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Immunpathologie und Ernährung 1. Ernährung und Immunfunktion 2 Entzündung und Stoffwechsel 2. • Mechanismen der Entzündung • Überernährung und Entzündung • Mangelernährung und Entzündung • Postaggressionsstoffwechsel und Immundefizienz 3. Darm und Entzündung • D Darm-assoziiertes ii t IImmunsystem: t IImmunität ität und d Toleranz T l • Gastrointestinale Infektionen • Ch Chronisch i h entzündliche t ü dli h Darmerkrankungen D k k • Glutensensitive Enteropathie • L b Lebensmittelallergie itt l ll i The „Inner Tube of Life“ Immunorgan zur Regulation von Immunität und Toleranz 1. 1 2. 3. 4 4. 5. Anatomie des Darm-assoziierten Immunsystems Darmepithelzellen als Barriere mit Immunfunktion Lymphozyten im Darm und Antigenpräsentation Mik b Wi t Interaktion Mikroben-Wirts I t kti Mechanismen der Toleranz Darm als Grenzfläche zwischen Umwelt und Wirt Microbes and food Mucin Intestinal epithelium Gut-associated immune System (GALT) Enteric nervous system ( (ENS) ) Mesenteric and visceral fat Anatomie der Immunabwehr im Darm Muzin sIgA M Zellen DC MØ Epithel Peyer’sche Plaques Immunbotenstoffe T-Zellen T-Zellen B-Zellfollikel B-Zellen Crypt Lymphe Zirkulation im Bl t Blut Mesenteriallymphknoten Das Darm-assoziierte Immunsystem = GALT E Effektorstellen k ll Peyer‘sche Plaque, B-Zell Follikel Lamina Propria p Lymphozyten, y p y , IEL Induktive Stellen Anatomie der Immunabwehr im Darm Effektormechanismen oder Toleranz Induktion I d kti d der Immunantwort Darmepithel und Immunzellen der Lamina Propria p Payer’sche Plaques und Mesenteriallympknoten y p Darm-assoziiertes Immunsystem 1. Differenzierung 2. Proliferation 3 Verteilung “Homing” 3. Homing Anatomie der Immunabwehr A Anatom mie de es Imm munsys stems Mukosa-assoziiertes lymphatisches Gewebe Verbindung der mukosalen Oberflächen über das lymphatische System und die systemische Zirkulation The „Inner Tube of Life“ Immunorgan zur Regulation von Immunität und Toleranz 1. 1 2. 3. 4 4. 5. Anatomie des Darm-assoziierten Immunsystems Darmepithelzellen als Barriere mit Immunfunktion Lymphozyten im Darm und Antigenpräsentation Mik b Wi t Interaktion Mikroben-Wirts I t kti Mechanismen der Toleranz Das Darmrohr und seine Oberflächen Darmrohr 0,33 m2 (x1) Kerkring‘sche Falten 1m2 (x3) Darmzotten (Villus) 10m2 (x30) Das Darmrohr und seine Oberflächen Mikrovillusstruktur aufDarmepithelzellen 200m2 (x600) Das Darmrohr und seine Oberfächen Verbindungspunkte (Junction) der Darmepithelzellen Biologie des Darmepithels Darmepithelzellen p 1 Absorption von Nährstoffen 1. 2 Barrierefunktion 2. 3 IImmunfunktion 3. f ki Darmepithelzellen Mukusschicht unstirred water layer Hydrolasen nFcR TLR Transporter MHC CD1d I B IκBα NF κB NF-κB Signaltransduktion Energie pIgR p g nFcR nFc Basalmembran Fibroblasten Absorption Lösliche Mediatoren zellulärer Kommunikation Charakteristika von Epithelzellen 1. Cohasive interaction between cells, alleviating the formation of cell layers 2 Existence of three membrane domains: apical 2. apical, lateral lateral, basal 3. Tight junctions between apical and lateral domain 4. Apicobasal polarized allocation of the various organelles, transporters and cytoskeleton components 5. Lack of motility and a cablestone-like morphology Zelltypen der Darmepithelschicht 1. Enterozyten (~80%) 2. Becherzellen 3. Panethzellen 4. Follikelassoziiertes Epithel (M-Zellen) 5. Enteroendokrine Zellen Heterogene Einzelzellschicht des Darmepithels Tsukita et al. 2001 Nature Cosnier et al. 2006 Nature Stammzellen in der Epithelkrypte Parker et al. Nature 2007 Lgr5 Genexpression als Stammzellmarker Lgr5 (Leucine rich repeat containing (Leucine-rich-repeat-containing G-protein-coupled receptor 5) ist ein Orphan G-Protein gekoppelter g pp Rezeptor p P: Paneth Cells CBC: Crypt Base Columnar Cells Immunfunktion von Darmepithelzellen 1 A 1. Antigenpräsentation ti ä t ti MHC Klasse I und II Moleküle MHC-verwandte MHC verwandte Moleküle (z (z.B. B CD1d) 2. Immunglobulintransport neonatale Fc Rezeptor für IgG (FcRn) Polymere IgR (IgA-Transport) 3. Immunaktivierung K ti l t i h M Kostimulatorische Moleküle l kül Zytokine und Zytokinrezeptoren Toll-like Toll like Rezeptoren 4. Abwehrmechanismen Antimikrobielle Substanzen Darmepithelzellen im Kontakt mit der Basalmembran Kontaktstellen der Darmepithelzellen Apical Adherence Adh Junctions Tight Junctions Desmosomes Lateral Gap Junctions Basal Hemidesmosomes Gleichgewicht zwischen Proliferation und Differenzierung Proliferation Restitution Differenzierung Signalgeber in der Proliferation und Differenzierung Signaltransduktion über E-Cadherin und β-Catenin The „Inner Tube of Life“ Immunorgan zur Regulation von Immunität und Toleranz 1. 1 2. 3. 4 4. 5. Anatomie des Darm-assoziierten Immunsystems Darmepithelzellen als Barriere mit Immunfunktion Lymphozyten im Darm und Antigenpräsentation Mik b Wi t Interaktion Mikroben-Wirts I t kti Mechanismen der Toleranz Antigenaufnahme und Prozessierung im Darm Spezialisierte Lymphozyten im Darm Intraepitheliale Lymphozyten (IEL) IEL Epithel Basalmembran L i P Lamina Propria i Lamina Propria Lymphozyten (LPL) LPL Spezialisierte Lymphozyten im Darm IEL LPL IEL ist eine spezialisierte Lymphozytenpopulation. bestehend aus αβ und γδ CD3+ T-Zellen (CD45 RO+, αEβ7+). Sie haben zum Ziel das Darmepithel zu überwachen. IEL produzieren Zytokine und haben zytotoxische y Funktion ((CTL). ) IEL-Epithelzell p Verhältnis 1:6. CD4+ < CD8+ (1:10). LPL sind hoch aktivierte Lymphozyten. Die Aktivierung erfolgt weniger über TCR/CD3, sondern über kostimulatorische Signale der CD2-CD58/CD28-CD80 Rezeptoren. Die geringe proliferative Aktivität der LPL Population wird über Redox-Gleichgewichte (C t i /C ti ) und (Cysteine/Cystin) d trophische t hi h f kt faktoren wie i T Tryptophan t h (IDO=Indolamin-2,3-dioxygenase) gesteuert. Fördern die terminale Differenzierung mukosaler B-Zellen zu sIgA+ Plasmazellen. Immunabwehr im Darm - Lymphozyten Anatomie des Immunsystems Oberflächenmarker PBL (%) LPL (%) IEL (%) CD4+ 65 65 20 CD8+ 35 35 80 αβ TCR 95 95 50 γδ TCR 3 3 50 Integrin αEβ7+ 0 30-40 30 40 90 <5 15-30 15-30 IL-2R (α-chain) CD25+ CD45RO+ 30 50 30-50 65 95 65-95 85 CD45RA+ 60-90 10-22 15-20 polyklonal oligoklonal oligoklonal TCR Migration von Lymphozyten in den Darm Infiltration naiver Lymphozyten in PP des GALT 1. Hochendotheliale Venolen (HEV) in der parafollikolären Region der PP e primieren MAdCAM-1 exprimieren MAdCAM 1 (m (mucosal cosal addressin cell adhesion molecule molec le 1) 2. Modifizierte MAdCAM-1 Strukturen besitzen in der „Mucin-like Domain“ LSelektin-bindende O-linked Zuckerstrukturen (CHO) und bindet an L-Selektin 3 L-Selektin 3. L Selektin ist stark exprimiert auf naiven Lymphozyten 4. α4β7 Integrin (Darmaddressierung) interagiert mit MAdCAM-1 allerdings weniger stark exprimiert in naiven Lymphozyten 5 Interaktion zwischen ICAM-1/2 (Intercellular adhesion molecule 1) auf HEV mit 5. LFA-1 (Leucocyte function-associated molecule 1) Migration von Lymphozyten in den Darm Homing von Effektorlymphozyten in die Lamina propria 1. Flache Lamina propria Venolen (LPV) im diffusen GALT exprimieren MAdCAM1 (mucosal addressin cell adhesion molecule 1) interagieren mit stark exprimiertem p α4β7 β Integrin g ((Darmaddressierung) g) 2. L-Sektin unabhängige Interaktion zwischen Effektorzellen und LPV 3. Interaktion zwischen ICAM-1/2 (Intercellular adhesion molecule 1) auf LPV mit LFA-1 (Leucocyte function-associated molecule 1) Mukosa-assoziiertes lymphatisches Gewebe Produktion von IgA im Darm Immunabwehr im Darm - Lymphozyten Humorale Zusammensetzung des Immunsystems im Darm Schleimhäute • Gastrointestialtrakt • Respiratorischer Trakt • Urogenitaltrakt • Sekundäre Drüsen 13% IgM Lymphorgane • Knochenmark • Lymphknoten • Milz 6% IgG 1% IgD 1% IgD 30% IgA g 52% IgG 80% IgA 17% IgM > 6 x 1010 Zellen ~ 2,5 x 1010 Zellen B2 cells Peyer’s Patches ((PP)) Mesenteric Lymph Nodes (MLN) B1 cells hi h/IgD l low IgMhigh / l /IgDhigh hi h IgMlow CD5- and Mac1- CD5+ and Mac1+ Bone marrow-derived Peritoneal/pleural cavities Th-dependent Th independent Th-independent Antigen-specific IgA responses Multireactivity with bacterial and autoantigens IgM and IgA cells express germ germ-line line encoded V-genes sIgA Lamina Propria No affinity maturation Natural IgA producing B-cells Not found in PP and peripheral lymph nodes Transepithelialer Transport von sekretorischem IgA Funktion von sekretorisches IgA im Darm Lamina propria Epithel Lumen 1 2 3 4 B Zell Differenzierung und IgA Produktion Mikroorganismen induzieren sekretorisches IgA im Darm Macpherson et al. 2000 Science IgA und Toleranzinduktion – Round trip Cothésy 2007 J. Immunol. The „Inner Tube of Life“ Immunorgan zur Regulation von Immunität und Toleranz 1. 1 2. 3. 4 4. 5. Anatomie des Darm-assoziierten Immunsystems Darmepithelzellen als Barriere mit Immunfunktion Lymphozyten im Darm und Antigenpräsentation Mik b Wi t Interaktion Mikroben-Wirts I t kti Mechanismen der Toleranz Antigenaufnahme und Prozessierung im Darm Antigenaufnahme und Prozessierung im Darm a. Dendritenzellroute b. M-Zellroute c. Epithelzellroute Antigenpräsentation durch dendritische Zellen (DC) im Darm Antigenpräsentation über dendritische Zellen Antigenpräsentation im Darm a. Dendritenzellroute b.M-Zellroute c. Epithelzellroute Antigenpräsentation über Peyer`sche Plaques Antigenpräsentation über Peyer`sche Plaques Antigenpräsentation über Peyer`sche Plaques CD20 B-Zellmarker CD3 T-Zellmarker Follikel-assoziiertes Epithel und M-Zellen Antigenaufnahme aus dem Darmlumen M Zellen M-Zellen Follikel-assoziiertes Epithel und M-Zellen Follikel-assoziiertes Epithel (FAE) überzieht Lymphfollikel im Darm und hat spezialisierte i li i t M (microfold)-Zellen, ( i f ld) Z ll di die Antigene aus dem Darm aufnehmen und subepithelialen Lymphozten präsentieren. FAE hat spezifische Glycocalyx ohne y , kaum membran-assoziierte Hydrolasen, Mukus- oder Defensin/Lysozym- produzierende Zellen, exprimiert kein Laminin 2 und kein pIgR und hat keine Laminin-2 subepithelialen Myofibroblasten. Follikel-assoziierte Crypten und Funktion der Domregion Anatomie Struktur des Immunsystems SED: subepitheliale Domregion IFR: interfollikulare Region Fakten zur Funktion der M-Zelle 1. M-Zellen sind polarisiert, bilden tight junctions aus und formen ausgeprägte apikale und basolaterale Membranstrukturen 2. Charakteristisch für M-Zellen sind intraepitheliale Taschen (M-cell pockets), die Bindungsstellen für Lymphocyten enthalten 3. Aufnahme (Transzytose) von Antigenen (Mikroorganismen, Nahrungs-bestandteile, Partikel) durch: Clathrin-vermittelte Liganden-induzierte Endozytose Flüssig-Phase Pinozytose Aktin-abhängige Phagozytose 4. Subepitheliale Domregion (SED) enthält Antigen-präsentierende Zellen u.a. Dendritische Zellen (DC) 5. M-Zelldifferenzierung erfordert Lymphozyten, da SCID Mäuse (severe-combined immuno-deficient) keine Lymphfollikel, Lymphfollikel FAE und M-Zellen ausbilden 6. Antigenaufnahme durch M-Zellen und Prozessierung in Lymphfollikel vermittelt überwiegend systemische Toleranz (Oral tolerance = specific immunological unresponsiveness) gegenüber luminalen Mikroorganismen und Nahrungsbestandteilen, nicht aber Enteropathogenen Villus-assoziierte M-Zellen M Zellen Rot (TRITC-UEA) ( ) Ulex europaeus agglutinin Enterozyten Grün (FITC-WGA) Wheat germ agglutinin Becherzellen UEA + WGA Jang et al. 2004 PNAS Villus-assoziierte M-Zellen in Abwesenheit von PP PP null Mäuse LTα-/M Zellen Rot (TRITC-UEA) ( ) Ulex europaeus agglutinin Enterozyten Grün (FITC-WGA) Wheat germ agglutinin Becherzellen UEA + WGA TNF/LTα-/- Inhibition of Differentiation 2 (Id2-/-) Antigenpräsentation im Darm a. Dendritenzellroute b. M-Zellroute c. Epithelzellroute Lymphozyteninteraktion mit Darmepithelzellen CD8+ IEL MHC II CD1d γδ TCR MICA / MICB MHC II β 2m CD58 CD8+ IEL MHC I β 2m CD58 8 gp180 MHC C II CD1d αβ TCR MHC II CD8+ IEL αβ TCR CD2 αβ TCR CD4+ LPL αβ TCR CD2 αβ TCR CD28 CD4+ IEL CD4+ LPL Darmepithelzellen sezernieren Exosomen mit MHC Molekülen Darmepithelzellen sezernieren Exosomen mit MHC Molekülen The „Inner Tube of Life“ Immunorgan zur Regulation von Immunität und Toleranz 1. 1 2. 3. 4 4. 5. Anatomie des Darm-assoziierten Immunsystems Darmepithelzellen als Barriere mit Immunfunktion Lymphozyten im Darm und Antigenpräsentation Mik b Wi t Interaktion Mikroben-Wirts I t kti Mechanismen der Toleranz Induktion spezifischer Immunität oder oraler Toleranz Immunität Toleranz Orale Toleranz Tag 21 Tag 1 Antigen Antigen Immunität A Antigen Antigen Toleranz B T Zell Transfer C Tag 24 Antigen Toleranz Welche Zellen und Faktoren vermitteln orale Toleranz Orale Toleranz beschreibt die systemische Reaktionslosigkeit des Immunsystems y auf ein Antigen g nach vorangegangener g g g oraler Gabe 1. CD4+ Zellen • TH3 Zellen → Suppression durch die Sekretion von TGF-β • TR1 Zellen → Suppression durch die Sekretion von IL-10 • CD4+CD25+ Zellen → Suppression durch TGF TGF-β β gebunden auf der Zelloberfläche (Zell-Zell-Kontakt) 2 CD8+ Zellen 2. 3. Natürliche Killer T Zellen (NKT) Regulation oraler Toleranz 1. Dosis des Antigens • High-dose resultiert in Lymphocyten Anergy/Deletion • Low-dose resultiert in der Aktivierung regulatorischer T Zellen 2. Form des Antigens • Lösliche Antigene sind tolerogener als partikuläre Antigene 3. Genetik des Wirts 4. Darmmikrobiota des Wirts 5. Alter des Wirts • Neugeborene haben eine stärker immunogene Antwort Signale zur Toleranzinduktion in T-Zellen Regulation oraler Toleranzn im Darm Enteropathogene Commensale l Bakterien Nahrungsantigen Innate Immunantwort Naïve TH CD8 CTL Tbet TH1 foxp3 IFN-γ TNF IFN-γ TNF IL-10 TGF-β TReg Adaptive Immunantwort GATA3 TH2 TH3 IL-4 IL-5 TGF-β IgA/G B IgA-J B Immunpathologie und Ernährung 1. Ernährung und Immunfunktion 2 Entzündung und Stoffwechsel 2. • Mechanismen der Entzündung • Überernährung und Entzündung • Mangelernährung und Entzündung • Postaggressionsstoffwechsel und Immundefizienz 3. Darm und Entzündung • D Darm-assoziiertes ii t IImmunsystem: t IImmunität ität und d Toleranz T l a. Vitamin A und T-Zelldifferenzierung • G t i t ti l Infektionen Gastrointestinale I f kti • Chronisch entzündliche Darmerkrankungen • Gl t Glutensensitive iti Enteropathie E t thi • Lebensmittelallergie Struktur von Vitamin A und seiner Derivate Aufnahme und Metabolisierung von Vitamin A Sekretion von Retinol in das Lymphsystem und Portalvene • Retinol bindet in Enterozyten an CRBP-II CRBP II • Retinylester y werden in Chylomikronen eingebaut Aufnahme und Metabolisierung von Vitamin A Retinol wird zu all-trans Retinsäure oxidiert • ADH = alcohol dehydrogenase • SDR = short chain dehydrogenase /reductase • RALDH = retinal dehydrogenase Retinsäure (all-trans) und regulatorische T Zellen Retinsäure (all-trans) und regulatorische T Zellen Retinsäure induziert α4β7 Integrin und Homing in den Darm RA-treated T cells (green) home poorly to PLN, but home efficiently to MLN and PP. PP Retinsäure induziert α4β7 Integrin und Homing in den Darm Retinsäure induziert IgA Produktion durch B-Zellen • • • RA programs DCs to imprint mucosal homing properties on activated B cells GALT-DC activity leads to an increase of α4β7 β and CCR9 GALT-DC induce IgA secretion in B cells Immunpathologie und Ernährung 1. Ernährung und Immunfunktion 2 Entzündung und Stoffwechsel 2. • Mechanismen der Entzündung • Überernährung und Entzündung • Mangelernährung und Entzündung • Postaggressionsstoffwechsel und Immundefizienz 3. Darm und Entzündung • D Darm-assoziiertes ii t IImmunsystem: t IImmunität ität und d Toleranz T l b. Aminosäuren und Immunfunktion • G t i t ti l Infektionen Gastrointestinale I f kti • Chronisch entzündliche Darmerkrankungen • Gl t Glutensensitive iti Enteropathie E t thi • Lebensmittelallergie Arginin und Immunfunktion Arginin Arg ist eine nicht-essentielle Aminosäure. Arg ist beteiligt an der Protein-, Harnstoff- und Nukleotidbiosynthese, ATP Gewinnung und NO Freisetzung. Freisetzung NO ist ein Mediator der Immunantwort und wirkt zytotoxisch auf Tumorzellen und Mikroorganismen. Arg als Vorläufer für Polyaminsynthese, die eine Bedeutung für DNA Replikation h b haben. Arg stimuliert die Thymusfunktion, verbessert die Lymphozytenproliferation, Wundheilung, NK Zellaktivität, Makrophagen Zytotoxicität, DTH Antwort. Arg verringert die Mortalität bei Sepsis p und erhöht die Resistenz g gegen g Infektionen. Arg in einer Konzentration von 40 g/Tag (Normal ~ 4g/Tag) erhöht Mitogen vermittelte Lymphozytenproliferation. Lymphozytenproliferation Metabolismus von Arginin Gly Creatine Arginin als Substrat für NOS und ARG Bronte and Zanovello 2005 Nature Rev. Immunol. Arginin als Substrat für NOS und ARG NO Harnstoff Arginin als Substrat für NOS und ARG NOHA = N-hydroxy-L-Arginin; CAT2B = Kationischer Aminosäuretransporter; MBP = Major Basische Protein Arginin als Immunmodulator Myeloide Suppressorzellen reduzieren freies L-Arg und produzieren Harnstoff Hemmung der translatorischen Aktivität der T Zellen Arginin als Immunmodulator Zea et al. 2004 Cell. Immunol. L-Arg reguliert die Expression der CD3 Zetta-Kette des T-Zellrezeptors Arginin als Immunmodulator Myeloide Suppressorzellen produzieren NO Hemmung der IL-2 Produktion der T Zellen Arginin und Immunfunktion Bronte and Zanovello 2005 Nat. Immunol. Tryptophanstoffwechsel und Immunfunktion Mellor and Munn 2004 Nat. Rev. Immunol. Tryptophanstoffwechsel und Immunfunktion I d l i 2 3 di Indolamin-2,3-dioxygenase als l Schalter S h lt zwischen i h Toleranz T l und d Immunität I ität Mellor and Munn 2004 Nat. Rev. Immunol. Effekte der IDO im Immunsystem Mellor and Munn 2004 Nat. Rev. Immunol. Tryptophan als Substrat der Immunantwort IDO; Indolamin-2,3-Dioxygenase IFN-γ Tryptophankatabolismus Hemmung von • Pathogenen • Tumore • Effektor T-Zellen IDO als Regulator T-Zell-vermittelter Toleranz T cells DC Fallarino et al. 2003 Nature Immunol. IDO als Regulator T-Zell-vermittelter Toleranz Wechselwirkung zwischen T Zellen und DC induziert Tryptophankatabolismus Fallarino et al. 2003 Nature Immunol.
