark überall vor. In dieses Gefäßsystem sind Lymphknoten als Filterstationen eingelagert in denen es zur Aktivierung der spezifischen Immunantwort (T- und B-Zellen) kommt. Dieses Gefäßsystem vereinigt sich zum Ductus thoracicus sinister (auch zum kleineren dexter) welcher in den linken (rechten) Venenwinkel einmündet. Die Richtung der Strömung wird durch Klappen in den Gefäßen, Muskelpumpe (Kontraktion der Skelettmuskulatur) und Unterdruck im Thoraxraum bestimmt.

14 ENTZÜNDUNG Nach Erkennen von Mikroorganismen durch Zellen der angeborenen Immunität (insbesondere Monozyten/Makrophagen, Dendritische Zellen, Mastzellen) kommt es zur Freisetzung von Mediatoren, welche ein Einwandern von weiteren Entzündungszellen wie z.b. den Neutrophilen Granulozyten in den betroffenen Bereich bewirken. Dies wird in besonderem Maße durch eine Vasodilatation und eine Permeabilitätssteigerung der Kapillaren unterstützt, sodass es zur Ausprägung der Kardinalsymptome einer Entzündung kommt. Calor Wärme verstärkte Durchblutung durch Vasodilatation Rubor -Rötung - verstärkte Durchblutung durch Vasodilatation Tumor- Schwellung Austritt von Plasma durch Permeabilitätssteigerung Dolor Schmerz Mediatoren Schwellung Functio laesa Funktionseinschränkung Schmerz, Veränderung des Gewebes Zweck der Entzündungreaktion Verstärkung der lokalen Reaktion durch Einwanderung von zusätzlichen Immunzellen + Faktoren Aufbau einer Barriere um Ausbreitung zu verhindern Reparatur des zerstörten Gewebes Ruhigstellung durch Schmerzempfindung Zusätzlich wandern Dendritische Zellen nach Aufnahme des Antigens (Makropinozytose) und entsprechender Aktivierung über die Lymphgefäße in die benachbarten Lymphknoten, um dort T -Zellen zur Ausbildung einer spezifischen Immunantwort gegen ganz bestimmte Antigene zu aktivieren.

15 ERKENNUNGSPRINZIPIEN Zur Etablierung einer effizienten Immunantwort ist es notwendig, dass Immunzellen über Mechanismen verfügen, die es ihnen ermöglichen den Feind (im speziellen Mikroorganismen) zu erkennen, wodurch ein Signal an die betroffene Zelle zur Aktivierung generiert wird. Im Falle von Allergenen, Transplantaten oder Autoantigenen kommt es ebenfalls zu einer derartigen Erkennung, die zwar unerwünscht aus der Sicht des Wirtes ist aber nichtsdestotrotz zu einer ebenso starken Immunreaktion führen kann. Als Entscheidungskriterien stehen dem Immunsystem bei der Erkennung zwei prinzipielle Informationen zur Verfügung : 1. Bindung an Antigen-spezifische Rezeptoren = Welches Antigen 2. Bindung an Mustererkennungs-Rezeptoren = Gefahr durch Antigen Ersteres bestimmt, welche spezifische Zellen aktiviert werden sollen und die zweite Information entscheidet, ob überhaupt eine produktive Immunantwort gestartet wird. Erkennung durch die natürliche Immunität erfolgt insbesondere durch Mustererkennungs-Rezeptoren, die von allen Zellen einer Population exprimiert werden, während die spezifische Immunität dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder T- und B- Zellklon Rezeptoren einmaliger Spezifität exprimiert, sodass hier eine Vielzahl von verschiedenen Rezeptoren mit feinen Unterschieden in der Spezifität existiert. Ein Feind wird also vom Immunsystem daurch erkannt, dass er prinzipielle Unterschiede zum Wirt aufweist sogenannte Muster die darin bestehen, dass entweder Strukturen vorhanden sind, die im eigenen Organismus nicht vorkommen, oder dass Strukturen erkannt werden, welche im eigenen Organismus vorkommen und es dadurch zu einer Blockade der Reaktion kommt. Somit kommt es zu einer Aktivierung entweder durch Vorliegen eines fremden Musters oder durch Nichthemmung der Aktivierung durch Nichtvorliegen eigener Muster. Beispiele für Mustererkennungs-Rezeptoren: Mannose Rezeptor, Toll-like Rezeptoren, Scavenger Rezeptoren, Glukanrezeptor Innerhalb der spezifischen Immunität dienen T-Zellrezeptoren und Antikörper als spezifischer Erkennungsrezeptoren, welche feine Unterschiede in antigenen Epitopen aufgrund unterschiedlicher Aminosäuresequenz erkennen können. Folgen der Erkennung eines Feindes sind darauf ausgerichtet diesen zu eliminieren. Dies erfolgt entweder durch: Neutralisierung, Phagozytose und anschliessendem Abbau, Lyse durch Komplementsystem, oder Zytotoxizität (T-Zell, NK-Zellen) mit Abtöten der infizierten Zelle und anschliessendem Abräumen durch insbesondere Makrophagen. Weiters kommt es zur Ausbildung von Gedächtniszellen (der spezifischen Immunität), welche im Falle eines erneuten Kontaktes eine schnellere und effizientere Reaktion ermöglichen und so eine abermalige klinisch Manifestation dieser Infektion entweder unmöglich machen oder sie doch wesentlich abschwächen.

16 Kinetik einer Antikörperantwort gegen ein T-Zellabhängiges Antigen 1. Primäre Antikörperantwort Nach Bindung der spezifischen T- und B-Zellen mit ihren entsprechenden Antigenrezeptoren an das Antigen, werden sie aktiviert und beginnen sich zu vermehren (Proliferation). Die aktivierten B-Zellklone differenzieren zu Plasmazellen und beginnen Antikörper zu sezernieren. Die Latenzphase ist abhängig von der Antigenmenge und beträgt etwa 5 7 Tage. Anfänglich sezernieren Plasmazellen IgM Antikörper. Manche B-Zellen schalten ihre Immunglubulinproduktion von IgM auf IgG, IgA oder IgE. Da immer mehr B-Zellen proliferieren und differenzieren, steigt die Antikörperkonzentration exponentiell an. Sobald das Antigen eliminiert ist, werden T- und B-Zellen nicht mehr aktiviert. Zusätzlich kommt es nun zum Auftreten gegenregulatorischer Prozesse. Dadurch kommt es zuerst zum Gleichbleiben der Antikörperkonzentration und nachfolgendem Abfall bis evt. auf das Ausgangsniveau. 2. Sekundäre Antikörperantwort (Gedächtnis- oder anamnestische Reaktion) Nicht alle T-und B-Zellen, die während einer Primärantwort aktiviert werden, sterben anschließend. Manche von ihnen überleben als langlebige Gedächtniszellen und stellen einen Zellpool dar, der im Falle eines erneuten Kontaktes mit dem gleichen Antigen rascher aktiviert werden und mit einer stärkeren Immunantwort reagieren kann. Zusätzlich kommt es zur Aktivierung naiver T-und B-Zellen. T-Gedächtniszellen sind langlebiger als B-Gedächtniszellen. Bei einer Sekundärantwort ist daher die Latenzphase üblicherweise kürzer als bei der Primärantwort. Die Logphase tritt bei einer Sekundärantwort viel schneller ein und es werden höhere Antikörperspiegel erreicht. Da viele der Gedächtniszellen bereits auf IgG, IgA oder IgE umgeschaltet haben, kommt es zu einer rascheren und quatitativ stärkeren Produktion dieser Immunglobulinklassen während einer Sekundärantwort. Durch die T- Gedächtniszellen wird die Umschaltung der Immunglubulinklassen auf IgG, IgA oder IgE weiter gefördert, sodaß diese bald die meistvertretenen Klassen darstellen. Die Produktion von IgM AK tritt verhältnismäßig in den Hintergrund. Das Absinken der Antikörperspiegel erfolgt viel langsamer und die Antikörper können für Monate, Jahre ja ein Leben lang persistieren. Spezifität von Primär- und Sekundärantwort Antikörper, die gegen ein bestimmtes Antigen ausgebildet werden, sind zwar spezifisch für dieses Antigen können aber auch mit anderen, strukturell ähnlichen Antigenen kreuz reagieren. Im allgemeinen werden Sekundärantworten nur durch Kontakt mit dem gleichen Antigen wie beim Erstkontakt ausgelöst. Qualitative Veränderungen der Antikörper bei Primär- und Sekundärantwort Ig Klassenveränderung Bei der Primärantwort ist IgM die wichtigste Antikörperklasse, während bei der Sekundärantwort andere Ig Klassen (IgG, IgA, IgE) dominieren, die dann auch länger persistieren. Affinität/Avidität Die Affinität der IgM ändert sich meist nur unwesentlich, während die der IgG zusehends ansteigt. Dies wird als Affinitätsreifung bezeichnet und kann insbesondere bei Sekundärantworten gefunden werden.

17 AKTIVE/PASSIVE IMMUNISIERUNG Immunisierung dient zur Bereitstellung eines spezifischen Schutzes gegen Pathogene. Spezifische Immunität kann durch aktive oder passive Immunisierung erworben werden. Beide Formen der Immunisierung können auf natürlichem Wege bzw. künstlich erfolgen. Passive Immunität Spezifische Immunität kann erworben werden, ohne dass vorher ein Antigenkontakt stattgefunden hat. Dies wird üblicherweise durch die Übertragung von Serum oder Gammaglobulinen von einem immunisierten Spender auf einen nicht-immunen Empfänger erreicht. Natürlich erworbene passive Immunität: Immunität wird von der Mutter auf den Fetus durch die diaplazentare Übertragung von IgG ins Blut bzw. auf das Neugeborene über die Muttermilch von IgA in den Verdauungstrakt erreicht. Künstlich herbeigeführte passive Immunität: Immunität wird oft durch Injektion von Gammaglobulin (Ig Fraktion, angereichertes IgG) von anderen Individuen oder von immunen Tieren übertragen. Indikationen sind akute Infektionen (Diphtherie, Tetanus, Masern, Tollwut, etc.), Vergiftungen (Insekten, Schlangen, Skorpion, Botulismus), bzw die prophylaktische Gabe bei Hypogammaglobulinämie und Fernreisen. In den meisten Fällen wird man versuchen Immunglobuline menschlichen Ursprungs zu verabreichen, in manchen Indikationen stehen nur tierische Präparate zur Verfügung (Schlangenbiss, Diphterie, Gasgangrän, Botulismus). Obwohl diese Art der Immunisierung den Vorteil des unmittelbaren Wirkungseintritts hat, sind heterologe Immunglobuline nur relativ kurz wirksam (Halbwertszeit 23 Tage) und können auch Nebenreaktionen durch eine Immunantwort gegen das verabreichte fremde Protein mit sich bringen (Serumkrankheit, Anaphylaxie). Homologe Präparate (von anderen Menschen) bergen dagegen wieder die Gefahr der Übertragung von Hepatitis bzw. HIV oder des anaphylaktischen Schocks bei IgA Defizienz. Aktive Immunität Dies bezeichnet eine Immunität, die nach Exposition mit einem Antigen ausgebildet worden ist. Natürlich erworbene aktive Immunität: Exposition gegen verschiedene Pathogene im Lauf des Lebens führt zu subklinischen bzw. klinisch-manifesten Infektionen, die in einer protektiven Immunreaktion mit Ausbildung einer entsprechenden Immunität gegen diese Pathogene resultieren kann. Künstlich herbeigeführte aktive Immunität: Immunisierung kann durch Verabreichung von lebenden (abgeschwächten) oder toten Pathogenen, Teilen davon oder deren Produkten (detoxifizierte Toxine = Toxoide) erreicht werden. Während Lebendimpfstoffe üblicherweise nur selbstlimitierende, nicht-klinisch-manifeste Infektionen mit sich bringen, bergen sie das Risiko manifester Erkrankungen bei immungeschwächten Individuen. Dies ist der Fall bei angeborener bzw. durch erworbener Immunschwäche infolge von Infektionen (z. B. HIV), oder Medikamenten

18 (Immunsuppressiva). Daher ist die Verabreichung von Lebendimpfstoffen in derartigen Situationen kontraindiziert.. Die protektive Immunität durch einen Impfstoff kann unterschiedlich lang anhalten, bis zu lebenslang (z.b. Masern, Mumps) über viele Jahre (Röteln, Pocken, Tuberkulose, Gelbfieber etc.) oder nur wenige Monate (Cholera). Tabellarisches: Immunisierung aktiv passiv Indikation: Prophylaxe Prophylaxe, Therapie Gabe von: Antigen Antikörper Gabe wieoft: wenige Male immer wieder Schutzeintritt: spät sofort Schutzdauer: lange kurz Gedächtnis: ja nein Immunisierung aktiv Lebendimpfstoffe attenuiert: (Polio oral - Sabin, Masern, Mumps, Röteln, Tuberkulose, Varicellen, Typhus oral, Gelbfieber) rekombinant (Cholera oral) Totimpfstoffe abgetötete Erreger (Tollwut, Cholera parenteral, Pertussis, Polio parenteral - Salk, Hepatitis A, FSME, Influenza) Erregerbestandteile (Pertussis, Hämophilus influenzae B (HiB), Hepatitis B, Influenza, Pneumokokken, Typhus parenteral, Meningokokken) Toxoide (Tetanus, Diphterie) rekombinant (Hep. B)

19 Anforderungen an Impfstoff Definition des Antigens Darf nicht selbst zur Erkrankung führen Muss vor Krankheit durch lebenden Erreger schützen Schutz soll lange anhalten Geringe Kosten Wenig Nebenwirkungen Biologisch stabil Leicht zu verabreichen Anforderungen an Proband Immunkompetenz Früh impfen Schutz aufrechterhalten Erfolgskontrolle Cave: Immundefekte bei Lebenimpfungen Angeboren oder erworben (AIDS, iatrogen) Tricks zur Verbesserung der Immunantwort Konjugatimpfstoffe: Kohlenhydrat-Protein Konjugat Hämophilus influenzae B Polysaccharid (+ Diphterie Toxoid, Tetanus Toxoid, Neisseria meningitidis) Adjuvantien: zur Verbesserung der Immunantwort Gabe als Partikel Aluminiumhydroxid ISCOM (immune stimulatory complexes, Liposomen aus Quil-A-Saponin + Protein) Controled-release Impfstoffe Impfstoff in biologisch abbaubaren Mikrokapseln DNA- Vakzine i.m. Gabe von Plasmid DNA (Gen f. Impfantigen) cave: Autoimmunität, Onkogen Immunisierung passiv i.v. Verabreichung von Antikörpern (t/2 für IgG = 23 Tage) menschlich Hyperimmunglobulin, Standardimmunglobulin FSME, Hep. A, Hep. B, Röteln, Tetanus, Tollwut, Varicella-zoster, CMV tierisch (Pferd, Ziege) Diphterie, Botulismus, Gasbrand, Giftschlangenbiß, Skorpionstich