VL 1 - Institut für Medizinische Immunologie
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Institut für Medizinische Immunologie Direktor: Prof. Hans-Dieter Volk 450-524062 (Sekretariat) Vorlesung: Dr. rer. nat. Gerald Grütz [email protected] Prof. Birgit Sawitzki [email protected] Vorlesungsplan/Folien: http://immunologie.charite.de/lehre/biologie/ OS-Themen+paper: http://immunologie.charite.de/lehre/biologie Prüfungsschwerpunkte: ca. 10´ Einsprechthema freier Wahl Liste per e-mail oder auf homepage Oberseminare 3 Seminare von uns gestaltet (- bei Variante 2 vor Xmas): a) Flowzytometrie b) Tiermodelle c) Gemeinsames paper Restliche Seminare: Vorstellung von Originalpapern durch Studenten thematisch an Vorlesung Variante 1 Variante 2 jeden Freitag gebündelt am Ende Freitag nachmittag +Samstag (Vorschlag: am Ende des Fachkurses 30.1. +31.1. 2015) Literatur und Quellennachweis Bröcker: Grundwissen Immunologie Holländer: Immunologie Grundlagen f. Klinik&Praxis Abbas: cell. and mol. Immunology Janeway´s Immunobiology (auch in Deutsch) + gute Zusammenfassung: What is Immunology? ( Blackboard) Quellennachweis: Abbas, cell.&mol.immunology; Janesway´s immunobiology; www.eesom.de, www.amazon.de Kalat, Biological Psychology; www.nndb.com; www.bme.virginia.edu/ley/; www.wikipedia.de; http://3.bp.blogspot.com Immunology Principles of the Immune System Evolutionary very old Multicellular organism needs to keep „identity“ example sponges: Principles of the Immune System necessity of recognition of and discrimination between SELF and FOREIGN Evolution of effector functions for maintaining SELF and destruction of FOREIGN Unterscheidung zwischen FREMD und SELBST KOMMENSALE und PATHOGENE commensalis – Tischgenosse Principles of the Immune System failure of recognition of and discrimination between SELF and FOREIGN: 1) Loss of identity (absorbtion, death) 2) Horror autotoxicus (autoimmunity) 3) „Collateral“ damage wer beschäftigt sich mit Immunologie und immunol. Methoden Immunologie klinische Immunologie zentrale Frage: Unterscheidung Selbst-Fremd Toleranz ← Immunität Überempfindlichkeit, Allergie Autoimmunerkrankungen Immundefizienz Transplantationsmedizin Pharmakologie Impfung Immunsuppressiva Verhinderung der Abstoßung von Transplantaten therapeutische Antikörper Immunchemie Anwendungen von Antikörpern Diagnostik wichtige Arbeitstechniken und Methoden für Biotechnologen (Auswahl) ELISA, Western blot, FACS, MACS, Hybridoma-Technologie, Phagendisplay-Technik und Herstellung rekombinanter Antikörper Immunology Latin: Immunis, immunitas = exempt (befreit) of duties/taxes Protection/surveillance of HOST against: 1) Infectiones (Pathogenes) 1st mentioning of immunity: 430 BCE in Athens by Thucydides !! survivors of a plague could nurse sick without getting a second time the disease Vaccination 1. Impfung: Variolation - 100 BC (!) in China (Variola = Blattern/Pocken) abgeschwächte Erreger von Patienten, die Krankheit überstanden hatten im 15th century in China, India, Turkey genutzt nach England um 1722 durch Frau des Britischen Botschafters in Konstantinopel Ersetzt durch sicherere Vakzinierung durch Edward Jenner (1796) Impfung“ mit Kuhpocken verhinderte Erkrankung an humanen Pocken (lat. vaccinae = von der Kuh stammend) Eigentlich die ersten Vakzinierungen: Benjamin Jesty 1774 (Familie) Peter Plett 1791 (3 Kinder in Deutschland) Grundlagen der angeborenen und erworbenen Immunität, Institut für Medizinische Immunologie Beispiel: Erfolg der Polio-Impfung Fälle pro 100.000 Einwohner Warum hatte Herr Jenner damit Erfolg? Grundlagen der angeborenen und erworbenen Immunität, Institut für Medizinische Immunologie Beispiel: Masernimpfung SSPE Fälle in den USA Fälle pro 100.000 Einwohner Warum hatte Herr Jenner damit Erfolg? ausgewählte Meilensteine in der Geschichte der Immunologie Thukydides, 430 v. Chr.: Infizierte, die die „attische Seuche“ überlebt hatten, waren immun gegen eine zweite Infektion Variolation - 100 BC (!) in China (Variola = Blattern/Pocken) Jenner, 1798: Impfung mit Kuhpocken (Vaccinia)-Virus schützt vor Pocken (lat. vaccinae = von der Kuh stammend) Benjamin Jesty 1774 (Familie); Peter Plett 1791 (3 Kinder in Deutschland) Pasteur, 1880er: Impfung mit abgeschwächten Erregern gegen Cholera bei Hühnern; Tollwut von Behring, 1891: Serum aus mit dem Diphtherie-Toxin immunisierten Tieren ermöglichen Heilung der Diphtherie-Erkrankung Metchnikoff, 1883: Makrophagen fressen Mikroorganismen (an Seeanemonen) Ehrlich 1897: Antikörper binden spezifisch an die Antigene (z. B. Toxine) ausgewählte Meilensteine in der Geschichte der Immunologie Landsteiner, 1930, Blutgruppenantigene; (Heidelberger, Kabat, 1930er: Immunpräzitiation) Snell, Dausset, Benacerraf, 1980 / Doherty, Zinkernagel, 1996: MHC-Komplex, MHC-Restriktion MacFarlane Burnet, 1950, klonale Selektionstheorie, Tonegawa, 1987: Antikörperdiversität durch gene rearrangement Köhler, Milstein, 1984: Monoklonale Antikörper Beutler (1998), Hoffmann(1996): TLRs Steinman (1973): DCs Who is recognized as Aliens? Pathogenes Bacterias fungis Gram + Candida Gram – aspergillus Extracellular (z.B. Staphylococcus) Intracellular (e.g. Mycobacterias) Gut flora? Viruses Parasites dsRNA ssRNA dsDNA ssDNA Protoazoas helminth Milben Immunology Latin: Immunis, immunitas = free of duties/taxes Protection/surveillance of HOST against: 1) Infectiones (Pathogenes) 2) Toxines (biological + chemical) 3) altered SELF: tumours 4) removal of death SELF cells (e.g. after apoptosis) 5) Transplantes 6) fetus (=transplant, parasite) Generation of DIVERSITY Parts of the Immune System Teile des Immunsystems Thukydides, 430 v. Chr.: Infizierte, die die „attische Seuche“ überlebt hatten, waren immun gegen eine zweite Infektion Erworbene/adaptive (lernfähige) Immunität mit GEDÄCHTNIS Angeborene (innate) Immunität Variolation - 100 BC (!) in China (Variola = Blattern/Pocken) Jenner, 1798: Impfung mit Kuhpocken (Vaccinia)-Virus schützt vor Pocken Das Immunsystem höherer Organismen Angeboren („innate“) Erworben („adaptive“) • in allen Pflanzen und Tieren • nur in Vertebraten, erstmalig bei Haien • kurze Reaktionszeit (Stunden) • lange Reaktionszeit (primär: Tage) kurze Reaktionszeit nach Ausbildung eines Gedächtnis • eingeschränkte Erregerspezifität (aber Unterscheidung zwischen Erregertypen) • hohe Erregerspezifität • geringes Erkennungsmusterrepertoire • hohes Erkennungsmusterrepertoire • kein immunologisches Gedächtnis • immunologisches Gedächtnis Teile des Immunsystems Thukydides, 430 v. Chr.: Infizierte, die die „attische Seuche“ überlebt hatten, waren immun gegen eine zweite Infektion Erworbene/adaptive (lernfähige) Immunität mit GEDÄCHTNIS Angeborene (innate) Immunität Metchnikoff, 1883: Makrophagen fressen Mikroorganismen Zelluläres Immunsystem Ehrlich 1897: Antikörper binden spezifisch an die Antigene Humorales Immunsystem (lösliche nicht zelluläre Komponenten) Teile des Immunsystems Thukydides, 430 v. Chr.: Infizierte, die die „attische Seuche“ überlebt hatten, waren immun gegen eine zweite Infektion Erworbene/adaptive (lernfähige) Immunität mit GEDÄCHTNIS Angeborene (innate) Immunität Metchnikoff, 1883: Makrophagen fressen Mikroorganismen Zelluläres Immunsystem Ehrlich 1897: Antikörper binden spezifisch an die Antigene Humorales Immunsystem (lösliche nicht zelluläre Komponenten) Teile des Immunsystems: humorale Komponenten innate adaptive Teile des Immunsystems: humorale Komponenten (Bestandteil des Blutplasmas) innate adaptive Komplementsystem Antikörper Bordet, 1890, Komplementvermittelte Bakteriolyse : hitzelabile Komponente im Serum (> 30 Proteine) verstärkt (komplementiert) die Wirkung von Antikörpern. sIgA-dimer Zytokine (lösliche Regulatoren des Immunsystems) Teile des Immunsystems Thukydides, 430 v. Chr.: Infizierte, die die „attische Seuche“ überlebt hatten, waren immun gegen eine zweite Infektion Erworbene/adaptive (lernfähige) Immunität mit GEDÄCHTNIS Angeborene (innate) Immunität Metchnikoff, 1883: Makrophagen fressen Mikroorganismen Zelluläres Immunsystem Ehrlich 1897: Antikörper binden spezifisch an die Antigene Humorales Immunsystem (lösliche nicht zelluläre Komponenten) Teile des Immunsystems: zelluläre Komponenten innate adaptive Teile des Immunsystems: zelluläre Komponenten (Leukozyten) Phagozyten Granulozyten T lymphoyctes (T cells) Neutrophile Eosinophile Basophile T helfer Zellen (TH, CD4+) zytotoxische T Zellen (Tc, CD8+) Monozyten Makrophagen (MФ) Dendritische Zellen (DCs) B lymphocytes (B cells) Antigen präsentierende Zellen (APCs) Mastzellen Innate lymphoid cells (ILCs) Natural Killer Cells (NK cells) Lymphozyten adaptive innate Generation of the Cellular Immune System Haematopoiesis totipotent ESC Adult stem cell Self renewal Hämatopoiese Bildung der Leukozyten, Erythrozyten und Blutplättchen aus lymphatischen und myeloiden Vorläuferzellen aus dem Knochenmark modifiziert Leukozyten Lymphozyten Phagozyten „konventionelle“ DC Dendritic cells Mast cells Phagozyten Leukozyten Lymphozyten CD34+ Blut/Gewebe Knochenmark Generation of the Cellular Immune System Haematopoiesis Background Allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT) • Treatment of – hematopoietic/ non-hematopoietic tumors – congenital disorders (e.g. immune deficiencies) • Conditioning – myeloablative high dosis chemotherapy (e.g. cyclophosphamide) 12 Gy TBI – RIC (older patients) e.g. Fludara/Treo 2-8 Gy irradiation • GvHD prophylaxis – immune suppressiva (e.g. Cyclosporine, Methotrexat) – ATG Self renewal versus differentation Non-symmetric cell division differentiation NO differentiation Oberflächemarker: Lin- (keine lineage spezifischen Marker) Sca1+; Thy1.1lo, c-kit+; CD34-/lo Extracellular factors driving Haematopoiesis Extracellular factors driving Haematopoiesis Growth factors: proliferation, self renewal Differentiation factors: activation of differentiation Examples: ....-CSF M-CSF: GM-CSF: EPO IL-3 IL-7 colony stimulating factor macrophage-CSF granulocyte-macrophage-CSF erythropoietin Interleukin-3 Interleukin-7 Cell needs to express the respective receptor!! Transcription factors controlling Haematopoiesis multipotent HSC GATA-1 totipotent ESC Tal-1 Lmo2 NF-E2 PU-1 GATA-2 Ikaros c-fos E2A, Pax5 Transcription factors controls expression of receptor for growth factor CLP lymphoid Downregulation of GM-CSF Receptor HSC Loss of self renewal Early Progenitor GM-CSF TF-1 CMP myeloid Transcription factors controls expression of receptor for growth factor But who controls the controller??? Stochastic model of transcription factor regulation Tissue distribution of haematopoiesis Lymphe und Lymphbahnen • Lymphe: wasserklare Flüssigkeit; nur viszeral durch Chylomikronen milchig getrübt; bis 2 L/d werden in die Blutbahn eingespeist • Gefäße und Leitungen, welche Flüssigkeit der Gewebe aufnehmen und zurück zur Blutbahn bringen (überwiegend linke Schlüsselbeinvene) Blood smear 95 % O,14% 4,7% Phagocytes Polymorphkernige Granulozyten 60-70% Entsprechend der Färbbarkeit der Granula Neutrophile Eosinophile >90% 2-5% Bakterien/Pilze Phagozytose Parasiten Basophile Monozyten 10% Differenziert Zu MΦ oder DC 0,1-1% Allergien Degranulation Bakterien/Pilze Phagozytose Antigenpräsentation Lymphocytes innate NK cells 10% CD16, CD56 adaptive 60% Percentage of PBMCs CD3 CD4 T helper=TH Cell killing B cells T cells Immune regulation Bone marrow plasma cells 2-5% CD19 CD8 T cytotoxic=Tc Cell killing Antibody maturation Antibody secretion Angeborenes Immunsystem: Phagozyten Neutrophile Granulozyten: • Phagozytose • Mehrlappiger Kern, feine zytopl. Granula • antibakterielle Abwehr • Auswurf von “NETs” (Neutrophil Extracellular Traps) Eosinophile Granulozyten: • Phagozytose • Parasitenabwehr • toxische Enzyme in den Granula Angeborenes Immunsystem: Phagozyten „mit erweitertem Aufgabenbereich“ Dendritische Zellen: • Phagozytose • Erkennen von Erregermustern • Präsentation von Erregerbestandteilen Makrophage (Gewebe)/Monozyt (Blut): • Phagozytose • Erkennen von Erregermustern • Präsentation von Erregerbestandteilen Angeborenes Immunsystem: Mast- und NK-Zellen Mastzellen: • Histamin/Heparin in zytopl. Granula • Allergie • Parasitenabwehr Natürliche Killerzellen (NK-Zellen): • Erkennen und Abtöten von infizierten / gestressten Zellen durch tox. Enzyme • Einleiten von adaptiven Immunantworten Neutrophile (<90%) polymorphkernige Granulozyten (50-70%) Eosinophile (2-5%) Basophile (<1%) angeboren Makrophagen Leukozyten Monozyten (2-8%) (4000-10000/µl) im Gewebe Dendritische Zellen PBMCs NK-Zellen (10%) Lymphozyten (ca 20-45%) T-Zellen (60%) B-Zellen (2-5%) erworben Anzahl der Zellen im Blut kann Indikator für polymorphkernige bestimmte Infektionen sein Granulozyten (50-70%) Neutrophile (<90%) Eosinophile (2-5%) Basophile (<1%) angeboren Makrophagen Leukozyten Monozyten (2-8%) (4000-10000/µl) im Gewebe Dendritische Zellen PBMCs NK-Zellen (10%) Lymphozyten (ca 20-45%) T-Zellen (60%) B-Zellen (2-5%) erworben Das Immunsystem höherer Organismen Angeboren („innate“) Erworben („adaptive“) • in allen Pflanzen und Tieren • nur in Vertebraten, erstmalig bei Haien • kurze Reaktionszeit (Stunden) • lange Reaktionszeit (primär: Tage) kurze Reaktionszeit nach Ausbildung eines Gedächtnis • keine Erregerspezifität (aber Unterscheidung zwischen Erregertypen) • hohe Erregerspezifität • geringes Erkennungsmusterrepertoire • hohes Erkennungsmusterrepertoire • kein immunologisches Gedächtnis • immunologisches Gedächtnis
