Natürliche Abwehr
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Natürliche Abwehrmechanismen Prof. Dr. Erika Jensen-Jarolim Quellenangabe Janeway Immunologie Murphy, Travers, Walport Wörterbuch Allergologie und Immunologie Ferencik, Rovensky, Matha, Jensen-Jarolim. Springer 2004 Gastrointestinaltrakt: Mukosale Pathophysiologie und Immunologie Jensen-Jarolim, Schöll, Szalai. Springer 2006 TEIL 1: Natürliche Abwehr führt zu Entzündung Die Abwehr • Angeborene (natürliche) Abwehr: nicht antigenspezifisch und sofort (0-4 Stunden), keine immunologische Memory • Frühe induzierte Antwort (nach 4-96 Stunden): führt nicht zu dauerhaften Immunität. Erkennung, Aktivierung v. Effektorzellen • Späte adaptive Immunantwort (nach einigen Tagen) antigenspezifische Effektorzellen und Memory Natürliche Barrieren Haut: Keratinabschuppung, organische Säuren Epithelien: Tight junctions, Schleim, Zilien Magen: Saurer pH Darm: Gallensäuren, intest. Bewegung Paneth Zellen: Cryptidine Flora: E. coli produzieren Colicine Das Eindringen eines Pathogens erfordert Reaktion Adhärenz Lokale Infektion Lokale Infektion Schutzmechanismus Flora Lokale Faktoren Wundheilung Komplement antibakt.Prot. Zytokine T-Zellen Phagozyten Phagozyten Phagozyten NK-Zellen Makrophagen Lymphogene A. Adaptive Imm. Die natürliche Abwehr • Entzündung = lokal • Akute Phase Reaktionen = systemisch Die natürliche Abwehr • Entzündung = lokal • Akute Phase Reaktionen = systemische Entzündungsreaktion Akute Entzündung 1.) Vasokonstriktion (Katecholamine) 2.) dann Dilatation (Histamin) CALOR, RUBOR Restitutio ad integrum 3.) TUMOR Permeabilitätssteigerung Dilatation postkapillär, Strömungsverlangsamung, Exsudat Schäden an Basalmembran oder Mediatoren: Histamin, Substanz P, Prostaglandine Endothel-Adhäsivität steigt, Thrombosierung 4.) DOLOR 5.) FUNCTIO LAESA Einschränkung der Funktion Entzündung: Dolor Präkallikrein Kontaktaktivierung Hagemann Faktor NOXE Kallikrein direkt durch Mediatoren K+ Bradykinin Histamin Erregung nociceptiver Neurone Substanz P Afferenz Efferenz Arachidonsäure B1 Rezeptoren PGE2 Signal-Amplifikation durch Axonreflex • • • Initiale Rötung Quaddel diffuse Rötung Triple Response Sensible Neurone Histamin Mastzelle Substanz P Arteriole Dilatation Praktische Anwendung des Axonreflexes Weisser Dermographismus bei atopischer Dermatitis Roter Dermographismus bei Urtikaria Restitutio ad integrum. …oder chronische Entzündung • Persistierende Reize (M. Tuberculosis) • Extrazelluläre Mikroorganismen (Salmonellen in Gallenwegen, Anaerobier in Gangrän) • Fremdkörper • Autoimmun: Endogenes Antigen • Tumoren • Chronische physikalische und chemische Reize Chronische Entzündung Makrophage TNF- IL-1 IL-2, IFN- Epitheloidzellen, Riesenzellen FAF Lymphokine z.B Migrations- inhibitorischer Fibroblasten-Proliferation Faktor Aktivierte T-Zelle Fibroblastenaktivierung Epithelzellen Epitheloidz. Kollagen Sekretion Granulom Riesenzelle Lymphozyten Fibrosierung Kapsel Die natürliche Abwehr • Entzündung = lokal • Akute Phase Reaktionen = systemisch Akute Phase-Reaktionen IL-1, IL-6 und TNF- Stärkste Makrophagen-Aktivatoren: LPS (Bakterien-Lipopolysaccharide) und TNF Akute Phase-Reaktionen Leukozytose Fieber akute Phase-Proteine Linksverschiebung (GM-CSF) TemperaturMBL Granulozyten nach 6-12 h Monozyten nach 48 h, Lymphozyten regulation Hypothalamus CRP Fibrin ….. Lokale und systemische akute Entzündung sind Teil der natürlichen Abwehr. Was sind die Erkennungsmechanismen ? Was sind die Effektor-Werkzeuge? Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMPs) Bacterielle S-layer PAMPs • bakterielle Carbohydrate (LPS, Mannose) • Nukleinsäuren (bacterial/viral) • Peptidoglykan • Lipoteichon-Säure • N-Formylmethionin • Lipoprotein, Pilz-Glykane Peptidoglykan HIV Trichiuris PAMPs brauchen auf der anderen Seite Pathogen Recognition Receptors (PRRs) Extracellular Interstitiell epithelial Intracellular zytoplasmatisch Vesikulär PRRs: Solubel oder membrangebunden; PRRs: intrazellulär für Proteine, Glykane für Protein, RNA, DNA Pathogen Recognition Receptors (PRRs) Serum amyloid Zytoplasmatische PRRs NOD Like Receptors (NODs, NALPs) RNA Helicasen Plant R Proteine CRP Sezernierte PRRs Komplement Receptoren • Collectine: Mannan - binding Lectin (MBL) • Pentraxine: Serum-Amyloid, CRP, Lipid Transferasen, Peptidoglykan recognition Proteine MBL C1q: Rodney Porter Membrangebundene PRRs Toll - like Rezeptoren Mannose Rezeptor Toll-like Rezeptoren (TLRs) Drosophila melanogaster Indirekte Antigenerkennung: Opsonisierung durch humorale Faktoren vereinfacht Phagozytose 1. Komplement (C3b, iC3b) 2. Akute Phase Proteine (CRP, MBL, Fibrin) CRP 3. Immunglobuline (spezifische Abwehr: IgG, IgM): Antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC) oder Antibody-dependent cellular phagocytosis (ADCP) Makrophagen Tumorzelle Phagozytose plus spezifisches Immunglobulin keine Phagozytose plus Kontroll-Immunglobulin Lokale und systemische akute Entzündung sind Teil der natürlichen Abwehr. Was sind die Erkennungsmechanismen ? Was sind die Effektor-Werkzeuge? TEIL 2: Die Akteure der natürlichen Abwehr TEIL 2: Die Akteure der natürlichen Abwehr Unterschiedliche Anforderungen bei extrazellulären oder intrazellulären Pathogenen Extrazellulär Interstitiell Bakterien, Viren, Protozoen, Würmer,... Intrazellulär Epithel Würmer, Vibrio cholerae, E.coli, Helicobacter, Candida,... Komplement, GZ, Milieu Phagozytose Zytoplasma Vesikel Viren, Chlamydien Mycobacterien, Protozoen,... Salmonellen,... NK-Zellen, K-Zellen Zytotoxizität Entzündliche Mediatoren Der zelluläre Schenkel der natürlichen Abwehr Phagozyten: • Polymorphkernige Granulozyten (PMNs) - neutrophile, eos. • Makrophagen Zellen, die Mediatoren ausschütten: • Mastzellen, basophile GZ. Zytotoxische Zellen: • NK, K-Zellen Neutrophile Granulozyten (40-70% der Leukozyten) Zentral Leukozytose durch Produktion Verteilung CR1, 3, 4 Rezeptoren für Prostaglandine und Leukotriene FcR: IgG Rez. für C3a, C5a Peripher durch Selektine & Integrine vermitteln Kontakte an Endothel Sialyl-Lewis LFA-1 (Integrin) Selektine Adhäsion Rolling Diapedese Extravasat Phagozytose durch Granulozyten 1. Attachment 2. Elgulfment durch Pseudopodien - Phagosom 3. Phagolysosom, pH-Erniedrigung, dann Erhöhung 4. Lyse der „outer lipid bilayer“ Übermässige Phagozytose - GZ-Zerfall - Pus Toxische Granulainhalte der Neutrophilen I. 1. Durch lysosomale antibakterielle Substanzen Primäre (azurophile) Granula: Typische Lysosomen • Kationische Proteine (wirken im alkalischen Bereich gegen Gram-negative Bakterien, zerstören Bakterienwände) • Saure Hydrolasen (Esterasen, Glykosidasen, Lipasen) • Neutrale Esterasen (Elastase, Kathepsin,...) • Kollagenasen • Mikrobizide Substanzen Lysozym spaltet Bakterienwand-Mukopeptide, Myeloperoxidase bildet O2-Radikale Sekundäre Granula: 70% Lysozym, Kollagenase, Vit B12-bindendes Protein, Laktoferrin Toxische Granulainhalte der Neutrophilen II. 2. O2-abhängiges, Myeloperoxidase-unabhängiges Killing durch Produkte des Oxidative Burst: Super-Oxid, Singlet Sauerstoff, Hydroxyl-Radikale, H2O2 Toxische Granulainhalte der Neutrophilen III. 3. O2-abhängiges und Myeloperoxidase-abhängiges Killing: Hydrogen Peroxid Metaboliten halogenieren Bakterienproteine, Reaktion wird durch Myeloperoxidase katalysiert. Eosinophile Granulozyten • 2-6% der Leukozyten, vermehrt in Allergie, Parasiten, Tumoren • Anlockung: Eotaxin, Aktivierung: IL-5 • Phagozytose (Kompl.Rezeptoren, FcR) • ADCC (FcR, FcRI) • Oxydative Burst: Peroxidase • Spezifische Granulainhalte: Charcot-Leyden Kristalle Major basic Protein (MBP) Eosinophil Cationic Protein (ECP) Eosinophil peroxidase (EPO) Eosinophil-derived neurotoxin (EDN) Monozyten / Makrophagen In der Zirkulation: Monozyten im Blut Im Gewebe: Bindegewebe Histiozyten im Mikroglia im Gehirn Kupffer‘sche Zellen in der Leber Makrophagen in Serosa und lymphoiden Organen MERKE: Wichtig in natürlicher Abwehr, sind auch Vermittler der spezifischen Immunantwort Makrophagen Rezeptoren Antigenerkennung der Makrophagen Sofortige Erkennung und Einleitung der Phagozytose der Pathogene Rezeptoren Trigger-Zytokinfreisetzung für IgG, Komplement, IFN, TNF Bakterien - Rezeptoren • LPS Rezeptor (CD14, Mac-2) • Mannose-Rezeptor • CD11b/CD18 (CR3, Mac-1) • CD11c/CD18 (CR4) Phagozytose und Verdau • Scavenger-Rezeptor: sialidisierte Liganden • Glycan-Rezeptor Der zelluläre Schenkel der natürlichen Abwehr Phagozyten: • Polymorphkernige Granulozyten (PMNs) - neutrophile, eos. • Makrophagen Zellen, die Mediatoren ausschütten: • Mastzellen, basophile GZ. Zytotoxische Zellen: • NK, K-Zellen Mastzellen Basophile Granulozyten (0-1% der Leukozyten) • Beide Zellen haben: FcRI (high affinity Rez. für IgE), Fc-R (IgG) Komplement-Rezeptoren CR1und CR3, sowie für Anaphylatoxine C3a, C5a, •Granula der MZ: saure und alk. Phosphatase, 30-fach höheres Histamin • Granula der Basophilen: Peroxidase basophile Granula: Histamin, Leukotriene Mastzelle Mechanismen für Mediator-Freisetzung Basophile GZ und Mastzellen 1. Quervernetzung (cross-linking) von FcRI über spezifisches IgE oder allergen-unspezifisch durch Lektine (Pseudoallergie) oder anti-FcRI-Antikörper 2. Anaphylatoxine C3a, C5a (siehe Komplement) 3. Aktivierung durch Neuropeptide (Substanz P) 4. Gewebezerstörung (Traumen) 5. Toxine (Insektenstiche, bakt. Toxine), Pharmaka (Tubocurarin) Reaktion: Quaddel (Urtica) Aktivierung Mastzell-Aktivierung biphasischer Release 1. Exozytose: Histamin, PG, LT Lipoxygenase Cycloxygenase 2. Neusynthese: Leukotriene, Prostaglandine, PAF (Platelet Activating Factor) Aus: http://www.uky.edu/~dhild/biochem/21/arach.gif Prostaglandine haben vielfältige Wirkungen Aktivierung From: http://www.gtmb.org/VOL8A/GTMBVOL8AHTML/24_Stamatakis/Image1.jpg Der zelluläre Schenkel der natürlichen Abwehr Phagozyten: • Polymorphkernige Granulozyten (PMNs) - neutrophile, eos. • Makrophagen Zellen, die Mediatoren ausschütten: • Mastzellen, basophile GZ. Zytotoxische Zellen: • NK-Zellen Natürliche Killerzellen In Gesunden: NK-Aktivität zu ~100% über Large Granulated Lymphocytes-LGLs LGL Bezeichnung zumeist • NK-Zellen: Antigen-Erkennung über NK-Rezeptoren oder Immunglobuline • Seltener K-Zellen Killing mit Immunglobulinen: Antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC) IL-2 und IL-12 aktivieren NK-Zellen - LAK (Lymphokine-activated killer) Antibody-dependent cell mediated cytotoxicity (ADCC) NK-Zellen: Interaktion mit spezifischer Abwehr NK Zellen: Funktion Zytotoxizität NK Zielzellerkennung • über Oberflächen-Glykoproteine • niedrige Expression von HLA I. Antigenen • oder über Antikörper - ADCC Tu Lysisprogramm • Kontakt - Zytoplasmatisches Rearrangement • Zytolytische Granula mit lysosomalen Enzymen, pore forming protein (PFP) PFP Zielzelluntergang • Exozytose der NK-Granula an Kontaktstelle • Polymerisierung PFP, stanzt Löcher in Membran • Eindringen von Proteasen, Nukleasen (Granzyme) • Kommando zum Selbstmord (Apoptoseinduktion) über Fas-Ligand /Fas Interaktion Tu NK NK Zelle nach Lyse einer Tumorzelle Nekrose (GZ) - Apoptose (NK) APOPTOSE • Aktiver Prozess, Zellen schrumpfen • Integrität der Zellmembran erhalten • Pseudopodienartige Ausstülpung der Membran und Abschnürung von apoptotic bodies, die phagozytiert werden • Endonukleasen: DNA-Fragmentierung • Keine Entzündung NEKROSE • Zusammenbruch der Ionengradienten • Desintegration der Zelle • Auslösung von Entzündung durch freiwerdende zytosolische Bestandteile TEIL 3: Die humorale natürliche Abwehr TEIL 3: Die humorale natürliche Abwehr: Lösliche Plasmaproteine und Mediatoren Funktion: • Direkte Abwehr • Chemotaxis • Opsonisierung • Entzündungseinleitung durch Zellaktivierung • Zellneubildung aus Knochenmark Phagozyten produzieren Zytokine IL-1 IL-8 IL-6 TNF- IL-12 Lokale Effekte Aktiviert vask. Endothel, Lymphozyten Chemotaktischer Faktor für Leukozyten Lokale Gewebszerstörung aktiviert Bindung durch 2 Integrine Erhöht Permeabilität des vaskulären Epithel - IgG, Komplement, Zellen Lymphozytenakti vation Aktiviert NKZellen, AntikörperProduktion induziert Differenzierung von CD4 pos TZellen in TH1 Zellen Systemische Effekte Fieber IL-6 Prod. Fieber, Schock Fieber, akute Phase Proteine IL-6 Endogene Pyrogene: IL-1, IL-6, TNF Mannan bindendes Lektin Fibrinogen Serumamyloid-Protein CRP induzieren • Fieber CRP bindet an Phospholipide als Opsonin MBL bindet an Mannose Reste als Opsonin • Akute Phase Proteine CRP, MBL, Fibrin, SAP CRP MBL Komplementaktivierung Tumor Nekrose Faktor (TNF)- lokal schützend systemisch toxisch Hämorrhagische Purpura bei Verbrauchskoagulopathie Entzündung: Sepsis / Endotoxinschock: • lokale Gerinnung, • DIC (disseminierte intravasale Gerinnung) • Beseitigung der Infektion, • multiples Organversagen • Einleitung adaptive Immunität • systemische Ödeme Die Typ I-Interferone IFN, IFN IFN: Makrophagen, B-Zellen IFN: jede Zelle (IFN: Typ II) Bedeutung bei Virusinfektionen: Antiviraler Status IFN wird auf Kontakt mit intakten Viren und doppelsträngiger RNA ausgeschüttet, IFN bei intakten Viren und LPS. Beide inhibieren autokrin und parakrin die virale Replikation und induzieren Abwehr des „Wirt“ (Host-Response) MBL: Mannan-binding Lektin MASP: MBL-associated Serum Protease Komplement Ziel Entzündung Ziel Opsonisation Ziel MAC 1. Der klassische Weg: C3 Konvertase deponiert große Mengen an C3b Molekülen an Pathogenoberfläche C2a initiiert Entzündung C4b bindet kovalent: Opsonisation C3a initiiert Entzündung C3 Konvertase IgM IgM opsoniert Bakterium C3b kovalente Opsonisation Amplifikation: x 1000 ! 2. Der Lektin Weg: Selbe Wirkung, anderer Start C2a initiiert Entzündung MBL als Opsonin: C3a initiiert Entzündung C3 Konvertase bindet an Mannose Merke: MBL und CRP sind Akute Phase Proteine MBL Phagozyt 3. Der alternative Weg: C3b oder „iC3b“, ein ohne Spaltung verändertes C3b, sind Voraussetzung • Autoaktivierung andauernd, jedoch nicht ausreichend (Regulation siehe unten) • Aktivatoroberfläche: LPS, Viren, Bakterien, Protozoen, Oberflächen Virus-infizierter Zellen, Tumorzellen Weitere Amplifikation des klassischen Weges durch Vermehrung des Opsonins C3b Aktivatoroberfläche Die C3 Konvertase des alternativen Weges ist nur auf Aktivatoroberflächen stabil Ziel Entzündung Nebenprodukte Weg 1 und 2: Anaphylatoxine Permeabilität C3a C5a C4a Extravasat: Migration: Ig, Komplement Makrophagen, PMN, LZ Adhärenz Anaphylatoxine Rubor - Calor - Dolor - Tumor - Functio laesa Ziel Opsonisation Komplement vereinfacht Phagozytose Opsonisation und den Abtransport von Immunkomplexen aus Antigen und Antikörper….. ICs aktivieren Komplement C3b bindet an CR1 Erythrozyt CR1 C3b Kovalente Bindung von C3b Phagozytose: Milz und Leber Komplementrezeptor CR1 an Erythrozyten entfernt Immunkomplexe aus Zirkulation Phagozyt Die terminalen Komplement-Proteine C5 Konvertasen Klassischer und Lektinweg C3b C4b,C2b C3b Alternativer Weg C3b, Bb C5a C5 C5b MAC Ziel MAC - Membrane Attack Complex C6 C7 C8 C9 (x16) C5b Pathogen 10 nm = 100 Å Poren in Zellmembran des Pathogens Komplementsystem: • laufende Aktivität, Bindung an Pathogene • Ergo: Schutz körpereigener Zellen durch regulatorische Proteine ist wichtig! z.B. C1-Inhibitor verhindert Immunkomplexmediierte Entzündung z.B. CR1, DAF binden C3b, das gespalten wird SELBST z.B. CD59 verhindert MAC Krankheitsbilder durch Defizienzen von Komplementfaktoren C1-C4 Problem Immunkomplexe Lupus erythematodes -ähnliche Syndrome, Glomerulonephritis, Arthralgien, Vaskulitis C3 Problem Opsonisation pyogene bakterielle Infektionen C5-C8 Problem MAC Neisserieninfektionen, rheumatoide Syndrome Inzidenzen primärer Komplement-Defizienzen C1-C9 (C2!) - 1:40.000 C1INH: - 1:10.000 caucasian; - 1:50.000 – 1:150.0000 USA. Krankheitsbilder durch Defizienzen von Regulatorproteinen • C1-Inhibitor hereditäres Angioödem Quincke Exzessive Formation von C2a mit Kinin-Wirkung • CD59, DAF: paroxysmale nächtliche Hämoglobinurie Lyse von Erythrocyten durch MAC. Trigger: Acetylcholin. Natürliche Abwehrmechanismen Prof. Dr. Erika Jensen-Jarolim Quellenangabe Janeway Immunologie Murphy, Travers, Walport Wörterbuch Allergologie und Immunologie Ferencik, Rovensky, Matha, Jensen-Jarolim. Springer 2004 Gastrointestinaltrakt: Mukosale Pathophysiologie und Immunologie Jensen-Jarolim, Schöll, Szalai. Springer 2006
