Immunologiefolien zur Vorlesung
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Immunologiefolien zur Vorlesung Einleitung Symptome der Entzündung Dolor Calor Rubor Tumor Schmerz Überwärmung Rötung Schwellung Celsus, 1. Jhd. nach Christus Mechanismen der Entzündung Blutbahn Endotheliale Aktivierung Adhärenz Diapedese Chemokine Aktivierung von Makrophagen IL-8 B-Lymphozyt Granulozyt Zytokine IL-1 Antigen-spezifische Immunantwort T-Lymphozyt TNF Makrophage Gewebe Grundprinzipien der Infektabwehr Vielzellige Organismen = konzentrierte hochwertige Nährstoffe = potenzielles Substrat für Mikroorganismen Für das Überleben eines vielzelligen Organismus ist die Fähigkeit zur Infektabwehr genau so wichtig wie die Fähigkeit zur Informationsverarbeitung oder zum Stoffwechsel !!! Grundprinzipien der Infektabwehr Angeborenes vs. erworbenes Immunsystem Angeborenes Immunsystem sofortige Reaktion generelle Pathogenerkennung Erworbenes Immunsystem verzögerte Reaktion ‚Lernfähigkeit‘ Antigenspezifität Grundprinzipien Infektabwehr Grundprinzipien der der Infektabwehr Pathogene adaptives Immunsystem: betrifft Mikroorganismen, die die angeborene Immunabwehr überlisten können Infektabwehr: v.a. angeborenes Immunsystem Mineralisierer Exoten ¾mehr als 90 % der täglichen Infektabwehr erfolgt unbemerkt Infektabwehr: nicht erforderlich Physikalische Barrieren ¾keratinisierte Haut ¾tight junctions ¾Mucus ¾Flimmerepithelien ¾pH Chemische Barrieren Antimikrobielle Peptide und Enzyme Komplement-System (klassisch / alternativ) Akut-Phase-Proteine Defensine Cationische Peptide Formen ionen-permeable Kanäle in Lipidmembranen Inhibition durch Cholesterin Selbstschutz Angeborene Immunität (humorale Faktoren) Antimikrobielle Peptide (z. B. Defensine) und Enzyme (z. B. Lysozym) üben direkte toxische Effekte aus. Komplement-System (klassisch / alternativ) wird über Bakterienbestandteile oder Antikörper aktiviert und führt zur Bakterienlyse oder Phagozytenaktivierung. Akut-Phase-Proteine werden in der Leber synthetisiert binden Mikroorganismen und aktivieren Phagozyten. Entwicklung des zellulären Immunsystens Die Zellen des Immunsystems entwickeln sich aus gemeinsamen Vorläuferzellen des Knochen-markes. Aufspaltung in einen lymphoiden (erworbenes) und einen myeloiden Schenkel (angeborenes Immunsystem). Die Trennung ist nicht immer strikt. Granulozyten Neutrophile Granulozyten Phagozytose von Mikroorganismen Antibakterielle Enzyme, Sauerstoffradikale Rezeptoren für Komplement und Antikörper Eosinophile Granulozyten Bekämpfung von Parasiten ‚major basic protein‘ Rezeptoren für Komplement und Antikörper Basophile Granulozyten Freisetzung von vasoaktiven Substanzen Heparin, Histamin, Leukotriene Rezeptoren für Komplement und Antikörper Makrophagen Makrophagen besitzen eine Vielzahl von Rezeptoren für typische mikrobielle Strukturelemente. ve ca S R C n a M o /NH2 se F sCy co u -R e cn ist -re b i F rn cti e o K o D e h m l ra yd n ä td n i -b e d e ra T n b e sm ra o i g e n n o M n t y z o o s y L so m h P a m s o g I N F s D R C M T ze to p h m o D e re g n R z e ve ca S to p r n a M R C rneä yo C e n ä m o D lp a ste ln -ri g a kia l e -h m o D ch B e rtig a l e rB p rS T cr e sm n a e n ra b rM k a g a h p o e n ä ich re I N F ic e h s D R C h ic M T o /N se 2 H o M a h P m g s o P o g a u e s h m ie so d p rn e K sC co u yF cn e -R rist b i F rn cti e o o D K e m h n ä l ra yd n td i -b e d e ra T n b e sm o ra i g e n n yso L so m h P zh to p e m D a sm o g re g n R z e p to r rn e ä e n ä m o D yo C p l a p rS T n zyt o krM a ste ln -ri g a kh ia l -e m o D ch B e rtig a e l rB a cr e sm n b e n ra g a h p o e n ä ich re ch ie cih a h P g sm o h sP o g a u e so d p m ie rn e K g a h P o y l s m o s y L g a h P yo sl m yso L so n e m so n e m Phagozytose von Mikroorganismen. Antibakterielle Enzyme, Sauerstoffradikale. Zyto- und Chemokine. Rezeptoren für Komplement und Antikörper. M r k a a h p o g e n M ve ca S R C n a M 2 H N /o se I N F s D R C y C F s co u n c s-re it b i F rn ti c e o -R e to p e z h m o D e o M re g n zR e M n a R C y C e m h n ä l ra d y n td i -b e d e n b e m s o ra i g e n n yso L m o s h P sm o g a kr a o C r T tn y z o M r k a n ist -re a lg n e kia lcr e -h e sm n a g a h p o m o D e ch re tig B a l e rB e n ra b a h p o n g e rto p r e n ä e n ä m o D o D K ra T lS a p M T e n ä ch ir e o /N se 2 H su co yF C o M n zyt o b i F I N F o D K s D R C e c-R n rist rn cti e o e m h n ä l ra yd zh to p e m D ch i g sm o d p o ie h P a o g so m ra T M T n b e sm o ra i g e n yso L so m h P a sm o g ve ca S re g n y C n ist -re o C a lg n e p l a S kh ia r-l ce r T a e sm n krM a o g a h p zR e rp to rn ä e e n ä m o D n td i -b e d e ch i e e a h P sP u e n m o D e ch g re ti B a e l rB e b n ra e n ä crh i e e ch i cih e a h P m g s o P u se ie d p o o g a P h m so rn e K rn e K g a h P yso l m yso L so n e m g a h P yo sl m yso L so n e m B-Lymphozyten Lymphatische Organe Milz, Lymphknoten, Schleimhäute Ausreifung zu Plasmazellen Antikörperproduktion Infektionen Impftiter Blutgruppen T-Lymphozyten Lymphatische Organe Lymphknoten, Milz, Schleimhäute Ausreifung zu CD4- oder CD8-positiven Lymphozyten Helferfunktionen (Zytokine) zytotoxische Effektorfunktionen Intrazelluläre Erreger (Viren) Transplantatabstoßungen Grundprinzipien der Infektabwehr Angeborenes Immunsystem Erworbenes Immunsystem humoral humoral Physikalische Barrieren Antimikrobielle Peptide und Enzyme Komplement, Akutphaseproteine Immunglobuline (Antikörper) zellulär zellulär Phagozyten B-Lymphozyten T-Lymphozyten funktionell funktionell sofortige Antwort Erkennung von typischen Strukturelementen Selbstschutz: fehlen dieser Strukturelemente auf eigenen Zellen verzögerte Antwort klonale Selektion, ‚Lernfähigkeit‘ Antigenspezifität Selbstschutz: Immunologische Toleranz Dendritische Zellen Vermittler zwischen angeborenem und erworbenem Immunsystem. Myeloide und lymphozytäre Vorläufer Phagozytose, Antigenprozessierung und präsentation an Lymphozyten. Aktivierung von Lymphozyten ‚Natural-Killer Cells‘ (NK-Zellen) Zwischenglied zwischen angeborenem und erworbenem Immunsystem Zytotoxische Aktivität Trennung von ‚fremd‘ und ‚selbst‘ Aktivierung durch verschiedene spezifische Liganden Hemmung durch körpereigene Strukturen (MHC Klasse I) Zytokine Gruppe von Molekülen, die Signale zwischen verschiedenen Zellen des Immunsystems übertragen. Interferone: virale Infektionen (IFN-α, β) Aktivierung von Makrophagen (IFN-γ) Interleukine: Regulation von Immunreaktionen Colony-stimulating factors (CSFs): Entwicklung spezifischer Zelllinien Modulation von Immunreaktionen Chemokine: Andere chemoattraktiv, Modulation der Migration von Immunzellen Angeborenes Immunsystem Übersicht Immunsystem • Angeborene Infektabwehr – Epitheliale Barriere – Phagozyten (Granulozyten, Monozyten und Makrophagen) – Anti-mikrobielle Proteine – Komplementsystem • Erworbene Immunität (antigenspezifisch) – Antikörper – B-Lymphozyten – T-Lymphozyten Schutzmechanismen des Epithels • Barrierefunktion • Sekretion anti-mikrobieller Substanzen • Konstitutive Bakterienflora • Epithelzellen aktivieren Entzündungsprozesse bei Infektionen Reaktionen des Endothels • Erhöhung der Permeabilität • Verlangsamung des Blutflusses, Thrombozytenadhäsion • Expression spezifischer Adhärenzmoleküle und Chemokine – Selektine: reversibles Rollen – Integrine: feste Adhärenz – Chemokine: Rekrutierung in das Gewebe Phagozyten • Granulozyten bilden die erste Welle der Blutleukozyten in der Infektabwehr • Monozyten und Makrophagen sind die Vielseitigkeitskämpfer unter den Leukozyten • Funktionen von Phagozyten – Phagozytose – Antimikrobielle Aktivität – Modulation der Entzündungsreaktion Toll-like-Rezeptoren • Phylogenetisch alte Gruppe von Erkennungsmolekülen • „Pattern Recognition Receptors“ • „Pathogen Associated Molecular Patterns“ (PAMPs) • Homologie der Strukturdomänen über Spezies hinweg • Spezifität durch extrazelluläre Domäne NADPH-OXIDASE • Die NADPH-Oxidase bildet Sauerstoffradikale • Sauerstoffradikale sind ein wichtiger anti-mikrobieller Mechanismus Monozyten / Makrophagen •Makrophagen erkennen konservierte Strukturen auf Bakterien (Mannose, LPS, Lipide etc.). •Rezeptoren: CD14 Toll-like-Rezeptoren Scavenger-Rezeptoren Mannose-Rezeptor IgG- und Komplementrezeptoren •Makrophagen sezernieren Entzündungsmediatoren: Prostaglandine Chemokine (Interleukin 8, IL-8) Cytokine (Tumor-Nekrosis-Faktor, IL-1) •Makrophagen töten pathogene Erreger Ansäuerung Sauerstoffradikale NO-Produktion Enzyme (Lysozym) anti-mikrobielle Peptide (z. B. Defensine) Makrophagen •Phagozytose und ‚Killing‘ •Antigenpräsentation und Ko-Stimulation •Aktivierung systemischer Entzündungsmechanismen (TNF, IL-6) •Inhibition von Entzündungsreaktionen (‚transforming growth factor β, TGF-β) Komplement: Vermittler zwischen angeborenem und adaptivem Immunsystem •Aktivierung durch Antikörper (klassisch) oder Pathogene (alternativ, MBL) •Aktiviert einen zytotoxischen Mechanismus •Freisetzung chemotaktischer Peptide •Opsonierung, Phagozytose Major Histocompatibility complex (MHC) = Human Leukocyte Antigens (HLA) und Antigenpräsentation MHC • Die Funktion des MHC ist die Bindung von Peptiden, die aus möglichen Pathogenen stammen und deren Präsentation an der Zelloberfläche, wo sie dann von entsprechenden T-Zellen erkannt werden. MHC • MHC Klasse I wird auf allen Zellen mit Zellkern exprimiert • MHC Klasse II wird nur auf professionellen Antigen-präsentierenden Zellen (APC) präsentiert • MHC präsentieren Peptide an T-Zellen • MHCI präsentiert an CD8-Zellen • MHCII präsentiert an CD4-Zellen MHC I Zusammenfassung • Zytosolische Proteine (Viren) werden über MHC I präsentiert • Proteine werden durch das Proteasom in Peptide gespalten und via TAP-Proteinen ins ER geschleust • Dort folgt die Bindung an MHC I und Präsentation an der Oberfläche • MHCI ohne Peptid ist instabil und wird nicht präsentiert MHC II Zusammenfassung • Intravesikale Proteine (z.B. extrazelluläre, phagozytierte Bakterienfragmente) werden über MHC II präsentiert • Proteinvesikel verschmelzen mit Endosom und werden bei saurem pH mittels Proteasen in Peptide gespalten. • Die Endososmen verschmelzen mit MHCII tragenden Endososmen, wo nach Entfernung eines blockierenden Peptids (CLIP) die Peptide an MHC II binden. Die Anwesenheit von HLA-DM ist dafür erforderlich • Es folgt die Präsentation an der Oberfläche • MHCII ohne Peptid ist instabil und wird nicht präsentiert Der MHC-Polymorphismus beeinflusst • die Menge an Peptiden, die gebunden und präsentiert werden kann, • die Konformation des gebundenen Peptids • die direkte Interaktion des MHC-Moleküls mit dem T-Zellrezeptor (MHC-Restriktion) Die evoltionäre Selektion dieses Polymorphismus unterstreicht die kritische Funktion des MHCKomplexes in der Immunantwort auf Pathogene T-Lymphozyten T-Zellen Zusammenfassung I • Reife T-Zellen sind charakterisiert durch den TZellrezeptor (CD3) sowie CD4, CD8 oder γδ Rezeptor • Nach Aktivierung von CD3 (über Bindung von MHC + Antigen) findet die Bildung einer immunologischen Synapse und eine intrazelluläre Signaltransduktion und Genaktivierung statt • die Zellen differenzieren und proliferieren in Effektorzellen (CD8, zytotoxisch) oder Helferzellen (CD4, TH Zellen, Zytokinexpression) TH Zellen (CD4) und dendritische Zellen Aktivierung von TH Zellen (CD4) benötigt Antigen plus MHC und Ko-stimulation. Dies erfüllen professionelle antigenpräsentierende Zellen (APCs). Dendritische Zellen sind die Hauptquelle für die Aktivierung von TH Zellen. Dendritische Zellen nehmen Antigen in der Peripherie auf und werden aktiviert durch bakterielle Produkte oder Zytokine(a), migrieren zu den regionalen Lymphknoten (b) und präsentieren Antigen an T Zellen (c). Zusammenfassung: Dendritische Zellen aktivieren TH Zellen B Zellen und Makrophagen sind primäre Ziele von aktivierten TH Zellen (obwohl sie selbst auch T Zellen aktivieren können) Antigenerkennung durch T Zellen •T Zellen migrieren durch lymphatische Organe und nehmen mit tausenden DCs Kontakt auf pro Tag. •Falls sie kein Antigen binden, verlassen sie die LK via efferenten Lymphabfluss. •Interactionen mit selbst-Peptiden plus MHC sind notwendig für T Zell Überleben (weak binding) •Falls sie ein Antigen stark binden, werden sie aktiviert T Zell-vermittelte Immunität T-Zellen verlassen den Thymus und zirkulieren durch Blut und lymphatische Gewebe Naïve T Zellen sind bislang noch nicht mit ihrem Antigen in Berührung gekommen Wenn eine naïve T Zelle mit ihrem Antigen in Berührung kommt, wird sie aktiviert (Proliferation und Differenzierung). Als Konsequenz reift sie zur Effektor-T Zelle, die auf Target-Zellen wirken kann. T-Zell vermittelte Immunität • T-Zellen benötigen 2 Signale, um aktivert zu werden (MHC und CD80/CD86) • Die Aktivierung von T-Zellen ohne Signal 2 (CD86/CD80) führt zu keiner Antwort sondern zur T-Zell Anergie oder Zelltod (periphere Toleranz) T-Zell Effektorfunktionen und Zytokine Interleukin 2 •Interleukin 2 ist ein wichtiger Wachstumsfaktor für T-Lymphozyten. •Die Funktionen von IL-2 werden über spezifische Rezeptoren vermittelt. •IL-2 wird von aktivierten T-Zellen sezerniert und führt über einen autokrinen Effekt zur Lymphozytenproliferation. •IL-7 hat ähnliche Effekte wie IL-2 CD8-T-Lymphozyten • Werden durch virus-infizierte APCs aktiviert • Erkennen Fremdpeptide auf MHC I • Sind zytotoxische T-Zellen • Erzielen ihre zytotoxische Funktion durch Perforine, Granzyme (induziert Apoptose) CD4-Lymphozyten unterteilen sich in zwei Haupttypen Naive CD4-Zelle Proliferation Unreife EffektorT-Zelle (TH0) TH1-Zelle TH2-Zelle Aktivierung von Makrophagen Aktivierung von B-Lymphozyten Zytokine und Lymphozytendifferenzierung Generell: IL-2 und IL-7: Lymphozytenproliferation und Überlebenssignale TH1-assoziiert: INF, IL-12, TGF induzieren TH1-Zellen INF, TNFa, GM-CSF stimulieren Phagozyten TH2-assoziiert: IL-4 induziert TH2-Zellen IL-4, IL-5, IL-10 stimulieren Antikörperproduktion Funktionelle Unterschiede zwischen TH1 und TH2 Zellen TH1-Effekte: •Stimulation durch intrazellulär persistierendeErreger •Aktivierung von Makrophagen •Induktion antimikrobieller Mechanismen •Produktion opsonierender Antikörper TH2-Effekte: •Stimulation von neutralisierenden Antikörpern •Antikörperswitch auf IgE und IgA •Inaktivierung von Makrophagen CD4-TH1-Zellen • erkennen Fremdpeptide auf MHC II • aktivieren zelluläre Abwehrmechanismen (Makrophagen, NK-Zellen, zytotoxischer CD8-T-Zellen) • wirken überwiegend proinflammatorisch • produzieren u. a. IFN, TNF CD4-TH2-Zellen • erkennen Fremdpeptide auf MHC II • aktivieren B-Zellen zur Produktion neutralisierender Antikörper (CD40/CD40L) • induzieren Isotypenswitch in B-Zellen • produzieren IL-4, IL-5, IL-10 CD4-TH17-Zellen • erkennen Fremdpeptide auf MHC II • werden durch TGF-ß und IL-6 induziert • amplifizieren Entzündungsreaktionen • produzieren IL-17 Regulatorische T-Zellen • sind typischerweise CD4/CD25-positiv • erkennen Peptide auf MHC II • inhibieren antigenspezifisch Entzündungsreaktionen. • inhibieren auch Effektorfunktionen anderer Lymphozytenpopulationen Zytokine Begriffsbestimmung Chemokinfamilien CXC-Familie: Granulozyten CC-Familie: mononucleäre Zellen Mehrere Zytokine können den gleichen Rezeptor binden Mehrere Rezeptoren können verschiedene Zytokine binden Zytokine/Phagozyten • Pro-inflammatorisch: TNF-, IL-1, IL-12, IFN- • Anti-inflammatorisch: IL-10, TGF- • Chemotaktisch: IL-8, MIF (macrophage inhibitory factor), MCP (monocyte chemoattractant protein) • Akutphasereaktion: IL-6 • Wachstumsfaktoren: GM-CSF, G-CSF B-Lymphozyten und Antikörper Antikörper / B-Zellen Allgemeine Antikörper-Struktur: •Protein mit 2 schweren Ketten, 2 leichten Ketten, über Disulphidbrücken verknüpft •schwere Kette mit 1 V- und 3-4 C-Domänen •leichte Kette mit 1 V- und einer C-Domäne •Antigenbindung an V-Domänen von schwerer und leichter Kette •Antigenbindungsstelle mit je 3 hypervariablen Domänen in schw. und leichter Kette Immunglobulin (Ig) = Stoffklasse Antikörper = Immunglobulin mit bekannter Spezifität für ein Antigen 5 Immunglobulin-Klassen: IgG •Antikörper (AK)-Monomer •4 Isotypen (IgG1, 2, 3, 4) •häufigstes Ig in Blut und lymphat. Organen IgM •AK-Pentamer mit J-Kette •erstes Ig in Immunantwort •niedrige Affinität •guter Aktivator des Komplementsystems •in Blut und lymphat. Organen IgA •AK-Dimer mit J-Kette und sekretorischer Komponente •2 Isotypen (IgA1, 2) •AK der Schleimhäute und Sekrete (einschl. Muttermilch) IgE •AK-Monomer •sehr geringe Mengen •Bindet an Mastzellen (zur Abwehr von Parasiten) •an Allergien beteiligt •in Epithelien / Haut IgD •AK-Monomer •dient als B-Zell-Rezeptor •Funktion des löslichen AKs unbekannt Immunglobuline: löslich oder membrangebunden (B-Zell-Rezeptoren, BZR) Antikörper-Funktionen: •Neutralisierung von Toxinen, Bakterien, Viren (diese können durch AKBindung nicht mehr an Rezeptoren binden) •Opsonisierung (Markierung) von pathogenen Keimen; Bindung an Keime, Makrophagen und Granulozyten haben Fc-Rezeptoren, erkennen Keime also über „AK-Brücke“. •Komplement-Aktivierung: AK binden an Keime; dadurcj bindet Komplement an Keime. Komplement bildet Poren und/oder vermittelt Bindung an Makrophagen / Granulozyten über Komplement-Rezeptoren B-Zellen: •rezirkulieren (Blut > Lymphknoten > Lymphe > Blut), „Immunüberwachung“ •B-Zell-Aktivierung im Lymphknoten: oB-Zelle bindet Antigen (Ag) über BZR, degradiert Ag teilweise und präsentiert es auf MHC-Molekülen oAg-spezifische T-Zellen binden an B-Zelle oSignal an T-Zelle durch MHC/Ag und CD40: bilden Cytokine! oT-Zelle sezerniert IL-4 oIL-4-Bindung an B-Zelle aktiviert diese, ermöglicht Proliferation (Teilung) und IgKlasssenwechsel oB-Zelle bildet zuerst lösliches IgM oB-Zelle wandert in Keimzentrum; dort Klassenwechsel, Affinitätsreifung der AK oAffinitätsreifung der AK: erhöhte Mutationsrate (somatische Hypermutation); BZellen mit verbesserten AKs überleben Primärantwort: zuerst IgM, Affinitätsreifung erst nach Tagen, Klassenwechsel Sekundärantwort: Gedächtniszellen differenzieren gleich zu IgG-, IgA- etc. sezernierenden Plasmazellen, AKs mit hoher Affinität Komplement Aktivierung 3 Auslöser (Wege) – 1 zentrales Enzym (C3-Konvertase) – 3 Effektorfunktionen Klassischer Weg: •AK bindet an Bakterienoberfläche •C1 („Blumenstrauß“) bindet an AK •C1 spaltet C4 und C2 •C4b und C2b (C3-Konvertase) spaltet C3 Alternativer Weg: •C3 wird über Faktor B und D aktiviert Lektin-Weg: •Mannose-bindendes Lektin (MBL) bindet an Mannose auf Bakterienoberfläche •MBL-assoziierte Serin-Proteasen (MASP) spalten C4 und C2 •weiter wie klassischer Weg Komplement Effektorfunktionen Opsonisierung: C3b opsonisiert Bakterien (Makrophagen erkennen Bakteriengebundenes C3b über Komplement-Rezeptoren; Phagozytose Membran-Angriffskomplex: C4b-C2b-C3b ist eine C5-Konvertase Bildung von C5b; C5b bildet mit C6, C7, C8 einen Bakterienmembranverankerten Komplex Rekrutierung von C9. C9 bildet Poren Lyse des Bakteriums Anaphylatoxine: C3a, C4a, C5a haben proinflammatorische Wirkung Lymphozytenentwicklung Lymphozytenentwicklung Hämatopoese im Knochenmark (KM) und in der fötalen Leber Stammzelle > Leukozytenvorläufer > myeloide und lymphoide Vorläufer Lymphoider Vorläufer > T-Zellen (Thymus) , B-Zellen (KM), NK-Zellen B-Zell-Entwicklung / Diversität der Immunglobuline: 1. im KM •Lymphoider Vorläufer •Pro-B-Zelle •Prä-B-Zelle mit Prä-BZR •Unreife B-Zelle mit BZR (IgM) 2. in sekundären lymphat. Organen •Naive B-Zelle mit BZR (IgM und IgD) •Antigen-Bindung + T-Zell-Hilfe •Differenzierung zu Plasmazelle (Antikörper-Produzent) oder Gedächtnisszelle mit Klassenwechsel und Affinitätsreifung Rearrangement der Immunglobulin-Gene: Schwere Kette: •variable Domäne: ca. 40 V-, 25 D-, 6 J-Elemente •konstante Domänen: für jede Ig-Klasse gibt es 1 Element (Cμ, Cδ, Cγ, Cε, Cα) Leichte Kette: •λ und κ Ketten möglich •variable Domäne: ca. 30-40 V-, mehrere J-Elemente •konstante Domäne: 1 bis mehre C-Elemente Diversität entsteht durch zufällige Auswahl je eines Elements. Rearrangement auf DNA-Ebene (somatische Rekombination)! Rekombinationsprozess •Zusammenlagerung von Rekombinations-Signal-Sequenzen (RSS) mit Schleifenbildung (looping-out). Schleife enthält auszuschneidende Sequenzen. •Erkennung und Schneiden der RSS durch RAG-1/RAG-2 (Rekombinationsaktivierende Gene) •Ligation der Elemente •D>J-Rekomb. der schweren Kette in früher Pro-B-Zelle •V>DJ-Rekomb. der schweren Kette in später Pro-B-Zelle •Expression des Prä-BZR mit schwerer Kette des IgM und Ersatz-Leichtkette in früher Prä-B-Zelle •V>J-Rekomb. der leichten Kette in später Prä-B-Zelle •Expression des BZR (IgM) Allelische Exklusion: Pro Kette wird nur ein Allel (mütterl. oder väterl.) exprimiert. Ungenauigkeiten bei der Rekombination führen zu großer Diversität (108 Rekomb.-Möglichkeiten). Positive Selektion von B-Zellen •Ist der BZR funktionell? Wenn ja, dann Überleben der Zelle, sonst Apoptose. Negative Selektion von B-Zellen: •Bindet der BZR Selbstantigen? Wenn ja, dann Apoptose. Klassenwechsel: •in Keimzentren der Lymphknoten •von IgM zu anderen Klassen •Looping-out von C-Elementen, Rekombination von VDJ mit einem C-Element Affinitätsreifung: •in Keimzentren der Lymphknoten •hohe Mutationsrate (bes. in hypervariablen Regionen) in Ig-Genen bei Teilung der B-Zellen •B-Zellen mit schlechterem Antikörper werden eliminiert, B-Zellen mit besserem Antikörper überleben. T-Zell-Entwicklung / Diversität des T-Zell-Rezeptors 1. im KM •Lymphoider Vorläufer •CD4- CD8- T-Zell-Vorläufer 2. im Thymus •CD4- CD8- Thymozyt •CD4+ CD8+ Thymozyt mit Prä-α:β-TZR oder CD4- CD8- Thymozyt mit -γ:δ-TZR •CD4+ CD8- oder CD4- CD8+ Thymozyt 3. in sekundären lymphat. Organen •Erkennung von Antigen (präsentiert von DC) •Differenzierung zu Effektorzellen (T-Helfer-Zelle, zytotoxische T-Zelle, regulatorische T-Zelle, Gedächtniszelle) TZR-Rekombinationsprozess: •Prinzip wie bei Ig-Genen •D>J-Rekomb. der β-Kette im CD4- CD8- Thymozyten •V>DJ-Rekomb. der β-Kette im CD4- CD8- Thymozyten •Expression des Prä-TZR mit Ersatz α-Kette (pTα) •V>J-Rekomb. der α-Kette im CD4+ CD8+ Thymozyten Neue Rekombinationen möglich, falls vorige Rekombination nicht funktionell ist. Positive Selektion von T-Zellen: •Ist der TZR funktionell, d.h. bindet er MHC überhaupt? Wenn er an MHC-Selbstpeptid auf ThymusEpithelzellen mit geringer/mittlerer Affinität bindet, dann überleben die Zellen. Wenn Bindung zu schlecht, dann Apoptose. Negative Selektion von T-Zellen: •Bindet der TZR mit hoher Affinität Selbstantigen? Wenn er an MHC-Selbstpeptid auf DC mit hoher Affinität bindet, dann Apoptose. Wenn nur schwache Bindung, dann Überleben. Toleranz •Zentrale Toleranz = negative Selektion von Lymphoyzen in zentralen lymph. Organen •Periphere Toleranz = Toleranz, die außerhalb der zentralen lymph. Organe in Selbstantigen-reaktiven Lymphozyten ausgelöst wird, die der zentralen Toleranz „entkamen“ Toleranz Typen der peripheren Toleranz bei T-Zellen •Ignoranz: keine Bindung an Selbstantigen/MHC> keine T-Zell-Aktivierung •Anergie: Kostimulatorisches Signal fehlt > unvollständige T-Zell-Aktivierung; führt zur permanenten Nichtaktivierbarkeit (Anergie) der T-Zelle •Deletion: mehrfache Ativierung mit demselben Selbstantigen führt zur „Überaktivierung“> Expression von Fas und FasL>Apoptose •Suppression: regulatorische T-Zellen bilden supprimierende Cytokine (IL-10, TGFβ)> inhibieren T-Zellen und Antigen-präsentierende Zellen Periphere Toleranz bei B-Zellen •Selbstantigenbindung ohne T-Zell-Hilfe > Anergie oder Deletion Toleranz in immunologisch privilegierten Orten: •Gehirn / ZNS •Augen •Hoden •Uterus (Fötus) Mechanismen der Toleranz in immunologisch privilegierten Orten: •Supprimierende Cytokine (TGF-β) •Expression von FasL (Induktion von Apoptose) •Mechanische Barrieren (z.B. besonders dichtes Endothel der Blut-Hirn-Schranke) Hypersensitivität Pathologische Immunreaktionen Antwort auf Antigen Antigen Aktiv Defizient Infektionen Protektive Immunität Chronische Infektion harmloser Reiz Allergie Keine Antwort Transplantat Abstoßung Akzeptanz Eigenes Organ Autoimmunität Keine Antwort Tumor Tumorimmunität Krebs Allergische Reaktionen •Entzündungsreaktion auf einen ‚harmlosen‘ Reiz •Allergen-spezifisch •Reaktion erst bei wiederholtem Kontakt •Rezidivierende Entzündungsreaktionen Hypersensitivität Typ I Typ II Allergen Zellantigen Typ III Immunkomplexablagerung Typ VI Antigen Zielzelle Cytotox. Reaktion Entzündungs- Zytokine mediatoren Antikörper Fcε-Rez. Mastzell-Degranulation Histaminfreisetzung Zielzelle Komplementaktivierung Gewebe Blutgefäß Basalmembran Aktivierte Makrophagen IgE-abhängige allergische Reaktionen Typische Allergene Kontaktweg Klinik Systemische Anaphylaxie Medikamente Serum Erdnüsse Intravenös (ggf. nach oraler Absorption) Oedeme Trachealobstrukti on Kreislaufkollaps Tod Akute Urtikaria Tierhaare Insektenstiche Allergietestung Hautkontakt Lokale Durchblutung Allergische Rhinitis Pollen Hausstaubmilben Inhalation Asthma Pollen Hausstaubmilben Inhalation Nahrungsmittelallergie Nüsse Milch Eier Fisch oral Oedem der Nasenschleimha ut Bronchiale Obstruktion Entzündung der Atemwege Erbrechen Durchfall Juckreiz Urticaria Anaphylaxis Mastzellen • Aktivierung über IgE-Rezeptoren • Freisetzung inflammatorisch aktiver Substanzen (Histamin, IL-4) • Verschiedene Mastzellpopulationen in unterschiedlichen Geweben Asthma bronchiale • IgE-vermittelte Mastzellaktivierung • Bronchusobstruktion • Chronische Entzündungsreaktion Typ-I-Reaktion • IgE-Antikörper vermittelte Immunreaktion • Aktivierung von Mastzellen • Heuschnupfen, Asthma, atopisches Ekzem, Anaphylaxis, Nahrungsmittelallergie • Genetische Veranlagung und Umwelteinflüsse Typ-II-Reaktion • Zell- oder Matrix-gebundenes Antigen • Antikörper vermittelte Immunreaktion • Zytotoxische Reaktion (Phagozytose, Komplement) • Transfusionsreaktionen, Medikamentenallergie Morbus hämolyticus neonatorum • Rhesus-Unverträglichkeit Mutter negativ, Fetus positiv • 1. Schwangerschaft Sensibilisierung, keine Klinik • Folgende Schwangerschaften Hämolyse • Anti-D-Prophylaxe Typ-III-Reaktion • lösliches Antigen • Immunkomplex vermittelte Reaktion • Aktivierung von Neutrophilen und Komplement • Frustrane Phagozytose • Autoimmunerkrankungen, Infektionen, Arthus-Reaktion, Serumkrankheit Typ-IV-Reaktion • T-Zell- vermittelte Immunreaktion • Verzögerte Immunreaktion • Kontaktdermatitis • Tuberkulinreaktion • Granulombildung Hypersensitivitätsreaktion Typ IV Klinisches Bild Antigen Konsequenzen Hypersensitivität vom verzögerten Typ Proteine Insektengifte Tuberkulin Hautschwellung Erythem, Infiltrate Dermatitis Kontaktallergie Haptene DNFB Nickel Chromate Erythem Infiltrate Blasen Intradermale Abszesse Zöliakie Gliadin Zottenatrophie Malabsorption Autoimmunerkrankungen Autoimmunerkrankungen •Entzündungsreaktion ohne ersichtlichen Grund •Organ-spezifisch / Antigen-spezifisch ??? •Chronisch rezidivierende Entzündungsreaktionen HLA-System und Autoimmunerkrankungen • Assoziation verschiedener HLA-Typen mit spezifischen Autoimmunerkrankungen • Vorkommen auch bei gesunden Personen • Risikofaktor • keine alleinige Ursache • kein Beweis für eine Autoimmunerkrankung T-Zell-vermittelte Autoimmunerkrankungen • Übertragbar durch autoreaktive T-Zellen • Experimentelle Modelle: – Diabetes mellitus Typ I – Multiple Sklerose – Experimentelle Arthritiden B-Zell-vermittelte Autoimmunerkrankungen • Autoantikörper – zytotoxische Effekte – aktivieren biologische Funktionen – inhibieren biologische Funktionen • Autoimmunhämolytische Anämien • M. Basedow • Myastenia gravis Immunpreviligierte Organe Gehirn Auge Testis Uterus (Fetus) Mechanismen von Autoimmunerkrankungen •Zerstörung von Zell- oder Gewebegrenzen •Infektion von Antigen-präsentierenden Zellen •Bindung von Auto-Antigenen an Pathogene •Molekulare Mimikri •Superantigen •Durchbrechung von Toleranz •Pathologische Ko-Stimulation Autoimmunreaktionen sind das Ergebnis einer Fehlregulation pro- und anti-entzündlicher Regulationsmechanismen Pro- ische or t a m n e m a m l nis inf a h Mec Anti rische ato en m m infla hanism Mec Rheumatoide Arthritis • Entzündung der Synovia • Kein Autoantigen bekannt • Beteiligung des angeborenen und erworbenen Immunsystems • Invasives und destruktives Wachstum der entzündeten Synovia (Pannus) Vasculitiden • Immunkomplexablagerungen • Aktivierung von Phagozyten in der Gefäßwand • Klinik abhängig von der Größe der beteiligten Gefäße • Beispiele: Wegener Granulomatose, Purpura Schoenlein Henoch Systemischer Lupus erythematodes • Schmetterlingserythem, discoider Lupus Photosensitivität, mukocutane Ulzera • Arthritis, Nephritis, Encephalopathie • Serositis • Cytopenie • Immunserologie (anti-dsDNA, etc.) • Antinucleäre Antikörper SLE: Pathogenese Umweltfaktoren, Infekte Genetische Prädisposition Neuro-endokrines System Pathologische Clearance DNA Apoptose APC T-Zellen Gewebeschädigung Autoantikörper Immunkomplexe B-Zellen Systemischer Lupus erythematodes • Multiorganbeteiligung • Polyklonale B-Zellaktivierung • Gestörte Clearance von apoptotischen Zellen • Autoantikörper gegen Zellkernmaterial • Aktiviertes Immunsystem, aber geschwächte Infektabwehr Autoimmunerkrankungen • • • • Spezifische Autoantigene nur selten bekannt Multiple Erkrankungen Multiple Pathomechanismen Ursachen und Pathomechanismen meist nicht genau bekannt • Klinisches Bild teilweise durch die Dominanz bestimmter Immunmechanismen erklärbar Immundefekte Immundefekte Keine Hinweise auf einen Immundefekt sind: • Häufige Infekte, die jedoch komplett ausheilen (unspezifisches Symptom, bis zu 12x/Jahr normal) • Hohes Fieber • Niedrigere Immunglobulinkonzentrationen sind im Kindesalter normal. Immundefekte Hinweise auf einen Immundefekt sind: • • • • • • • Chronische Infekte / schlechtes Gedeihen Atypische Lokalisationen (z. B. Hautabszesse) Atypische Erreger Schwerwiegende Infekte (z. B. Pneumonien) Hepatosplenomegalie Impfkomplikationen oder Impfversager Autoimmunerkrankungen in den ersten Lebensjahren Übersicht Immunsystem • Angeborene Infektabwehr – Epitheliale Barriere – Phagozyten (Granulozyten, Monozyten und Makrophagen) – Anti-mikrobielle Proteine – Komplementsystem • Erworbene Immunität (antigenspezifisch) – Antikörper – B-Lymphozyten – T-Lymphozyten Phagozytendefekte: Klinik • • • • • • Gram-positive bakterielle Infektionen Abszesse Infekte der oberen Atemwege Pneumonien Pilzinfektionen (Aspergillen) Nabelinfektionen Phagozytendefekte: Klassifikation • Leukozyten-Adhäsionsdefekte • Abtötungsdefekte (Septische Granulomatose) • Aktivierungsdefekte (IFN-g, IL-12) • Phagozytosedefekte etc. (ChediakHigashi-Defekt, Hyper-IgE-Syndrom) Leukozyten-Adhäsions-Defekt Klinik • • • • Chronisch-rezidivierende Infekte Gram-positive Erreger ‚Kalte‘ Abszesse (keine Eiterbildung) Massive Leukozytose NADPH-OXIDASE • Die NADPH-Oxidase bildet Sauerstoffradikale • Sauerstoffradikale sind ein wichtiger anti-mikrobieller Mechanismus • Komponenten der NADPH-Oxidase werden autosomal und X-chromosomal vererbt Septische Granulomatose: Klinik • • • • • • Gram-positive bakterielle Infektionen Abszesse Pneumonien Pilzinfektionen (Aspergillen) Nabelinfektionen Sepsis Phagozytendefekte: Therapie • Konsequente antibiotische Therapie von Infektionen (intrazelluläre Erreger) • Antibiotische Dauerprophylaxe • ggf. Knochenmarktransplantation B-Zell-Defekte: Klassifikation • Transiente Hypogammaglobulinaemie im Säuglingsalter • X-chromosomale Hypogammaglobulinaemie • Hyper-IgM-Syndrom • CVID (‚common variable immunodeficiency‘) • IgG-Subklassendefekte • IgA-Defizienz • IgM-Defizienz • Sekundäre Erkrankungen (Infekte, Medikamente) B-Zell- und KomplementDefekte • Lokalisation • Erreger • • • • • • • eingekapselte Bakterien Otitis media Bronchitis Pneumonie Meningitis Dermatitis Malabsorption – Streptokokken – Haemophilus infl. • Gram-neg. Bakterien • Viren selten – (Echoviren) Autoimmunerkrankungen Therapie von B-Zell-Defekten • Immunglobulin-Substitution • Konsequente, antibiotische Therapie bakterieller Infekte • Knochenmarktransplantation nur bei kombinierten, schweren Defekten T-Zell-Defekte: Klinik • Klinik • Aplasie oder Hypoplasie des Thymus oder der peripheren Lymphknoten • Lymphopenie • • • • Erreger Virusinfekte Pilzinfektionen Protozoen T-Zell-Defekte: Klassifikation • DiGeorge-Syndrom • HLA-Defizienzen • T-Zellrezeptor-Defizienzen (Signalwege) Kombinierte T- und B-Zell-Defekte • • • • SCID (‚severe combined immunodeficiency‘) Wiskott-Aldrich-Syndrom ADA-Mangel (Adenosindeaminase) PNP-Defekt (Purin-Nucleosid-Phosphorylase) T-Zell-Defekte: Therapie • Konsequente Therapie von Pilz- und Protozoeninfektionen • Therapie der Varizellen • ggf. Knochenmarktransplantation
