Immunologie für Einsteiger

Transkript

1 Immunologie für Einsteiger

2 Lothar Rink Andrea Kruse Hajo Haase Immunologie für Einsteiger

3 Autoren Prof. Dr. rer. nat. Lothar Rink Institut für Immunologie Universitätsklinikum Aachen PD Dr. rer. nat. Andrea Kruse Institut für Systemische Entzündungsforschung Universitätsklinikum Schleswig-Holstein Dr. rer. nat. Hajo Haase Institut für Immunologie Universitätsklinikum Aachen Weitere Informationen zum Buch finden Sie unter Wichtiger Hinweis für den Benutzer Der Verlag und die Autoren haben alle Sorgfalt walten lassen, um vollständige und akkurate Informationen in diesem Buch zu publizieren. Der Verlag übernimmt weder Garantie noch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für die Nutzung dieser Informationen, für deren Wirtschaftlichkeit oder fehlerfreie Funktion für einen bestimmten Zweck. Der Verlag übernimmt keine Gewähr dafür, dass die beschriebenen Verfahren, Programme usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag hat sich bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Abbildungen zu ermitteln. Sollte dem Verlag gegenüber dennoch der Nachweis der Rechtsinhaberschaft geführt werden, wird das branchenübliche Honorar gezahlt. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2012 Spektrum Akademischer Verlag ist ein Imprint von Springer Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Planung und Lektorat: Merlet Behncke-Braunbeck, Dr. Meike Barth Redaktion: Dr. Bärbel Häcker Satz: TypoStudio Tobias Schaedla, Heidelberg Umschlaggestaltung: SpieszDesign, Neu-Ulm Umschlagbild: Darja Süßbier Grafiken: Dr. Martin Lay, Breisach ISBN

4 Gewidmet Prof. Dr. med. Holger Kirchner

5 Vorwort Die Immunologie ist eines der modernsten und sich am schnellsten entwickelnden Gebiete der Lebenswissenschaften. Dies macht das Bücherschreiben in diesem Gebiet so kompliziert, da bereits während der Schreibphase ein immenser neuer Erkenntnisgewinn dazukommt. Die Immunologie entwickelt sich aber auch immer mehr zu einer Schlüsselwissenschaft in der modernen Medizin, sodass viele Krankheiten heute über immunologische Prozesse erklärt werden können und Immuntherapien sich als sehr wirksame Strategien erwiesen haben. Es gibt viele Lehr- und Sachbücher über Immunologie bzw. das Immunsystem, und so sei einleitend die Frage gestattet, ob man noch ein weiteres Buch braucht. Im Fall dieses Buches möchte ich die Frage eindeutig mit ja beantworten, da es sich deutlich von den vorhandenen Büchern absetzt. Ganz in der Tradition des Buches Cytokine und Interferone Botenstoffe des Immunsystems, das Frau PD Dr. Andrea Kruse und Prof. Dr. Lothar Rink zusammen mit ihrem akademischen Lehrer Prof. Dr. Holger Kirchner verfasst haben, vermittelt auch dieses Buch Fachwissen in einer allgemeinverständlichen Art und Weise, ohne dabei oberflächlich zu werden. Dies haben die beiden Autoren zusammen mit Prof. Dr. Hajo Haase wieder exzellent umgesetzt und werden damit nicht nur ihrem alten akademischen Lehrer, sondern einer Vielzahl von Lesern eine Freude bereiten. Des Weiteren setzt dieses Buch sich durch die Auswahl der Themen eindeutig von den übrigen immunologischen Büchern ab. In diesem Buch werden nicht nur die immunologischen Grundlagen erklärt, wie es die übrigen Bücher auch machen, sondern es werden auch Gebiete auf dem aktuellen Stand der Forschung besprochen, die in den meisten Lehrbüchern aus verschiedenen Gründen ausgelassen werden oder aber nur in Spezialliteratur vertreten sind. Aber gerade diese Themen sind für die Studierenden und den interessierten Laien von großem Interesse. Dabei handelt es sich um so einfache wie spannende Fragen wie: Welchen Einfluss haben Geschlecht, Ernährung, Rauchen, Alkoholmissbrauch, Sport oder Schlaf auf das Immunsystem? Wie funktioniert eine Schwangerschaft immunologisch? Jeweils ein ganzes Kapitel widmen die Autoren den Wechselwirkungen von Psyche und Immunsystem bzw. den Veränderungen im Immunsystem mit zunehmendem Alter. Damit werden sie zum einen dem demographischen Wandel in unserer Bevölkerung gerecht, zum anderen beschreiben sie wissenschaftlich fundiert, wie Psyche und Immunsystem zusammenhängen, ohne philosophisch oder esoterisch zu werden. Die letzten beiden Kapitel beschäftigen sich dann mit den Immundefekten, -diagnostik und -therapien, Themen, die sonst meist nur in umfangreichen Lehrbüchern der klinischen Immunologie behandelt werden, aber gerade auch von großem Interesse für den Einsteiger sind. Erst das Versagen des Immunsystems verdeutlicht uns im Alltag, wie wertvoll dieses komplizierte und den gesamten Organismus überwachende Organ ist. Somit bildet dieses Buch eine gelungene Übersicht von der modernen molekularen Immunologie, über die zellulären Interaktionen, bis in die praktische Anwendung in Alltag und Klinik. Damit dürfte das Buch für eine breite Leserschaft interessant werden, da es die Grundlagen vermittelt und gleichzeitig spannende immunologische Fragestellungen, die auch im Fokus öffentlicher Diskussionen stehen, wissenschaftlich erörtert. Bisher sind diese Themen meist nur in sehr spezieller Fachliteratur oder aber in nichtwissenschaftlicher Literatur im Buchmarkt vertreten, weshalb diese Kenntnisse in der Bevölkerung und bei den Studierenden häufig nur ungenau oder sogar falsch sind. Mit dem vorliegenden Buch können Studierende der Naturwissenschaften, der Medizin und benachbarter Disziplinen mit dem notwendigen Grundwissen versorgt werden, ohne dass interessierte Laien bei der Lektüre überfordert werden. Eine weitere Besonderheit des Buches sind die Expertenboxen. Hier ist es gelungen, angesehene deutsche Forscher aus den jeweiligen Bereichen zu gewinnen, einen kurzen Beitrag über den aktuellen Stand der Forschung und die Perspektiven im jeweiligen Feld zu geben. Die Beiträge verdeutlichen, dass wir in vielen Fragen erst am Anfang unseres Verständnisses sind und dass wir in den nächsten Jahren noch viel Neues aus der Immunologie zu erwarten haben. Die Expertenboxen verdeutlichen aber auch, welchen Spagat das Autorenteam bei der Auswahl leisten musste, da sich in der modernen Disziplin der Immunologie der Kenntnisstand rasch verändert und Theorien auch wieder verworfen werden. So stellten

6 VIII Vorwort sich neu beschriebene Zellpopulationen nach kurzer Zeit als Funktionszustände bekannter Populationen heraus, oder Prozesse wurden neu interpretiert durch die Entdeckung neuer Mediatoren und Rezeptoren. Jeder Autor eines immunologischen Buches muss dabei entscheiden, welche aktuellen Erkenntnisse Bestand haben werden und welche möglicherweise schon bald wieder überholt sein werden. Ich denke, die Autoren haben eine glückliche Hand bei dieser Auswahl gehabt, alles Weitere kann nur die Zukunft zeigen. Die Autoren berücksichtigen nicht nur die wichtigen aktuellen Fakten zum Aufbau und der Funktion des Immunsystems. Vielmehr wird das umfangreiche Wissen in die komplexen Zusammenhänge der menschlichen Physiologie und Pathophysiologie eingebettet. Damit erfüllen die Autoren die wichtigste Aufgabe eines Sach- und Lehrbuchs: Verständnis für Zusammenhänge zu vermitteln und Spannung zu erzeugen. Ich wünsche den Autoren viel Erfolg und den Lesern viel Spaß bei der Lektüre dieses besonderen Immunologiebuchs. Prof. Dr. med. Gregor Bein, Universitätsklinikum Gießen Im Juli 2011

7 Kurzinhalt Vorwort VII 1 Das Immunsystem: Eine Übersicht Die lymphatischen Organe: Blutbildung und Konferenzzentren Das angeborene Immunsystem Antigenpräsentation Die Immunantwort durch Lymphocyten Molekulare Immunologie Die Regulation des Immunsystems und immunprivilegierte Organe Infektions immunologie Autoimmunität Allergie Tumorimmunologie Transplantation Psychoneuro immunologie Immungerontologie Einflüsse auf das Immunsystem Immundefekte Immundiagnostik und Immuntherapie Perspektiven Anhang: CD-Tabelle Index

8 Inhaltsverzeichnis Vorwort VII 1 Das Immunsystem: eine Übersicht Was ist Immunologie? Seit wann gibt es ein Immunsystem? Unser Immunsystem 4 Äußere Schutzmechanismen 4 Das angeborene Immunsystem ist die erste Verteidigungslinie des Körpers 5 Das adaptive Immunsystem passt sich der Natur des Erregers an und verfügt über ein Gedächtnis Wenn das Immunsystem krank macht 15 Literatur 17 2 Die lymphatischen Organe: Blutbildung und Konferenz zentren Die lymphatischen Organe: eine Übersicht Die zentralen lymphatischen Organe: die Wiege unserer Immunzellen 20 Die Immunzellen entstehen aus hämatopoetischen Stammzellen 20 Die Hämatopoese 22 Der Thymus und die Entwicklung der T-Zellen Die peripheren lymphatischen Organe 33 Lymphgefäße und Lymphknoten 33 Die Milz 35 Das mucosaassoziierte lymphatische Gewebe 36 Literatur 37 3 Das angeborene Immunsystem Barrieren Lösliche Faktoren 39 Die Aktivierung des Komplementsystems 40 Funktionen des Komplementsystems 42 Regulation und Inaktivierung des Komplementsystems Zelluläre Komponenten 48 Granulocyten 48 Mastzellen 52 Das mononucleäre Phagocytensystem 52 Natürliche Killerzellen 55 Literatur 58 4 Antigenpräsentation Antigenpräsentierende Moleküle 59 MHC I 60 Prozessierung und Präsentation endogener Antigene 61 MHC II 62 Prozessierung und Präsentation exogener Antigene 63 Kreuzpräsentation 65 CD1 66 Superantigene Weitere beteiligte Moleküle 69 CD4 und CD8 69 Die Rolle costimulierender Moleküle Professionelle antigenpräsentierende Zellen 70 Dendritische Zellen und Makrophagen 70 B-Zellen 72 Literatur 74 5 Die Immunantwort durch Lymphocyten Dendritische Zellen: Bindeglieder zwischen angeborener und adaptiver Immunantwort Eine primäre Immunantwort wird in den peripheren lymphatischen Organen ausgelöst 78 Die Wanderung der naiven Lymphocyten 78 Die T-Zell-Antwort 78 Die B-Zell-Antwort 84 Der Weg zur Plasmazelle: Hypermutation, Affinitätsreifung und Isotypwechsel 86 B-Zell-Rezeptor-Komplex und Aufbau der Immunglobuline 88

9 XII Inhaltsverzeichnis 5.3 Effektorzellen der adaptiven Immunant wort bekämpfen Pathogene im Gewebe 97 Die Rekrutierung von Effektorlymphocyten ins Gewebe 97 Die Abwehr von Bakterien und Viren 97 Die Abwehr von mehrzelligen Parasiten 100 Die Subpopulationen der T-Helferzellen beeinflussen sich gegenseitig Die Beendigung der Immunreaktion Das immunologische Gedächtnis und die sekundäre Immunantwort 102 Das Gedächtnis der B-Zellen 102 Das Gedächtnis der T-Zellen 103 Literatur Molekulare Immunologie Signaltransduktion in Immunzellen 105 Grundprinzipien der Signaltransduktion 105 Wahrnehmung von präsentierten Antigenen: der T-Zell-Rezeptor Immungenetik 110 Somatische Rekombination bei der Bildung von Antigenrezeptoren 110 Isotypwechsel von Immun globulinen (Klassenwechsel) 116 Somatische Hypermutation 117 Literatur Die Regulation des Immunsystems und immunprivilegierte Organe Cytokine 119 Hämatopoetische Rezeptoren der Klasse 1 und zugehörige Cytokine 119 Hämatopoetische Rezeptoren der Klasse 2 und zugehörige Cytokine 123 Cytokinrezeptoren der Immunglobulinsuperfamilie 124 Tumornekrosefaktor-Rezeptoren Chemokine Adhäsion und Navigation 127 Adhäsionsmoleküle 127 Unser körpereigenes Navigationssystem Regulatorische T-Zellen (T reg ) 134 Wofür brauchen wir regulatorische T-Zellen? 134 Die Subpopulationen von regulatorischen T-Zellen 134 Die Funktionen der regulatorischen T-Zellen Ausnahmen bestätigen die Regel immunprivilegierte Organe 137 Die Plazenta als Grenze zwischen zwei genetisch unterschiedlichen Individuen 137 Das mütterliche Immunsystem 138 Überlebensstrategien des kindlichen Gewebes 139 Das Kind hinterlässt Spuren im Körper der Mutter oft für Jahrzehnte 140 Literatur Infektions immunologie Bedeutung der Infektionsimmunologie früher und heute Die richtige Entscheidung zur protektiven Immunantwort Der zeitliche Ablauf von Immunantworten 147 Primärantwort 148 Sekundärantwort Der Wettlauf zwischen Erregern und Immunsystem bei Infektionen 150 Immunantwort gegen extrazelluläre Bakterien und kleine Sprosspilze 151 Immunantwort gegen intrazelluläre Bakterien und einzellige Protozoen 153 Immunantwort gegen Viren 155 Immunantwort gegen große Parasiten und Pilze Was entscheidet darüber, ob wir uns infizieren oder nicht? 161 Die Rolle der Erregermenge bei der Infektion 161 Die Rolle der Immunkapazität des Wirtes bei der Infektion 161 Die Rolle des Eintrittsortes bei der Infektion Infektionsprophylaxe 162 Hygiene- und Schutzmaßnahmen 163 Die passive Immunisierung 163 Impfung 164 Literatur Autoimmunität Was ist Autoimmunität? Normalerweise verhindern zentrale und periphere Toleranzmechanismen gegen das Selbst gerichtete Reaktionen 169

10 Inhaltsverzeichnis XIII Verschiedene Faktoren müssen zusammen kommen, um Autoimmunität zu erzeugen Einteilung der Autoimmunerkrankungen Pathogene Mechanismen der Autoimmunität 177 Autoantikörper gegen Antigene auf Zelloberflächen oder Antigene der extrazellulären Matrix (Mechanismen vom Typ II) 179 Autoantikörper gegen lösliche Antigene führen zu immunkomplexvermittelten Erkrankungen (Typ III) 180 Autoreaktive T-Zellen schädigen das Gewebe direkt und aktivieren autoreaktive B-Zellen zur Antikörperproduktion (Typ IV) 181 Literatur Allergie Typ-1-Allergie: Soforttyp 185 Häufige Typ-1-Allergien Typ-2-Allergie: Allergie vom cytotoxischen Typ 189 Häufige Typ-2-Allergien Typ-3-Allergie: immunkomplexvermittelte Allergie 191 Häufige Typ-3-Allergien Typ-4-Allergie: Spättyp 193 Häufige Typ-4-Allergien Allergieursachen 195 Genetische Ursachen 195 Die Hygiene-Hypothese Behandlungsmöglichkeiten 196 D iagnostik 196 Symptomatische Therapie 197 Ursächliche Therapie 198 Literatur Tumorimmunologie Erkennung entarteter Zellen durch das Immunsystem Mechanismen der immunologischen Tumorabwehr Abwehrmechanismen der Tumore gegen das Immunsystem 203 Verminderung der Antigenpräsentation 204 Tolerogene Umgebung 205 Aktiver Angriff gegen T-Zellen Immunologische Ansätze der Tumortherapie 206 Immunologische Auswirkungen konventioneller Therapien 206 Impfungen 207 T-Zell-basierte Therapien 208 Unspezifische Aktivierung des Immunsystems 208 Stammzelltransplantation 209 Literatur Transplantation Immunologische Basis der Gewebeverträglichkeit 213 Der Haupthistokompatibilitätskomplex 215 Weitere bei Transplantationen relevante Antigene Abstoßungsreaktionen Verhinderung der Abstoßung 223 Immunsuppression 223 Nebenwirkungen der Immunsuppression 224 Literatur Psychoneuroimmunologie Das Immunsystem im Stress 225 Kommunikation zwischen ZNS und Immunsystem 226 Kommunikation zwischen Immunsystem und ZNS Depression Schizophrenie Placebo-Effekt und Konditionierung 231 Literatur Immungerontologie Angeborenes Immunsystem im Alter 237 Granulocyten 238 NK-Zellen im Alter Antigenpräsentierende Zellen Das T-Zell-System im Alter Die humorale Immunität im Alter Steuerung der Immunantwort im Alter Immunseneszenz und altersbedingte Erkrankungen 243

11 XIV Inhaltsverzeichnis Charakteristische Infektionen im Alter 243 Krebserkrankungen im Alter 244 Impfungen im Alter 244 Literatur Einflüsse auf das Immunsystem Einfluss von Geschlecht und Hormonen auf das Immunsystem 248 Weibliche Geschlechtshormone 248 Männliche Geschlechtshormone Einfluss von Drogen auf das Immunsystem 249 Alkohol 249 Rauchen und Immunsystem (Nicotin) Ernährung und Immunsystem 251 Vitamine 252 Spurenelemente 254 Weitere Nahrungsbestandteile und Nahrungsmittel Bewegung, Sport und Immunsystem Wechselseitige Einflüsse von Schlaf und Immunsystem 261 Literatur Immundefekte Primäre Immundefekte 264 Defekte der angeborenen Immunität 265 B-Zell-Defekte und Antikörpermangelsyndrome 269 T-Zell-Defekte und SCID 273 Weitere gut definierte Immundefekte Sekundäre Immundefekte 276 HIV und AIDS Immuntoxikologie 281 Verminderte Immunreaktionen 281 Gesteigerte Immunreaktionen 283 Literatur Immundiagnostik und Immuntherapie Immundiagnostik 285 Diagnose von Immundefekten 285 Diagnose von Autoimmunkrankheiten und Allergien Immuntherapie 295 Immunstimulierung 295 Immunsuppression 295 Gezielte Therapie mit monoklonalen Antikörpern 297 Substitutionstherapie mit Standardimmunglobulinen 297 Literatur Perspektiven 303 Anhang: CD-Tabelle 305 Index 309