Das Immunsystem

Das Immunsystem
Vorlesung
System-Biophysik
21. Jan. 2008
• Grundlagen
nativ/adaptiv; humoral/zellulär
• Klonale Selektionstheorie
• Basis der Antikörpervielfalt
• Die Jernesche Netzwerktheorie
Künstliche Immunsysteme (AIS)
Literatur
Skript H. Gaub: Immunologie
N.A. Campbell: Biologie
Es gibt eine Vielfalt von „Krankheitserregern“
Phatogene:
•Bakterien
•Viren
•Phatogene Pilze
•Parasiten
Ebola
Virus
Immunsystem & Systembiophysik
Das Immunsystem verteidigt den Körper gegen Eindringlinge
und falsch funktionierende Zellen
Eigenschaften des Immunsystems
• Mustererkennung (kognitiv)
• Lernfähigkeit, anpassungsfähig (adaptiv)
• Gedächtnis
• kann zwischen „selbst“ und „fremd“ unterscheiden
• robust, autonom
• delokalisiert & vielschichtig
 Aufrechterhaltung des internen Körperzustandes
(Homöostase)
Das Immunsystem ist in seiner Funktion dem Nervensystem und dem
endokrinen System verwandt: =>Psychoneuroimmunologie
Early Attempts at Immunisation
• Plagues & pandemics, esp. bubonic plague (Pasteurella pestis) &
smallpox.
• Thucydides (430 B.C.) observed people who recovered were protected
from reinfection.
• Causes of disease were unknown until 19th C. (Pasteur). Thought to
be caused by poisons = “virus” (latin).
• Mithridates VI (Roman King) took increasing daily doses of poisons.
• Immunisation against Smallpox:– Chinese: dried matter from pustules on cotton inserted in nostrils.
– Turks: used variolation, hence Variola Virus.
History of Immunisation
• 1798: Dr. Edward Jenner
– Inoculated 7 subjects with cowpox. 2 challenged with smallpox. All
O.K.
– Cowpox = Vaccinia virus, hence vaccination ® general term.
Edward Jenner inoculating
James Phipps with cowpox
• 1978: Smallpox completely eradicated worldwide.
Abwehrsystem des Menschen
Physikalische Barrieren (Haut, Haare, Schleim etc.)
Biochemische Barrieren (Magensäure, Lysozme, etc.)
Angeborene (innate)
Immunsystem
Phagozyten
angeboren
Granulozyten
Neutrophils
Eosinophils
Erworbene (adaptive)
Immunsystem
Immunsystem
Makrophagen
Basophils
erworben
Lymphozyten
Lymphozyten
B-Zellen
T-Zellen
Leukozyten
(weiße
Blutzellen)
Die Zellen des Immunsystems lassen sich in Phagozyten und Lymphozyten einteilen.
Phagozyten sind unspezifische Freßzellen
-Bei einer Invasion des Organismus mit Erregern
sind diese Zellen die erste Stufe der Immunantwort.
-Sie fressen die befallenen Zellen und mit ihnen
einige Erreger auf und tragen dann Bruchstücke der
fremden Moleküle in die Lymphknoten zu den
hochspezifischen Lymphozyten, um diese auf die
Gefahr aufmerksam zu machen.
-Indem sie bestimmte Klassen von Antikörpern in
ihre Membran aufnehmen, können sie sich dann im
späteren Verlauf der Immunantwort multiple
Spezifitäten aneignen:
Makrophagen
IgG
Leukozyten
IgE
Mastzellen, Basophile IgE
totes Gewebe (Viren)
Bakterien
Parasiten (Allergien)
Makrophage, der nach einem Bakterium (Pfeil) "greift"
Phagozyten sind der älteste Teil unseres Immunsystems;
für die meisten Nichtvertebraten ist es die einzige Form der Abwehr.
Das adaptive Immunsystem besteht aus 1012 Lymphozyten
Lymphozyten sind eine Klasse der
weißen Blutzellen, die in den
lymphoiden Organen, Thymus und
Knochenmark (gelb), hergestellt werden
und im lymphoiden Gewebe (blau)
verteilt werden.
B: Knochenmark (bone marrow)
T: Thymus
B-Zellen
: Antikörperproduktion
THelfer
: Stimulation und Regulation der B-Zellen
TSuppressor
: Unterdrückung der Autoimmunantwort
TCytotoxisch
: Direkte Bekämpfung von Erregern durch Lyse
Neutral Killer Cells: Bekämpfung von Tumoren
Lymphozyten sind die Träger der Immunität
- Schlüsselexperiment -
Der Verlust der Immunantwort durch
Bestrahlung kann in Mäusen durch Injektion von
Lymphozyten aus genetisch identischen Tieren
wiederhergestellt werden.
Die Zellen des Immunsystems
Granulozyten
Monozyten
Lymphozyten
platelets
T-dth
haemopoietic
stem cell
T-cytotoxic
eosinophil
megacariocyte
T-helper
neutrophil
common
myeloid
progenitor
basophil
common lymphoid
progenitor
T-suppressor
Mastzellen
B cells
mast cell
plasma cell
monocyte
macrophage
third population cells
T und B-Lymphozyten
Ruhende,
immunkompetente
B-Lymphozyten
Aktivierte B-Lymphozyten
sekretieren Antikörper
Aktive T-Zellen
zerstören infizierte Zellen
site of
inflammation
tissue damage
and immune
reactions
Die meisten Zellen des Immunsystems sind in der Lage, die Blutgefäße, in
denen sie normalerweise zirkulieren, zu öffnen, um diese am
Entzündungsherd zu verlassen
Theories of Immunity:
Humoral v. Cellular
• Cellular Theory:- Elie Metchnikoff (Pasteur Inst.)
– Phagocytes in starfish larvae surround a splinter;
phagocytosis & digestion of bacteria by MFs &
polymorphs ® Phagocytic Theory (innate
immunity).
– G.B. Shaw, “The Doctor’s Dilemma” –
“Stimulate the phagocytes”.
• Humoral Theory:- Koch, Ehrlich et al. (Berlin)
– protection by soluble cmpnts. of blood. Showed
serum from immunised animals kill bacteria.
Nobel Prize in Physiology or Medicine
to Metchnikoff & Ehrlich
Die Immunantwort - das ganz grobe Bild
B-Lymphozyten
sezernieren Antikörper
Die humorale oder
Antikörper-Immunantwort beseitigt
extrazelluläre
Fremdkörper
T-Lymphozyten
zerstören infizierte Zellen
Die zelluläre Immunantwort beseitigt in
körpereigene Zellen
eingedrungene
Fremdlinge
Die Immunantwort der
Lymphozyten ist vernetzt
Makrophagen sind Antigenpräsentierende Zellen (APC)
und vermögen die passenden
B-Lymphozyten zu aktivieren.
Zellkommunikation
T-Helfer Zellen
stimulieren die
B-Lymphozyten
Der Antikörper
Eine Substanz, die eine Immunantwort hervorrufen kann, nennt
man Antigen (Antikörper-Generator).
Antikörper sind Proteine und gehören als
Stoffklasse zu den Immunoglobulinen (Ig).
Sezernierte Antikörper
Antikörper haben zwei identische,
hochspezifische Antigen-Bindungsstellen
Wie Antikörper arbeiten
Opsonization
Es gibt fünf Klassen von Antikörpern
Die Immunglobuline unterscheiden sich in ihrer konstanten Fußregion,
welche für die Effektorfunktion des Antikörpers zuständig ist.
Früher
Antikörper mit
niedriger
Affinität
„Normaler“ &
häufigster
Antikörper
Antikörper zur
Neutralisation
von Bakterien in
Schleimhäuten
B-Zell
Oberflächenrezeptor
Aktiviert
Mastzellen
und
Basophile
Ig-M sind die erste Klasse der während einer Immunreaktion
synthetisierten Antikörper
Die hohe Zahl an
Bindungsstellen erhöht
die Affinität (Avidität)
von Ig-M um bis zu
einem Faktor 104
gegenüber Ig-G.
Dies ist besonders
deshalb wichtig, weil die
erste Klasse noch nicht so
optimiert auf das Antigen
ist, wie spätere
Generationen
Ig-E und Allergien
Mast-Zellen sind auf die Parasitenbekämpfung spezialisiert. Eine Theorie
darüber, warum in modernen Industriegesellschaften so viele Allergien
auftauchen, besagt, daß dieser Teil des Immunsystems unterbeschäftigt ist und
sich gegen harmlose Substanzen richtet.
Antigen-Antikörper Erkennung
V: variable
C: constant
Schlüssel-Schloß-Prinzip : Paratop-Epitop
Die Bindungstasche (besteht je zur Hälfte aus
den Ende der schweren und leichten Kette
Die Struktur
der Antikörper
Die Affinität eines Antikörper
k1
k1:Bindungsrate oder on-Rate. Einheit M-1 s-1
k"1
k-1:Dissoziationsrate oder off-Rate. Einheit s-1
A + B! AB
d[ AB]
dt
= [ A][ B] ! k1 " [ AB] ! k"1
Die Affinitäts-Konstante :
[ AB] =:K
k1
=
A
k!1 [A][ B]
Typische Antikörperaffinität:
KA~104 - 1011 M-1
Dissoziationskonstante
1
k!1
K d :=
=
K eq k1
Mehrere Antikörper können ein Antigen
binden und ein Antikörper kann (leicht)
unterschiedliche Antigene erkennen.
(Kreuzreaktionen)
Abschätzung der Antigen-Vielfalt
Größe der antigenen Determinante (Epitop) : 10Åx20Åx20Å
(Der Teil des fremden Proteins, der „erkannt“ wird)
Ca. 109 verschiedene Moleküle sind so denkbar.
Ähnliche Antigene binden den gleichen Antikörper
(Reduktion um einen Faktor 100)
Damit ergibt sich eine Zahl von 107 verschiedenen Antikörper.
-> Es kann nicht für jeden Antikörper ein Gen vorliegen !!
Wie schaffte es eine endliche Zahl von Zellen diese
Zahl von Antigenen zu erkennen ?
Die Genetische Basis der Antikörpervielfalt
Schlüsselexperiment
S. Tonegawa (Nobelpreis 1987)
Die Keimbahn DNA hat Gruppen von
Gensequenzen für die Kodierung der
Ig-Ketten
V: variable
D: diversity
J: junction
C: constant
Genetische Basis der Antikörpervielfalt
Jede V-Region wird durch 3 Gensegmente (V,J,D) codiert
Kombinatorische Vielfalt bei der Gen-Rekombination:
Für die leichten Ketten stehen 300 V- Segmente und 4 JSegmente zur Verfügung (1200 Kombinationen)
Für die schweren Ketten stehen 500 V- Segmente
und 4 J-Segmente und 12 D-Segmente zur
Verfügung (24000 Kombinationen)
Gesamt ca. 1200x24000 ca. 3*107 Kombinationen
Verknüpfungsvielfalt
Der Verbindungsmechanismus arbeitet zusätzlich sehr
“schlampig” (zusätzliche Nukleotide werden zufällig
eingefügt oder welche weggelassen.
Hypermutation
Gesamte mögliche Vielfalt ca. 1015
PAUSE
How are Antibodys made ?
Selective v. Instructive Theories (20th C)
Are Abs pre-made (selective) or “moulded” by ag (instructive)?
Historical introduction
•
•
•
•
Ehrlich’s Side Chain Theory (selective)
Pauling - Instructive Theory
Landsteiner: Specificity & diversity; blood group ags. Abs as proteins
Porter & Edelman: 1st Description of structure of IgG, Nobel Prize
(1972)
• Köhler & Milstein: Monoclonal Abs
• Sir MacFarlane Burnet – Clonal Selection Theory.
• Niels Jerne – Selection of preformed Abs.; Network Theory
Köhler, Milstein & Jerne shared Nobel Prize (1984)
Klonale Selektionstheorie
Annahmen:
1. Die Population der Lymphozyten
besteht aus Untergruppen identischer
Zellen (Klone), die je Klon nur für ein
Antigen zuständig sind.
2. Klone gegen eigene Moleküle wurden
in frühen Entwicklungsstadien
ausgemerzt oder sind unterdrückt.
3. Die Diversität wird durch
Genrekombination in der
Entwicklungsphase erzeugt.
Schlüsselexperimente zur
klonalen Selektionstheorie
Zu jedem beliebigen Antigen
(Fremdkörper) existiert bereits ein
Klon von Zellen, die im Fall der
Immunantwort aktiviert werden.
Die Population der Lymphozyten besteht
aus Untergruppen identischer Zellen
(Klone), die je Klon nur für ein Antigen
zuständig sind.
2. Schlüsselexperimente zur Klonalen Selektionstheorie
Klone gegen eigene Moleküle
wurden in frühen
Entwicklungsstadien
ausgemerzt oder sind
unterdrückt.
Klonale Selektion
Fremde Antigene
Self-Antigen
Klonale
Expansion
Klonale
Ignoranz
Unberührte
Zelle
Negative
Selektion
Klonale
Löschung
Zelltod
ODER Rezeptor-Edition
Klonale Expansion + Affinitätsreifung
führt zu schneller Adaption von B-Zellen durch Evolutionsprozess
Affinitäts-Reifeprozess
Die B-Zellen durchlaufen eine
“immunologischen Mikroevolution”
Die Affinitätskonstante
nimmt im Laufe der
Immunantwort zu
Die Jernsche Netzwerktheorie (Jerne, 1974)
Niels Jerne
Die Jernsche Netzwerktheorie (Jerne, 1974)
* Die Immunantwort wird durch ein zelluläres Netzwerk dargestellt
* Immun-Netzwerk ist ein dynamischer Zustand (d.h. auch ohne
äußere Reize ständiges Bilden und Vernichten von Zellen)
• Gegenseitiges Erkennen von Antikörpern/B Zellen
durch Idiotope =>„idiotyp-Netzwerk“
* Erzeugt immunologisches Gedächtnis
Suppression
Negativeresponse
Paratope
Ag
1
2
Idiotope
3
Antibody
Activation
Positiveresponse
Die Netzwerk-Theorie der Immunreaktion
Ein Antigen Ag X (mit einer Determinanten) stimuliert die Synthese eines
Antikörpers Ab1 (den sog. Idiotyp), der seinerseits antigene Wirkung zeigt
und einen zweiten Klon zur Produktion eines Antikörpers Ab2 (den sog. AntiIdiotyp) anregt, der zu Ab1 komplementär ist. Ab2 stimuliert dann Ab3 usw.
Schematische Darstellung
eines verzweigten Immunnetzwerkes.
Abn+1
TH-Zellen
Abn
Ab3
Ab2
T-Zellen
Ab1
Ab1
Ag-X
Ab1
B-Zellen
Ein mathematische Modell des Immun-Netzwerks
(Richter, Hoffmann et al.)
Im Folgenden bezeichnen die Spezien Xi die Zahl der Lymphozyten des
Klons bzw. die Konzentration der dazugehörigen Antikörper Abi.
Das zeitliche Verhalten der Lymphozytenpopulation ist durch eine
Evolutionsgleichung beschrieben:
dx i
= [bi ! di ]X i
dt
Die Rückkopplungsmechanismen
!1 $
bi = # & f b (Xi '1 , Xi , X i+1 );
"Tb %
di =
!1 $
f X ,X ,X
#" Td &% d ( i '1 i i +1 )
bi „birthrate“
di : „death-rate“
Die Rückkopplungsmechanismen
1Die Unterdrückung (Suppression) der Spezies i durch den anti-Idiotyp (i+1): Dieser
Prozeß basiert auf einer Zerstörung der Lymphozytenpopulation Abi durch Zellen des
Klons i+1. Die Funktion könnte durch Killer-Zellen erfüllt werden.
Die Pufferung durch Ab-Ab-Wechselwirkung. Bei einer hohen Konzentration an Abi
im Serum binden diese an die Spezies Abi-1 und Abi+1 und reduzieren so die Zahl der
für die Kopplung mit Abi-Lymphozyten zur Verfügung stehenden Antikörper.
Die Hemmung (I) der Stimulation der Abi-Produktion durch die Spezies Abi-1. Dieser
Prozeß basiert auf einer Besetzung der Rezeptoren Abi durch Abi+1. Er spielt jedoch
keine Rolle gegenüber einer anderen Hemmung (II), welche die Unterdrückung von
Abi durch Abi+1 reduziert. Ursache dafür ist Unterdrückung des Unterdrückers Abi+1
durch Abi+2. Diese Hemmung hat jedoch propagierende Wirkung. Die Lymphozyten
Abi+2 spielen somit die Rolle von TH-Zellen.
Implementierung von Schwellwertverhalten und
Rückkopplung
1 '% ' Bi $
""
bi =
1 + %%
Tb % & X i !1 #
&
m
$
"
"
#
!1
1 '% ' Di $
""
di =
1 + %%
Tb % & X i +1 #
&
m
$
"
"
#
!1
m bestimmt die Steilheit der Schwelle, Bi und Di die Schwellenwerte
Stabile Lösungen erfordern Di>Bi
#1
Bi = B0 [1+ X i+1 ] [1+ "X i+1 ] [1+ $X i ]
#1
Di = D0 [1+ X i+1 ] [1+ "X i+1 ] [1+ $X i ]
!
!
Der Term (1 + βXi-1)-1 berücksichtigt die Hemmung
Ergebnis des Modells:
1. Die Niedrigzonen-Toleranz
(Low-Zone-Tolerance, LZT)
Time
Das Antigen stimuliert die Spezies Ab1, dessen Konzentration zunimmt. Nach
Überschreiten der Schwellkonzentration der Spezies Ab2 wird diese aktiviert.
Gleichzeitig wird Ab1 unterdrückt, d.h. [Ab1] −> 0.
Ergebnis des Modells:
2. Die normale Immunantwort
Die Unterdrückung der Ab1 durch Ab2 wird (durch Bindung von AgX an Ab1) soweit
gehemmt, daß die Unterdrücker Ab2 durch Ab3 selbst eliminiert werden. Auch spätere
Zugaben von AgX werden durch Ab1 (B-Zellen) leicht eliminiert.
Ergebnis des Modells:
3. Die Hochzonen-Toleranz
(High-Zone-Tolerance = HZT)
Wie die Abbildung zeigt, toleriert
das Immunsystem eine hohe
Konzentration Ax durch Elimination
der B-Zellen. Der Grund für diese
Toleranz ist die Elimination der
"Helfer-Zellen" Ab3 durch deren
Aggressoren Ab4: Die Ereigniskette
endet mit der Stufe 4.
Das Immunsystem besitzt ein Gedächtnis
Die Immunantwort auf eine zweite Begegnung mit dem Antigen
A ist stärker und schneller als die erste.
Primäre und Sekundäre Immunantwort
Die Unterscheidung von „Selbst“ und „Fremd“
Das Unvermögen gegen Selbst-Antigene zu reagieren, beruht auf erworbener
immunologischer Toleranz.
Es gibt zwei Arten von molekularen „Markern“ (membranständige Glykoproteine)
= Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC, mayor histocompatibility complex)
MHC-Klasse-I
Auf allen
körpereigenen
Zellen
MHC-Klasse-II
Auf Zellen des
Immunsystems
MHC-I Moleküle aktivieren
TC-Zellen und finden sich
auf jeder Körperzelle
MHC-II Moleküle aktivieren
TH -Zellen und finden sich
nur auf speziellen
Immunzellen, wie
Makrophagen und B-Zellen.
Aktivierung der T-Helferzellen
Wirkungsweise der cytotoxischen Zellen
Cytotoxische T-Zelle zerstört einen Eindringling
Überblick zum synergistischen Zusammenwirken der Zellen des Immunsystems
Die immunologische „Synapse“ der T-Zellen
Wie präsentiert der MHC I Komplex das im Zellinneren synthetisierte Protein an der Zelloberfläche?
Exkurs: Das Proteasom
Wolfgang Baumeister
30% aller neu
synthetisierten Proteine sind
fehlerhaft und werden
sofort wieder im Proteasom
degradiert.
Zusammenfassung
Das Immunsystem ist ein sehr komplexer Abwehrmechanismus, der in einer ständigen
Wechselwirkung mit mit dem gesamten Organismus steht
Angeborenes IS (Phagozyten) und adaptives IS (B- und T-Lymphozyten)
Eigenschaften adaptiven IS durch klonale Selektion
• spezialisiert durch Antikörper/Selektion
• vielfältig durch genetische Antikörpervielfalt
• Gedächnis
• Selbst-Fremd Erkennung (T-Zellen)
Die Jernsche Netzwerktheorie beschreibt die Dynamik der Lymphozyten Population