Immunologie - Medizinische Hochschule Hannover
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Immunologie Teil I Prof. Reinhold Förster Inst. f. Immunologie [email protected] 1 http://www.mhhannover.de/vorlesung_unterlagen.html 2 Immunologie Lehrbücher für Nerds: Immunobiology “Janeway” Case Studies in Immunology 8th/ 2011 3 Andere: ... etc 4 Tafelbild 5 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 6 Grundlagen der Immunologie • Impfungen • Therapeutika • Diagnostik • Primäre Immundefekte • Autoimmunerkrankungen • HIV und andere Infektionskrankheiten, die dass Immunsystem beeinflussen 7 Lernziele Sie sollten in der Lage sein, - die zellulären Komponenten des Immunsystems zu benennen und dem myeloiden oder lymphoiden Teil zuzuordnen. - die beteiligten Zelltypen dem angeborenen und dem erworbenen Immunsystem zuzuordnen. - den Unterschied zwischen dem angeborenen und dem erworbenen Immunsystem kennen. Dabei sollten Sie die Kinetik der beiden Systeme beschreiben können. - das Prinzip der Mustererkennung (pattern recognition) durch spezifische Rezeptoren des angeborenen Immunsystems zu erklären und dazu fünf Beispiele zu geben (erkannte Struktur und passender Rezeptor) Grundlagenimmunologie „The physician of the future will be an immunisator“ Sir Almroth Wright 9 10 210 Jahre Vakzinierung 1798 Immunisierung gegen Pocken mit Vaccinia-Virus (Jenner) 1880 Pasteurella multocida (Pasteur) 1881 Anthrax (Pasteur) 1885 Tollwut (Pasteur) 1886 Typhus 1896 Cholera 1897 Pest 1960er Polio (Salk, Sabin), MMR 2006 HPV 11 Die Ausrottung der Pocken durch die Schutzimpfungen Anzahl der Länder mit einem oder mehreren Fällen pro Monat 12 Fehlen von effektiven Impfstoffen Tote/Jahr Malaria 1.2 Mio Schistosomiasis 15,000 Intestinale Wurminfestation 12,000 Diarrhöe 1.8 Mio Atemwegsinfektionen 3.9 Mio HIV/AIDS 2.8 Mio Tuberkulose 1.5 Mio 13 Komponenten und Aufbau des Immunsystems 1) Zelltypen 2) angeborene und erworbene Immunität 3) humorale und zelluläre Immunfunktion 15 Neutrophiler Eosinophiler Neutrophiler Lymphozyt Basophiler Monozyt 16 Hämatopoese T NK B Gr Neu Eos Baso Mono Thrombo Ery 17 Hämatopoese Lymphoid T NK B Gr Neu Eos Baso Mono Myeloid Thrombo Ery 18 Hämatopoese Lymphoid T NK B Gr HSC Hämatopoetische Stammzelle Neu Eos Baso Mono Myeloid Thrombo Ery 19 Hämatopoese Lymphoid Thymus T pro-T NK CLP B pro-B HSC Gr Neu GMP Eos Baso Mono CMP Thrombo Myeloid MkEP Ery 20 Hämatopoese Lymphoid Thymus T pro-T NK CLP B pro-B HSC Gr Neu GMP Eos Baso Mono CMP Thrombo Myeloid MkEP Ery 21 Komponenten und Aufbau des Immunsystems 1) Zelltypen 2) angeborene und erworbene Immunität 3) humorale und zelluläre Immunfunktion 22 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden 23 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden mechanisch: • epitheliale Barrieren • Luft-/Flüssigkeitsstrom 24 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden Enzyme pH pH Enzyme mechanisch: • epitheliale Barrieren • Luft-/Flüssigkeitsstrom chemisch: • pH • Enzyme • antimikrobielle Peptide 25 Abwehrmechanismen, die die Invasion von Pathogenen unterbinden mechanisch: • epitheliale Barrieren • Luft-/Flüssigkeitsstrom Darmflora chemisch: • pH • Enzyme • antimikrobielle Peptide mikrobiologisch: • Darmflora 26 Antigenmenge angeboren adaptiv Zeit 27 angeboren lebensnotwendig erworben gut es zu haben 28 angeboren erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13: 195-201 angeboren erworben lebensnotwendig gut es zu haben „ready to go“ braucht etwas mehr Zeit 30 Eosinophiler Neutrophiler Lymphozyt Monozyt Basophiler 31 Eosinophiler a g n Basophiler Neutrophiler b e r o Lymphozyt n e Monozyt/Macrophage a a d it v p 32 33 angeboren erworben lebensnotwendig gut es zu haben „ready to go“ braucht etwas mehr Zeit Zellen besitzen Effektorfunktion (Phagozyten) Keine basale EffektorFunktion (Lymphozyten) 34 Basale Aufgabe eines Immunsystems kontrolliert Selbst Immunsystem Fremd zerstört 35 Basale Aufgabe eines Immunsystems kontrolliert Selbst Immunsystem Fremd zerstört Wie unterscheidet das Immunsystem Freund und Feind? 36 Fremderkennung - angeborenes Immunsystem angeborenes Immunsystem Pattern Recognition Receptors PRR Janeway, 1989 Fremd Pathogen-Associated Molecular Patterns PAMPs 37 “Klassen von Muster-Rezeptoren” N-Formylmethionin-Rezeptor erkennt als G-Protein gekoppelter Rezeptor bakterielle Polypeptide Dectin-1 erkennt als C-Type-Lectin spezifische ZellwandGlukose-Polymere in Pilzen (beta-1,3-Glucane) RIG-I erkennt als Helikase intrazelluläre virale RNA TLR, NLR, NLRP 38 Bruce Beutler Jules Hoffmann Fremderkennung - angeborenes Immunsystem Drosophila Toll 40 42 TLR: 18-25 Leucine-rich repeats 44 Fremderkennung - angeborenes Immunsystem - 45 NOD-like receptors (NLRs) NOD2 erkennt intrazelluläres Muramyl-Dipeptid. NOD2 “loss of function mutationen” sind stark mit Crohn’s Disease assoziiert. 46 NLRPs erkennen vermutlich “Gefahr” NLRP3 wird aktiviert durch verringerte intrazelluläre Kaliumkonzentration, Kristalle (Harnsäure), Alum (Adjuvanz) 47 Ignoranz angeborenes Immunsystem Muster PRR - PAMP PRR: genetisch festgelegt. Selbst Selektion im Laufe der Evolution. Fremd 48 angeboren erworben lebensnotwendig gut es zu haben „ready to go“ braucht etwas mehr Zeit Zellen besitzen Effektorfunktion (Phagozyten) Keine basale EffektorFunktion (Lymphozyten) Erkennung über „PAMPs“ hoch variable Erkennungsrezeptoren 50 Lernziele Sie sollten in der Lage sein, - die Terminologie zelluläre und humorale Immunantwort, exokrin, endokrin, autokrin, parakrin zu verwenden. - die Funktionen der Phagozytose 1) Eliminierung der Pathogene, 2) Induktion einer Entzündung, 3) Aufnahme von Fremdantigen zur Präsentation für die erworbene / adaptive Immunantwort zu beschreiben. - die Bedeutung von Adjuvanzien zu erklären und aktuell in Deutschland zugelassene Adjuvanzien zu benennen. - die wesentlichen Funktionen der Entzündung zu beschreiben. - zu erklären, warum Dendritische Zellen oft als Brücke zwischen angeborener und erworbener Immunität bezeichnet werden. Grundlagenimmunologie humorale Funktionen zelluläre Funktionen „anti-microbials“ akute Phase Proteine Phagozyten angeborenes Immunsystem Interferone Komplement „innate like“ Lymphozyten adaptives Immunsystem Antikörper Effektor Lymphozyten 52 Anti-mikrobielle Substanzen werden exokrin sezerniert: z.B. Peptide wie Defensine, Enzyme wie Lysozym, Antikörper der IgA Klasse akute Phase Proteine, Antikörper der IgG Klasse, Zytokine werden endokrin sezerniert. Dies geschieht teilweise autokrin oder parakrin. 53 54 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 55 56 Makrophagen werden durch Pathogenkontakt aktiviert, nehmen diese auf und leiten eine Entzündungsreaktion ein 60 Makrophagen werden durch Pathogenkontakt aktiviert, nehmen diese auf und leiten eine Entzündungsreaktion ein PRR 61 Adjuvanzien • “The immunologist’s dirty little secret” (Janeway) • notwendig bei nicht sehr immunogenen Antigenen (z.B. Peptide) • oft sterile Bestandteile von Bakterien (Zellwandbestandteile) • Aktivierung von Antigen- präsentierenden Zellen über TLR und NRLP klinisch zugelassene Adjuvantien • Alum (amorphes Aluminiumhydroxyphosphat) • Konversion des Ag in Partikelform • DC-Aktivierung über TLR und NLRP3 • MF59 und AS03 (im H1N1-Vakzin) • Öl-in-Wasser Emulsion, Emulgatoren • Verweildauer des Antigens, Eintritt in die Lymphe • Chemokin-, Cytokin-Induktion in DC • AS04 • Kombiniertes Adjuvans. Komplex aus MPL (Monophosphoryl-Lipid A) und Aluminiumhydroxid bzw. Aluminiumphosphat • Aktivierung des Toll-like-Rezeptors TLR4. Bestandteil in Fendrix (Hepatitis B-Impfstoff), Cervarix (HPV-Impfstoff) Lösliche Mediatoren I: Antibakterielle Substanzen angeboren pH-Absenkung H2O2, O2 , OH ,OClNO erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13: 195-201 „Respiratory burst“ = explosionsartige Zunahme des oxidativen Stoffwechsels in Makrophagen und Neutrophilen 65 „Respiratory burst“ = explosionsartige Zunahme des oxidativen Stoffwechsels in Makrophagen und Neutrophilen X-linked Septische Granulomatose: Wegen einer defekten NADPH-Oxidase können keine Sauerstoffradikale und –radikalverbindungen gebildet werden => von Phagozyten aufgenommene Bakterien und Pilze werden nicht abgetötet, uU im ganzen Organismus disseminiert (Sepsis); besonders schwere Infektionsverläufe. 66 Lösliche Mediatoren II: Zytokine/Chemokine angeboren IL-1 IL-6 IL-8 (CXCL8) IL-12 TNFα Rekrutierung von Neutrophilen/Lymphozyten Akute-Phase-Proteine Entzündungsreaktion adaptive Immunantwort erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13: 195-201 Die Zytokine TNFα, IL-1 und IL-6 haben vielfältige Wirkung und helfen so, die Immunantworten auf Infektionen zu koordinieren 68 IL-6 induziert akute Phase Proteine der Leber dazu gehören • • • • C-reactive protein CRP und serum amyloid protein SAP MLP (Mannose-bindendes-Lektin) Surfactant Protein A und D Fibrinogen • Diese dienen als hochaussagekräftige klinische Entzündungsparameter, z.B. CRP normal bis 10mg/ml 69 angeboren Rekrutierung von Neutrophilen/Lymphozyten Akute-Phase-Proteine Entzündungsreaktion adaptive Immunantwort erworben aus: Martin, F et al. (2001), Curr. Opin. Immunol.,13: 195-201 Phagozyten adhärieren an Gefäßendothel mittels Integrinen LAD (Leukozyten-Adhäsions-Defizienz): Klassische Form betrifft Integrin β2-Expression; nicht auf Zelloberfläche, weswegen LFA-1 und CR3 nicht exprimiert sind => mangelhafte Leukozytenadhäsion => Sehr suszeptibel für bakterielle Infektionen und Defekte in der Wundheilung. 72 http://www.orpha.net/data/patho/GB/uk-LeucocyteAdhesionDeficiency.pdf Neutrophile verlassen den Blutkreislauf und wandern zu Infektionsherden 73 Die wesentlichen Funktionen der Entzündung sind… • Rekrutierung zusätzlicher Effektorzellen (und damit der von ihnen synthetisierten löslichen Mediatoren) sowie weiterer löslicher Effektormoleküle wie Antikörper und Komplementproteine, mit dem Ziel, Pathogene möglichst vor Ort schon zu vernichten. • Aufbau einer physikalischen Barriere (mikrovaskuläre Koagulation) mit dem Ziel, Pathogenverbreitung einzudämmen. • Einleitung der Wundheilung mit dem Ziel, zusätzliche pathogene Belastung zu verhindern. • => Die Gefahren einer Infektion unterbinden oder wenigstens eindämmen und gleichzeitig eine adaptive Immunantwort initiieren. 74 Eine Infektion und die darauf ausgelöste Immunantwort kann in mehrere Stadien eingeteilt werden 75 Ralph M. Steinman 76 77 Dendritische Zellen starten eine adaptive Immunantwort unreife dendritische Zellen halten sich in peripheren Geweben auf dendritische Zellen wandern über afferente Lymphgefäße zu regionalen Lymphknoten reife dendritische Zelle im inneren Cortexbereich Lymphatischer Antigen-spezifischer Lymphozyt Follikel Makropinsom Reife dendritische Zelle regionaler Lymphknoten naiver Lymphozyt innerer Cortexbereich Mark 78 79 Dendritische Zellen (DCs) wandern durch die Lymphe in den Lymphknoten 80 humorale Funktionen Zelluläre Funktionen angeborenes Immunsystem Dendritische Zellen adaptives Immunsystem 81 Der Verlauf einer typischen Antikörperantwort Primärantwort Antikörper (μg ml-1 Serum) Sekundärantwort LagPhase Reaktion auf Antigen A Reaktion auf Antigen B Antigen A Anti gene A +B Tage 83 Der Verlauf einer typischen Antikörperantwort Sekundärantwort Primärantwort Antikörper (μg ml-1 Serum) LagPhase Immunologisches Gedächtnis Reaktion auf Antigen A Reaktion auf Antigen B Antigen A Anti gene A +B Tage 84 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 85 Die Verteilung der lymphatischen Gewebe im Körper Rachenmandel (Polyopen) Gaumenmandeln rechte subklavikuläre Vene Lymphknoten Linke klavikuläre Vene Thymus Herz Ductus thoracicus Niere Milz Peyersche Platten im Dünndarm Blinddarm Lymphgefäße Dickdarm Knochenmark 88 Lymphknoten 89 Lymphgefäße • Ca. 1012 αβT-Zellen im Menschen viel! • Nur ca. 6000 spezifisch für ein best. Epitop, z.B. Influenza Virus HA wenig • Influenza-infizierte Person mehrere Millionen Viruspartikel praktisch nichts! 90 • Lymphozyt - Durchmesser: ~ 10 µm = 10x10-6 m • Lymphozyt - Volumen: 5x10-13 m3 • Körpervolumen (100 kg): 0.1 m3 • Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Lymphozyten: 1:500 Mrd. • bei 6000 identischen Lymphozyten: 1:314 Mio. 91 92 4 Hauptphasen der Lymphozytenadhäsion Rollen Aktivierung Adhäsion Diapedese 93 T-Zellen in efferenter Lymphe Retention von T-Zellen im Lymphknoten Figure 10-8 im Zuge der Aktivierung Zeit nach Infektion (Tage) 94 angeboren vs. adaptiv 95 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 97 Lernziele Sie sollten in der Lage sein, - zu beschreiben, wie und aus extrazellulären und intrazellulären Peptiden Antigene auf MHC-I oder MHC-II beladen werden. - zu benennen, in welchem MHC-Kontext CD4+ oder CD8+ T-Zellen Peptide erkennen. - die Interaktion von T- und B-Zellen im Keimzentrum zu beschreiben. - zu erklären, auf welche Arten Antikörper an der Immunabwehr beteiligt sein können. Grundlagenimmunologie 101 Die Struktur des T-Zell-Rezeptors Kohlenhydrat α-Kette β-Kette variable Region (V) konstante Region (V) Gelenk (H) Transmembranregion Cytoplasmatischer Schwanz Disulfidbrücke 103 Zwei Hauptgruppen von T-Zellen erkennen Peptid, das an Proteinen von zwei unterschiedlichen Klassen von MHC Molekülen gebunden ist 104 MHC-Moleküle präsentieren die Peptidfragmente von Antigenen auf der Zelloberfläche MHC-Klasse I MHC-Klasse II Peptid Zellmembran 105 kurze Peptide im MHC-I längere Peptide im MHC-II MHC-I-Moleküle präsentieren Antigene, die aus Proteinen im Zytosol stammen Im Zytosol werden virale Proteine synthetisiert Virus infiziert eine Zelle endoplasmatisches Reticulum MHC-I bindet Peptidfragmente viraler Proteine im ER Zellkern MHC-I transportiert gebundene Peptide and die Zelloberfläche 109 Bakterium infiziert Makrophagen und dringt in Vesikel ein; Peptidfragmente entstehen MHC-II bindet bakterielle Fragmente in den Vesikel MHC-II transportiert gebundene Fragmente an die Zelloberfläche an B-Zell-Rezeptor gebundenes Antigen Antigen wird aufgenommen und zu Peptidfragmente abgebaut Fragmente binden an MHC-II und werden an die Oberfläche transportiert MHC Klasse II Moleküle präsentieren Antigen aus intrazellulären Vesikeln Antikörper B-Zelle 110 Grundzüge der Strukturen der CD4- und CD8-Corezeptormoleküle 111 Der T-Zell-Rezeptor-Komplex besteht aus Proteinen, die das Antigen erkennen, und unveränderlichen Proteinen, die Signale aussenden Erkennung 112 Signalgebung Die Aggregation des T-Zell-Rezeptors und eines Corezeptors setzt die Verbreitung von Signalen in der Zelle in Gang in ruhenden T-Zellen sind die ITAMs nicht phosphoryliert Bindung des Liganden an den Rezeptor führt zur Phosphorylierung der ITAMs durch rezeptorassoziiete Kinasen ZAP-70 bindet an die phosphorzlierten ITAMs der ζKette; es wird durch Lck phosphoryliert und aktiviert, sobald der Corezeptor an den MHC-Liganden gebunden hat antigenpräsentierende Zelle T- Zelle 113 Die Expression von MHC-Molekülen unterscheidet sich in verschiedenen Geweben Gewebe MHC-Klasse I MHC-Klasse II Lymphatisches Gewebe T-Zellen B-Zellen Makrophagen andere antigenpräsentierende Zellen (z.B. Langerhans-Zellen) epitheliale Zellen des Thymus andere kernhaltige Zellen Neutrophile Zellen Hepatocyten Niere Gehirn kernlose Zellen rote Blutkörperchen 114 Die Expression von MHC-Molekülen unterscheidet sich in verschiedenen Geweben Gewebe MHC-Klasse I MHC-Klasse II Lymphatisches Gewebe T-Zellen B-Zellen Makrophagen andere antigenpräsentierende Zellen (z.B. Langerhans-Zellen) epitheliale Zellen des Thymus andere kernhaltige Zellen Neutrophile Zellen Hepatocyten Niere Gehirn kernlose Zellen rote Blutkörperchen 115 T-Zellen in efferenter Lymphe Retention von T-Zellen im Lymphknoten Figure 10-8 im Zuge der Aktivierung Zeit nach Infektion (Tage) 116 Cytotoxische T-Zellen erkennen Antigene, die von MHC-I-Molekülen präsentiert werden, und töten die Zelle ab Cytotoxische T-Zelle erkennt Komplex aus viralem Fragment und MHC-I und tötet infizierte Zelle tötet MHCKlasse-I 117 Cytotoxische T-Zellen erkennen Antigene, die von MHC-I-Molekülen präsentiert werden, und töten die Zelle ab Cytotoxische T-Zelle erkennt Komplex aus viralem Fragment und MHC-I und tötet infizierte Zelle tötet CD8 MHCKlasse-I 118 TH1- und TH2-Zellen erkennen Antigene, die von MHC-II-Molekülen präsentiert werden TH1-Zelle erkennt Komplex aus bakteriellem Fragment und MHC-II und aktiviert Makrophagen aktiviert MHCKlasse-II TH2-Helferzelle erkennt Komplex aus antigenem Fragment und MHC-II und aktiviert die B-Zelle T-Helferzelle aktiviert MHCKlasse-II 119 TH1- und TH2-Zellen erkennen Antigene, die von MHC-II-Molekülen präsentiert werden TH1-Zelle erkennt Komplex aus bakteriellem Fragment und MHC-II und aktiviert Makrophagen aktiviert CD4 MHCKlasse-II TH2-Helferzelle erkennt Komplex aus antigenem Fragment und MHC-II und aktiviert die B-Zelle T-Helferzelle aktiviert CD4 MHCKlasse-II 120 Der T-Zell-Rezeptor ähnelt einem membrangebundenem FabFragment Antigenbindungsstelle Antigenbindungsstelle Antikörper Antigenbindungsstelle T-ZellRezeptor T-Zelle 121 Immunglobulinmolekühle bestehen aus zwei verschiedenen Arten von Polypeptidketten, den schweren Ketten und den leichten Ketten leichte Ketten Disulfidbrücken schwere Ketten 122 Unterschiede in der Antigenerkennung zwischen Immunglobulinen und T Zell Rezeptoren 123 Unterschiede in der Antigenerkennung zwischen Immunglobulinen und T Zell Rezeptoren Oberflächen Immunglobuline innere Strukturen TCR 124 Antigene können in Taschen, Gruben oder an ausgedehnten Oberflächen innerhalb der Bindungsstellen von Antikörpern binden 125 germinal center = Keimzentrum Aktivierte T-Zellen im Keimzentrum vermitteln B-Zell-Hilfe Dies führt zur Affinitätsreifung und zum Klassenwechsel Aktivierte T-Zellen im Keimzentrum vermitteln B-Zell-Hilfe Dies führt zur Affinitätsreifung und zum Klassenwechsel Gedächtniszelle Tod Plasmazelle spezifische Antikörper bakterielle Toxine Zelle mit Toxinrezeptoren Neutralisierung Bakterien im extrazellulären Raum Antikörper können auf drei Arten an der Immunabwehr beteiligt sein Bakterien im Plasma Makrophage Opsonisierung Aktivierung des Komlementssystems Komplement 133 134 Überblick: Komplementkaskade 135 Klassischer Weg: Initiiert durch C1 136 Klassischer Weg: Generierung von C3/C5Konvertase (=C4bC2b) Protease-Kaskade: Signal-Amplifikation (vgl. Blutgerinnung) Regulation: Aktiv nur an Oberflächen körpereigene Zellen tragen Regulatoren 137 Spaltung des C5 Leitet die späte Kaskade ein. In C5-Spaltung konvergieren die 3 Wege der Komplementkaskade. 138 Spaltung des C5 Leitet die späte Kaskade ein. In C5-Spaltung konvergieren die 3 Wege der Komplementkaskade. Anaphylatoxine: Chemotaxis Aktivierung des „membrane attack complex“ 139 Der fertige „membrane-attack“-Komplex erzeugt ein Loch in der Zellmembran 140 Lernziele Sie sollten die somatische V(D)J-Rekombination verstehen und erklären können, wie es zur hohen Vielfalt der variablen Teile der Antigenrezeptoren kommt. Weiterhin sollten Sie in der Lage sein, - zu benennen, welche Veränderungen in den Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen, die während der B-Zell- und T-Zell-Entwicklung und – Differenzierung erfolgen. - den Begriff und die Bedeutung von MHC-Restriktion zu erklären. - zu beschreiben welche positiven und negativen Selektionsmechanismen die theoretische Antigenrezeptordiversität einschränken (VS 4 und VS 5). Grundlagenimmunologie angeboren erworben lebensnotwendig gut es zu haben „ready to go“ braucht etwas mehr Zeit Zellen besitzen Effektorfunktion (Phagozyten) Keine basale EffektorFunktion (Lymphozyten) Erkennung über „PAMPs“ hoch variable Erkennungsrezeptoren 150 Gene der variablen Regionen werden durch somatische Rekombination jeweils neu aus Gensegmenten aufgebaut leichte Ketten schwere Ketten Keimbahn-DNA Somatische Rekombination DJ-verknüpfte umgeordnete DNA Somatische Rekombination VJ- oder VDJ-verküpfte umgeordnete DNA Primäres RNA-Transkript Spleißen mRNA Polypeptidkette 152 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette V-Segmente D-Segmente J-Segmente 153 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 200 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 154 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 120 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 155 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 320 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 156 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment leichte Ketten schwere Kette 10530 V-Segmente D-Segmente J-Segmente 157 Die Anzahl funktioneller Gensegmente für die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten in menschlicher DNA Zahl der funktionsfähigen Gensegmente in menschlichen Immunglobulinloci Segment V-Segmente leichte Ketten schwere Kette 10530 x 320 = 3.4 x 106 D-Segmente J-Segmente 158 Die genomische Organisation der Loci für die schweren und leichten Immungloblinketten in der Keimbahn des Menschen Locus der leichten λ-Kette Locus der leichten κ-Kette Locus der schwerenKette 159 Rekombinations-Signal-Sequenzen - Die 12/23-Regel 160 Gensegmente für variable Regionen werden durch Rekombination verknüpft 161 Die Einführung von P- und N-Nucleotiden an den Verknüpfungen zwischen Gensegmenten während der Immunglobulingenumlagerung Anfügen von N-Nucleotiden durch TdT RAG-Komplexe binden und spalten Rekombinationssignalsequenzen, sodass eine DNA-Haarnadelstruktur ensteht Paarung der Stränge die RAG-vermittelte Spaltung der Haarnadelstruktur erzeugt palindromartige P-Nucleotide Durch Exonucleasespaltung, DNA-Synthese und DNA-Ligation ensteht die codierende Verknüpfungssequenz 165 Umordnung und Expression der Gene für die α- und β-Kette des T-Zell-Rezeptors Keimbahn-DNA Rekombination umgeordnete DNA Transkription Spleißen Translation Protein (T-Zell-Rezeptor) Transkription Spleißen Translation umgeordnete DNA Rekombination Keimbahn-DNA 166 Die Anzahl der menschlichen T-Zell-Rezeptor-Gen-Segmente und die Ursachen der T-Zell-Rezeptor-Vielfalt im Vergleich zu den Immunglobulinen Immunglobulin α:β - Rezeptoren Element V-Segmente D-Segmente D-Segmente, in drei Rastern gelesen selten oft J-Segmente Verknüpfung mit N- und PNucleotiden 50% der Verknüpfungen Anzahl der V-Genpaare junktionale Diversität Gesamtvielfalt 167 Veränderungen in den Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen, die während der B-Zell- und T-Zell-Entwicklung und –Differenzierung erfolgen Vorgang erfolgt in Vorgang Art der Änderungen B-Zellen T-Zellen somatische Rekombination von DNA irreversibel ja ja junktionale Diversität unpräzise Verknüpfungen, Insertion von N-Sequenzen in die DNA irreversibel ja ja transkriptionelle Aktivierung Aktivierung des Promotors durch Nähe zum Enhancer irreversibel, aber reguliert ja ja IsotypwechselRekombination somatische Rekombination von DNA irreversibel ja nein Somatische Hypermutation DNA-Punktmutation irreversibel ja nein IgM-, IgD-Expressionen auf der Oberfläche Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja nein Membrangebundene oder sezernierte Form Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja Ereignis Zusammensetzung der VRegionen nein 168 Veränderungen in den Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen, die während der B-Zell- und T-Zell-Entwicklung und –Differenzierung erfolgen Vorgang erfolgt in Vorgang Art der Änderungen B-Zellen T-Zellen somatische Rekombination von DNA irreversibel ja ja junktionale Diversität unpräzise Verknüpfungen, Insertion von N-Sequenzen in die DNA irreversibel ja ja transkriptionelle Aktivierung Aktivierung des Promotors durch Nähe zum Enhancer irreversibel, aber reguliert ja ja IsotypwechselRekombination somatische Rekombination von DNA irreversibel ja nein Somatische Hypermutation DNA-Punktmutation irreversibel ja nein IgM-, IgD-Expressionen auf der Oberfläche Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja nein Membrangebundene oder sezernierte Form Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja Ereignis Zusammensetzung der VRegionen nein 169 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen 170 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen Opsonisierung 171 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen Opsonisierung mucosale Immunität 172 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen Opsonisierung Komplement mucosale Immunität 173 Der Aufbau der wichtigsten menschlichen Immunglobulinisotypen Opsonisierung Komplement mucosale Immunität Mastzell-Aktivierung 174 IgM- und IgA-Moleküle können Multimere bilden IgM-Pentamer J-Kette IgA-Dimer J-Kette 175 Veränderungen in den Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptor-Genen, die während der B-Zell- und T-Zell-Entwicklung und –Differenzierung erfolgen Vorgang erfolgt in Vorgang Art der Änderungen B-Zellen T-Zellen somatische Rekombination von DNA irreversibel ja ja junktionale Diversität unpräzise Verknüpfungen, Insertion von N-Sequenzen in die DNA irreversibel ja ja transkriptionelle Aktivierung Aktivierung des Promotors durch Nähe zum Enhancer irreversibel, aber reguliert ja ja IsotypwechselRekombination somatische Rekombination von DNA irreversibel ja nein Somatische Hypermutation DNA-Punktmutation irreversibel ja nein IgM-, IgD-Expressionen auf der Oberfläche Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja nein Membrangebundene oder sezernierte Form Differenzielles Spleißen von RNA reversibel, reguliert ja Ereignis Zusammensetzung der VRegionen nein 176 Keimzentren als Orte der somatischen Hypermutation Keimzentren als Orte der somatischen Hypermutation schwere Kette Immunisierung primäre sekundäre tertiäre leichte Kette Affinität • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 180 Basale Aufgabe eines Immunsystems kontrolliert Selbst Immunsystem Fremd zerstört Wie unterscheidet das Immunsystem Freund und Feind? 181 Ignoranz angeborenes Immunsystem Muster PRR - PAMP PRR: genetisch festgelegt. Selbst Selektion im Laufe der Evolution. Fremd 182 Ignoranz angeborenes Immunsystem Muster PRR - PAMP Selbst Selektion Fremd adaptives Immunsystem potenziell alles 183 Ignoranz angeborenes Immunsystem Muster PRR - PAMP Selbst Antigenrezeptoren: ZUFÄLLIGE somatische Rekombination. Selektion adaptives Immunsystem Fremd potenziell alles 184 Ignoranz angeborenes Immunsystem Muster PRR - PAMP Selbst Antigenrezeptoren: ZUFÄLLIGE somatische Rekombination. Fremd Erkennung jeglicher Form von Antigen. Genetisch festgelegte Ignoranz ist keine Option. adaptives Immunsystem Selektion potenziell alles 185 - Autoimmunität der Preis des adaptiven Immunsystems 186 - Autoimmunität der Preis des adaptiven Immunsystems 187 B- und T-Zell-Entwicklung 1. Positive Selektion: Selektion funktioneller AntigenRezeptoren (erfolgreiche Rekombination „in frame“) 2. Negative Selektion: Eliminierung von Klonen mit autoreaktivem Antigen-Rezeptor 188 B-Zell-Entwicklung 189 Zentrale Toleranz - B-Zellen Avidität: hoch Avidität: gering Avidität: gering 190 T-Zell-Entwicklung 191 Der zelluläre Aufbau des menschlichen Thymus corticale Epithelzelle Kapsel Trabekel Cortex subkapsuläres Epithel Corticomedulläre Grenze Medulla HassallKörperchen Thymocyt (aus dem Knochenmark) medulläre Epithelzelle dendritische Zelle (aus dem Knochenmark) Makrophage (aus dem Knochenmark) 193 Die epithelialen Zellen des Thymus bilden ein Netzwerk, das die sich entwickelnden Thymocyten umgibt 194 Die Korrelation von Entwicklungsstadien der α:β – T-Zellen mit der Umordnung der T-Zell-Rezeptor-Gene und der Expression von Zelloberflächenproteinen doppelt negativ doppelt positiv einfach positiv Umordnung 195 Die Korrelation von Entwicklungsstadien der α:β – T-Zellen mit der Umordnung der T-Zell-Rezeptor-Gene und der Expression von Zelloberflächenproteinen doppelt negativ doppelt positiv einfach positiv Umordnung + Selektion: β-Kette („β-Kette-Selektion“) 196 MHC-Restriktion Figure 7-28 part 1 of 2 bestrahlter Empfänger des MHC-Typs a bestrahlter Empfänger des MHC-Typs b 197 MHC-Restriktion Messung der Reaktion immunisierter F1-T-Zellen auf das Antigen, das von APCs des MHCTyps a und b präsentiert wird T-Zellen reagieren auf ein Antigen, das von APCs des MHC-Types a präsentiert wird T-Zellen reagieren auf ein Antigen, das von APCs des MHC-Types b präsentiert wird 198 Figure 5-17 199 Lernziele Sie sollten in der Lage sein, -zu beschreiben welche positiven und negativen Selektionsmechanismen die theoretische AntigenRezeptordiversität einschränken (VS 4 und VS 5). -die Differenzierungsmöglichkeiten von naiven zu Effektor-T-Zellen und die für eine Aktivierung von notwendigen Signale aufzuzählen (naive CD8+ zu Killer T-Zellen, 5 Möglichkeiten für naive CD4+ TZellen). -zu benennen, welche Mechanismen in der Regel eine immunologische Toleranz gegenüber „Selbst“ ermöglichen. Grundlagenimmunologie Figure 5-17 202 Positive Selektion im Thymuscortex normale Expression von MHC-Klasse-II-Molekülen Mutante ohne MHC-Klasse-IIMolekülen CD8- und CD4-Zellen reifen heran nur CD8-Zellen reifen heran Mutante, deren MHC-KlasseII-Transgen nur im Thymusepithel exprimiert wird Mutante, in der ein MHCKlasse-II-Transgen exprimiert wird, das nicht mit CD4 interagieren kann CD8- und CD4-Zellen reifen heran nur CD8-Zellen reifen heran Bare lymphocyte syndrome II/Klasse II Defizienz: Rezessive Erkrankung, in der die Expression von MHCII aufgrund von Transkriptionsfaktor-Defekten unterbleibt. Sehr wenige CD4 T Zellen in den Patienten, wenig IgG (mangels Interleukin-4 von Helfer T-Zellen) 203 Figure 5-17 204 Die „anderen“ Zellen im Thymus 207 Die „anderen“ Zellen im Thymus mTEC 208 Wie findet der Thymozyt das „Selbst“? Promiskuitive Genexpression in mTEC durch AIRE Monogene Autoimmunerkrankung: APECED 209 Autoimmunes-PolyendokrinopathieCandidiasis-Ektodermales-Dystrophie-Syndrom (APECED) Hohe Prävalenz in Finnen (1:25k), iranischen Juden (1:9k) und Sardiniern (1:14k) Erste Identifikation und Klonierung des menschlichen AIRE-Gens durch das finnisch-deutsche APECED Konsortium 1997 210 • Komponenten und Aufbau des Immunsystems • Initiation von Immunantworten • lymphatische Organe • Erkennungsmechanismen • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 212 Dendritische Zellen starten eine adaptive Immunantwort unreife dendritische Zellen halten sich in peripheren Geweben auf dendritische Zellen wandern über afferente Lymphgefäße zu regionalen Lymphknoten reife dendritische Zelle im inneren Cortexbereich Lymphatischer Antigen-spezifischer Lymphozyt Follikel Makropinsom Reife dendritische Zelle regionaler Lymphknoten naiver Lymphozyt innerer Cortexbereich Mark 215 T-Zellen gelangen über Venolen mit hohem Endothel in den Cortex der Lymphknoten T-Zellen, die nicht auf ihr spezifisches Antigen treffen, verlassen den Lymphknoten über die Lymphbahnen T-Zellen überprüfen, welche Antigene die Makrophagen und dendritische Zellen präsentieren Naive T-Zellen treffen während ihrer Wanderung durch die peripheren Lymphorgane auf Antigene T-Zellen, die auf ihr spezifisches Antigen treffen, proliferieren und entwickeln sich zu Effektorzellen 216 Vorübergehende Verbindungen zwischen T-Zellen und antigenpräsentierenden Zellen werden durch eine spezifische Antikenerkennung stabilisiert T-Zellen binden zuerst über LFA1:ICAM die anschließende Bindung der TZell-Rezeptoren bewirkt ein Signal an LFA-1 durch eine Konformationsänderung von LFA-1 erhöht sich die Affinität und verlängert sich der Kontakt zwischen den Zellen 217 Vorübergehende Verbindungen zwischen T-Zellen und antigenpräsentierenden Zellen werden durch eine spezifische Antikenerkennung stabilisiert „Immunologische Synapse“ 218 Figure 8-22 partdie 1 of 2 Wieviel Antigen braucht T-Zelle? • 1 - 10 MHC Klasse II - PeptidKomplexe in Anwesenheit von CD4 219 Figure 8-22 part 1 of 2 Signal 1 Stimulation über T-Zell-Rezeptor / MHC Signal 2 Co-Stimulation über z.B. B7 (CD80 + CD86) / CD28 220 Die Aktivierung naiver T-Zellen erfordert zwei voneinander unabhängige Signale Spezifisches Signal und Costimulator 221 Auf antigenpräsentierenden Zellen werden als costimulierende Signale vor allem B7-Moleküle exprimiert, die an das T-Zell-Protein CD28 binden 222 durch Quervernetzung von CD28 wird bei der Aktivierung naiver T-Zellen ein costimulierendes Signal ausgesandt und die Expression von CTLA-4 (CD152) ausgelöst Die T-Zell-Aktivierung über den T-Zell-Rezeptor und CD28 führt zu einer erhöhten Expression von CTLA-4, einem inhibitorischen Rezeptor für B7-Moleküle CTLA-4 bindet stärker als CD28 an B7 (CD80 oder CD86) und übermittelt aktivierten TZellen inhibitorische Signale 223 naive T-Zelle wird durch virusinfizierte dendritische Zelle stimuliert T-Zelle erkennt dasselbe Antigen auf einer infizierten Epithelzelle aktivierte T-Zelle tötet infizierte Epithelzelle naive T-Zelle erkennt körpereigenes Antigen auf einer Epithelzelle antigenspezifisches Signal allein löst eine Anergie aus T-Zelle reagiert nicht auf körpereigenes Antigen auf APC Die Bedingung, dass dieselbe Zelle sowohl das antigenspezifische als auch das costimulierende Signal aussenden muss, spielt eine wesentliche Rolle bei der Vermeidung von Immunreaktionen gegen körpereigene Antigene 224 Mikrobielle Substanzen können bei Makrophagen eine costimulierende Aktivität auslösen Proteinantigen, das nicht zu einem Bakterium gehört Bakterien Bakterielle und nichtbakterielle Proteine nicht stimulierte Makrophagen senden kein costimulierendes Signal an TZellen, die nichtbakterielle Antigene erkennen Bakterien stimulieren Makrophagen, ein costimulierendes Signal an T-Zellen zu senden, die bakterielle Antigene erkennen Bakterien regen Makrophagen an, ein costimulierenden Signal an T-Zellen auszusenden, die nichtbakterielle Antigene erkennen anergische T-Zellen Proliferation und Differenzierung von T-Zellen, die für ein bakterielles Protein spezifisch sind Proliferation und Differenzierung von TZellen, die für ein nichtbakterielles Protein spezifisch sind 225 Aktivierte T Zellen produzieren und reagieren auf IL-2 226 Expansion T-Zellen FigureAg-spezifischer 8-22 part 1 of 2 227 Expansion T-Zellen FigureAg-spezifischer 8-22 part 1 of 2 • Ausgangspopulation: 6000 pro Mensch • CD4+: mehrere 100-fach • CD8+: 50,000 – 100,000-fach 228 AktivierteT-Effektorzellen können auf ihre Zielzellen ohne Kostimulation reagieren Stimulation einer naiven T-Zelle proliferierende T-Zelle aktive T-Effektorzelle töten virusinfizierte Zielzellen 229 Effektor-T-Zell-Populationen 1. Cytotoxische T-Zellen (CTL, CD8+) 2. Helfer T-Zellen (CD4+) a. Th1 b. Th2 c. Th17 230 Figure 8-31 Zytotoxische T-Zellen können Zielzellen, die das spezifische Peptid präsentieren über die Zytotoxine Perforin, Granzyme, Granulysin sowie über FasL-Fas in die Apoptose treiben. 231 Figure Stimulation 8-22 part über 1 of 2 Signal 1 T-Zell-Rezeptor / MHC Signal 2 Co-Stimulation über z.B. B7 (CD80 + CD86) / CD28 Signal 3 Zytokine beeinflussen die Differenzierung von Th-Zellen 233 Übersicht Th Effekte Th1 Th2 Th17 Pathogen intrazelluläre Bakterien, Viren Helminthen extrazelluläre Bakterien, Pilze Effektor-Zytokin IFNγ, LTα IL-4, 5, 13, 25 IL-17A, IL-17F, 22, TNF Ziel-Zelle Makrophage, CTL B-Zelle Epithelien, Endothelien, Fibroblasten Effekt Phagozytose, zytolytisch IgKlassenwechsel, Mastzellaktivierung Akute Entzündung, Integrität der Epithelien Allergie, Asthma organspezifische Autoimmunität Pathologie systemische Autoimmunität 235 Leishmania major: Modell für Th1 vs. Th2 Polarisierung BALB/c lesions (size) Th2 Resistenz Th1 time (d) C57BL/6 236 Naive CD4+ T-Zellen können durch Variationen des durch die antigenpräsentierende Zelle vermittelten Signals 3 verschiedene Effektorfunktionen wahrnehmen. 237 Immunologische Toleranz negative Selektion AIRE Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Zentrale Toleranz Periphere Toleranz 239 Immunologische Toleranz negative Selektion Co-Stimlulation Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Anergie Zentrale Toleranz Periphere Toleranz 240 Immunologische Toleranz negative Selektion Thymus +++++ negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Aktivierungsinduzierter Zelltod Zentrale Toleranz Periphere Toleranz 241 Anergie Immunologische Toleranz negative Selektion schwach Thymus negative Selektion Rezeptor-Editing Knochenmark Ignoranz Zentrale Toleranz +++++ Anergie AICD Periphere Toleranz 242 Scurfy (sf) syndrome Courtesy of Edgar Schmitt Effektor-T-Zell-Populationen 244 IPEX Syndrom Immunodysregulation polyendocrinopathy enteropathy X-linked syndrome selten! Der Fall von John Doe: Bei Geburt unauffällig atopische Dermatitis in den ersten Tagen wässrige Diarrhöe mit 4 Monaten IDDM mit 6 Monaten Leukozyten normal, Hämoglobin normal, Eosinophile+, IgE+, Autoantikörper Foxp3 Gen disfunktional (IPEX) CyclosporinA, Tacrolimus, kurzfristige Besserung Knochenmarkstransplantation, nach einem Jahr symptomfrei 245 Lehrbücher • Komponenten und Aufbau des Immunsystems Martin/Resch Kapitel 1 - 5 • Initiation von Immunantworten Janeway (7. Auflage) Kapitel 1, 2 Kapitel 3 - 5, 7 teilweise Kapitel 8, 10 • Erkennungsmechanismen • lymphatische Organe • Lymphozytenentwicklung • Entstehung und Verlauf adaptiver Immunantworten 248 Eine Patientin Luisa: 4 Wochen alt; Geb.-Gewicht 3.7 kg Omphalitis; WBCC: 71.000/µl Antibiose 12d; WBCC: 20.000/µl Bruder: verstarb im Alter von 4 Wochen: multiple Infektionen der Haut; Omphalitis nekrotisierende Enterocolitis Staphylokokken-Pneumonie WBCC: 75.000/µl Eine Patientin Luisa: Kinderklinik: X-Ray: Abdomen, Thorax: obB WBCC: 68.000/µl 73% Neutrophile 22% Lymphos 3% Eosinophile IgG: 613mg/dl IgM: 89mg/dl IgA: 7 mg/dl C3: 185 mg/dl C4: 28 mg/gl Eine Patientin Luisa: Rebuck Hautfenster: Deckgläser auf Hautabrasion für 8h, alle 2h wird gewechselt: MIkroskopische Untersuchung: keine Leukozyten ausgewandert! Verdacht: LAD; Leukozyten-Adhäsions-Defizienz LAD Dynamik der Migration und Interaktion von Immunzellen und deren Beeinflussung zu therapeuthischen Zwecken Grundlagen der Immunzell-Migration Migration und Interaktion von Immunzellen als Basis der Funktion des Immunsystems Makrophage Neutrophiler Granulozyt Dendritische Zelle Helfer-T-Zelle B-Zelle Antikörper Adhäsion und Einwanderung von Leukozyten in peripheren Kapillargefäßen Adhäsions- und Signalmolekülen orchestrieren die gewebespezifische Einwanderung von Leukozyten from: v. Andrian and Mackay 2000, NEJM 343: 1025-35 Potentielle therapeutische “Targets” zur Modulation der Leukozyten-Migration • Selectine • Integrine • Chemokinrezeptoren • S1P-Rezeptoren Rekrutierung von Effektor-Lymphozyten – Chemotaktische Bewegung im Gewebe Chemokines – a family of chemotactic cytokines Chemokine receptors ► 7-transmembrane spanning G-protein coupled receptors (GPCRs) ► Gαi-dependent ► Pertussis toxin (PTX)-sensitive extracellular lumen cytoplasm chemokine (chemotactic cytokine) Chemokine orchestrieren die funktionelle Gliederung von Lymphknoten und Milz in T- und B-Zell-Bereiche B T B Lymphknoten B220 CD31 CD3 Milz T CD3 IgD B220 Das Mehrstufen-Modell der Adhäsion und Einwanderung von Lymphozyten in Lymphknoten Aktivierung Rolling α LSelektin CD34 Adhäsion Chemokin Rezeptor Chemokin β γ LFA-1 (inaktiv) ICAM-1,2,3 LFA-1 (aktiv) B T Transendotheliale Migration B220 CD31 CD3 B-Zell-Follikel T-Zell-Zone CXCL13 CCL21 -Teil 2.1 Lymphknoten-Homing (in vivo Fluoreszenz-Mikroskopie) Präparation des inguinalen Lymphknotens vorher Übersicht Detail nachher „Rolling“ und Adhäsion von Lymphozyten im Venenbaum des inguinalen Lymphknotens ► Zeitbeschleunigung: 2,5x ► intravitale VideoEpifluoreszenzmikroskopie ► Kortex des inguinalen Lymphknotens grün CFSE-gefärbte Lymphozyten „Rolling“ und Adhäsion von Lymphozyten im Venenbaum des inguinalen Lymphknotens T-Zellen im Lymphknoten (in vivo 2-Photonen-Laser-ScanningMikroskopie) Adapted from Mempel et al. Curr Opin Immunol 2004 Adapted from Mempel et al. Curr Opin Immunol 2004 Intravitale 2-Photonen Mikroskopie des poplitealen Lymphknotens Structural and functional aspects of lymph node organization Macroscopic organization of LN regions Cell motility and interactions in the absence of antigen B cells T cells T cells DC T cells lymphatic endothelium Cellular choreography with antigen B cell chemotaxis T cell/ B cell motility pairs T cell/ DC clusters T cell egress block T cell proliferation Interaktionsdynamik von Lymphozyten und Dendritischen Zellen – Immunologische Synapse (IS) ► Zeitbeschleunigung: 200x time lapse ► 2-Photonen Laser-Scanning Mikroskopie ► äußerer Parakortex (-120 to -160 µm) des poplitealen Lymphknotens grün - CFSE-gefärbte Lymphozyten rot - TAMRA-gefärbte reife (in vitro maturierte) Dendritische Zellen Mempel et al. Nature (2004) Migrationsinhibition als therapeutische Strategie: selektivere Immunsuppression?! Die ‘Magic Bullets’ sind da?! Monoklonale Antikörper – chimär, humanisiert, human Typen von therapeutisch eingesetzten monoklonalen Antikörpern Viral -vir- -omab (Maus) Bacterial -bac- -ximab (chimär) Immune -lim- -zumab (humanisiert) Infectious Lesions -lesCardiovascular -cir- Antifungal -fung- Neurologic -ner- Interleukins -kin- -umab (human) -cept (Fusinonsprotein) Musculoskeletal -mulBone -os- Toxin as target -toxa- Tumors colon -col- melanoma -mel- mammary -mar- testis -got- ovary -gov- prostate -pr(o)- Inf – li(m) – ximab (chimärer anti-TNFα-mAb) miscellaneous -tum- Nata – li(m) – zumab (humanisierter anti-α4 integrin-mAb) adapted from: Carter, Nature Reviews Cancer 1, 118-129 (2001) Disease or Target Class: Gewinnung monoklonaler Antikörper – Maus-Hybridoma-Technik Ziel-Antigen Immunisierung zur Stimulierung der Antikörperproduktion immortale TumorZell-Linie Isolierung von Plasmazellen aus der Milz Plasmazellen werden mit den kultivierten Tumorzellen zu sogenannten Hybridom-Zellen fusioniert Hybridom-Zellen werden subkloniert Antikörper-produzierende Klone der Hybridom-Zellen werden auf Spezifität getestet Hybridom-Zellen produzieren monoklonale Antikörper gegen Ziel-Antigen Infliximab – anti-inflammatorische Therapie durch spezifische TNFα-Blockade Therapie inflammatorischer Autoimmunerkrankungen, rheumatoide Arthritis, Morbus Crohn, Psoriasis Monoklonale (chimäre) Antikörper gegen TNFα – Infliximab (Remicade®) [bis zu 61% HACA-Inzidenz] from: Scott, Nature Biotechnology 25, 1075 - 1077 (2007) XenoMouse – eine humanisierte Maus zur Erzeugung vollständig humaner monoklonaler Antikörper adapted from: Brekke and Sandlie Nature Reviews Drug Discovery 2, 52-62 (2003), Jakobovits et al. Nature Biotechnology 25, 1134 - 1143 (2007) Generierung der transgenen humanisierten XenoMouse und Produktion humaner monoklonaler Antikörper alternative Methode: Phage-Display-Technik vollständig humaner monoklonaler Antikörper der gewünschten Spezifität adapted from: Jakobovits et al. Nature Biotechnology 25, 1134 - 1143 (2007) Mit Hilfe der XenoMouse produzierte monoklonale Antikörper in der klinischen Erprobung mAb Target Indication Company (developer) Clinical trial stage Panitumumab (Vectibix) EGFR Cancer, solid tumors Amgen approved; 2, 3 Denosumab (AMG162) RANK ligand Osteoporosis, treatment-induced bone loss, bone metastases, multiple myeloma Amgen 2, 3 AMG 102 HGF Cancer, solid tumors Amgen 1 AMG 655 Trail receptor 2 Cancer, solid tumors Amgen 1, 2 CP-675,206 CTLA-4 Cancer, solid tumors Pfizer 3 CP-870, 893 CD40 agonist Cancer, solid tumors Pfizer 1 CP-751,871 IGF-IR Cancer, solid tumors Pfizer 2 HCD122 CD40 antagonist Cancer, hematologic tumors Novartis/ Xoma 1 CROO2 PDGFR Kidney inflammation CuraGen 1b CRO11-vcMMAE GPNMB Cancer, melanoma CuraGen 1 HGS004 CC chemokine receptor 5 (CCR5) HIV Human Genome Sciences 2 AGS-PSCA/ MK-4721 PSCA Cancer, solid tumors Agensys/Merck 1 Monoklonale Antikörper als Migrationsinhibitoren bei Psoriasis: anti-αL integrin-mAb (Efalizumab) adapted from: Brekke and Sandlie Nature Reviews Drug Discovery 2, 52-62 (2003) Marecki and Kirkpatrick, Nature Reviews Drug Discovery 3, 473-474 (2004) Efalizumab – ein blockierender anti-αLIntegrin Antikörper in der Therapie gegen Psoriasis Efalizumab - blockierender, nicht-depletierender humanisierter mAb gegen die αLIntegrin-Kette (Bestandteil des Adhesionsmoleküls LFA-1) - LFA-1 ist u.a. auf CD45RO+ Gedächtnis-Effektor-T-Zellen exprimiert Wirkmechanismus von Efalizumab – Blockade der LFA-1/ICAM-1 Interaktion from: v. Andrian and Mackay 2000, NEJM 343: 1025-35 Efalizumab (humanisierter mAb) Inhibition von Adhesion und Aktivierung Efalizumab in der Therapie gegen Psoriasis – Inhibition der Migration und Aktivierung von T-Zellen adapted from: Lebwohl et al. N Engl J Med 2003;349:2004-13. Repräsentative Antworten auf Efalizumab-Therapie Tag 0 Tag 84 Neue Therapeutika gegen MS (1): Antikörper blockieren die Leukozyten-Inflitration ins ZNS anti-α4 integrin-mAb (Natalizumab) adapted from: Noseworthy and Kirkpatrick Nature Reviews Drug Discovery 4, 101-102 (2005), Steinman Nature Reviews Drug Discovery 4, 510-518 (2005) Natalizumab – ein blockierender anti-α4Integrin Antikörper in der Therapie gegen MS und CED Stamper-Woodruff Gefrierschnitt-Adhäsionsassay Wirkmechanismus von Natalizumab – Blockade der α4Integrin-Kette from: v. Andrian and Mackay 2000, NEJM 343: 1025-35 ZNS (Multiple Sklerose) Adhesion inflammatorischer Zellen durch Interaktion von α4β1Integrin-VCAM-1 Darm (CED) Adhesion inflammatorischer Zellen durch Interaktion von α4β7Integrin-MAdCAM-1 (in darm-assoziierten lymphatischen Organen und im Darm konstitutiv exprimiert) Natalizumab in der Therapie der Multiplen Sklerose – Blockade von anti-α4Integrin ist “doppelt wichtig” • VCAM-1 ist auf Endothelien im Gehirn konstitutiv exprimiert • Expression ist bei MS deutlich erhöht • α4β1-Integrin erlaubt Rolling und Adhesion auf VCAM-1 • zudem: im ZNS möglicherweise kein Rolling notwendig Die Blockade der Migration von inflammatorischen Zellen durch die Blut-Hirn-Schranke ist hoch-wirksam… MS-Studienprogramm der Universität von Toronto - Natalizumab (Tysabri) Radiologisches Monitoring ...doch die Modulation der Immunzell-Migration ist nicht ohne Risiko! Immunhistochemischer Nachweis von JC-Virus-Protein (braun) in infizierten Gliazellen bei PML Mögliche (seltene) Komplikation: Opportunistische JC Virus-Infektion aufgrund der verminderten Immunüberwachung des ZNS nach Natalizumab-Therapie Neue Therapeutika gegen MS (2): ein ‘small molecule’ als Migrationsinhibitor Fingolimod (FTY720) FTY720 – ein vielversprechendes neues Immunsuppressivum OH NH2 Immigration OH Sphingosin OH NH2 OH Blut sekundäres lymphatisches Organ Emigration FTY720 (2-amino-2-(2-[4-octylphenyl]ethyl)-1,3-propanediol) • synthetische Nachbildung des natürlichen Wirkstoffs Myriocin • aus dem Pilz Isaria sinclairii gewonnen • bereits in der traditionellen chinesischen Medizin verwendet • derzeit in mehreren Phase III-Studie als MS-Therapeutikum (Fingolimod, Novartis) FTY720 – ein vielversprechendes neues Immunsuppressivum OH NH2 Immigration OH Sphingosin OH NH2 OH Blut sekundäres lymphatisches Organ FTY720 (2-amino-2-(2-[4-octylphenyl]ethyl)-1,3-propanediol) FTY720 Emigration FTY720 (Fingolimod) als MS-Therapeutikum Das MS-Studienprogramm der Universität von Toronto – FTY720 (Fingolimod) Immigration Blut sekundäres lymphatisches Organ Emigration FTY720 FTY720 (Fingolimod) Phase II-Studie • bindet Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptor-1 mit agonistischer Wirkung • führt zur Internalisierung der Rezeptoren („funktioneller Antagonist“) • blockiert die Auswanderung von Lymphozyten aus lymphatischen Organen (Lymphozytenzahl im Blut ↓) • wahrscheinlich zusätzlich immunmodulatorischer Effekt im ZNS
