Cytokine und Chemokine

TC/DC
Prof. Dr. Albert Duschl
Das Problem
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Wesentliche Medikamente laufen
aus dem Patentschutz oder sind
bereits auf dem Generikamarkt
angekommen. Für das
profitabelste Medikament der Welt
(Umsatz $100 Mrd!), den
Cholesterinsenker Lipitor
(atorvastatin), ist der Patentschutz
am 30. November 2011
ausgelaufen.
Das Problem dabei: Wie können
Pharmafirmen bei sinkenden
Margen die teure Neuentwicklung
von Medikamenten finanzieren?
© Nature vol 480, 1. 12. 2011
Ihr Arbeitsplatz
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Die Ausgaben für bestimmte
Klassen von Medikamenten
korrelieren recht gut mit den
verfügbaren Arbeitsplätzen.
Suchen Sie sich also ein Gebiet
mit Zukunft aus.
Immunologie ist gut vertreten
(respiratory agents, autoimmune
agents, teils HIV antivirals).
Viele Medikamente in diesen
Bereichen wirken symptomatisch.
Überlegen wir uns statt dessen
doch mal die kausale Seite der
Immunologie: Die Auslösung von
Immunantworten über die DC/TC
Wechselwirkung.
© Nature vol 480, 1. 12. 2011
Dendritische Zellen
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DC wurden zuerst als „akzessorische Zellen“
beschrieben, die notwendig waren um T-Zellen
Immunantworten zu erlauben. Aus den sehr
unterschiedlichen Bystander-Zellen wurde ein
Zelltyp charakterisiert durch hohe Plastikadhärenz,
wenig Lysosomen, ohne Fc-Rezeptoren und
gering endozytisch. Die Zellen bildeten lange,
verzweigte Fortsätze aus: Dendriten.
Wenige DC waren ausreichend um sowohl
CD4+ T-Helferzellen als auch CD8+ CTL zu
aktivieren, selbst bei niedrigen Antigendosen.
Erforderlich dafür waren bestimmte MHC
Komplexe: MHC I bzw. MHC II.
► DC präsentieren über Ihren MHC Komplex
antigene Peptide, die vom TCR der T-Zellen
erkannt werden: Kognate Stimulierung der T
Zellen.
© Wikimedia Commons
Differenzierung/Maturierung
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Fast alle DC differenzieren aus
Vorläuferzellen im Blut, die ihrerseits aus
dem Knochenmark hervorgehen. Man
kann in vitro in Monozyten mit GM-CSF
und IL-4 eine Differenzierung zu moDC
(monocyte-derived DC) auslösen.
Differenzierte DC finden sich in Geweben
und werden dort bei Kontakt mit
Antigenen aktiviert. Dies führt zur
Maturierung, die man in vitro mit
Antigenen und PRR Liganden erreichen
kann.
Allerdings … manche DC Typen
(Langerhans-Zellen in Haut und Mucosa,
Mikroglia im Gehirn) erneuern sich lokal
… und niemand hat bisher gezeigt daß
Monozyten in vivo zu DC differenzieren.
© Paul: Fundamental Immunology
Stammbaum
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Human Stem Cells (HSC) im
Knochenmark differenzieren über
Common Myeloid Progenitor
(CMP) und Granulocyte
Macrophage Progenitor (GMP) in
Macrophage and DC Progenitor
(MDP). Daraus entstehen
entweder Monozyten oder
Common DC Progenitor (CDP).
Monozyten und DC sind daher
nahe verwandt, unterscheiden
sich aber. Entsprechend sind
„moDC“ nicht wirklich DC. Ihr
grosser Vorteil: Sie sind
verlässlich in grösseren Mengen
herstellbar. Eine entsprechende
Quelle in der Maus ist
Knochenmark: BMDDC.
© Chow et al. Nat Rev Immunol. 11:788-798 (2011)
DC Subsets
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Blut enthält im Menschen wenigstens drei
Subsets von DC: CD141+ myeloide DC,
CD11c+ myeloide DC und plasmacytoide
DC.
Funktionen und Marker sind
unterschiedlich, die Zellen stammen aber
wohl von der gleichen Vorläuferzelle ab.
Für die Maus ist das allerdings klarer
gezeigt als für den Menschen.
Die myeloiden DC sind die „klassischen“
DC, wobei die beiden Subtypen davon für
CD4+ T-Helferzellen und CD8+ CTL
zuständig sind.
Plasmacytoide DC produzieren grosse
Mengen an IFNsind also auch ohne
Zell-Zell-Kontakt aktiv.
© Collin et al. Nat Rev Immunol. 11:575-83 (2011)
DC als Signalsystem
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DC sind Sensoren für Non-Self (Bsp.
Bakterien) da sie Rezeptoren dafür
tragen, wie unterschiedliche TLR and
NLR.
Sie sind Signalmodulatoren, weil sie
aus ganzen Antigenen Peptidfragmente
herstellen, die im Kontext von MHCKomplexen von T-Zell Rezeptoren
erkannt werden können.
Weiterhin sind sie Aktivatoren, weil sie
generelle T-Zell-Aktivierungssignale wie
CD80/CD86 zur Verfügung stellen.
Und sie sind
Differenzierungsauslöser, weil sie
über separate Signale die
Differenzieung von speziellen T-ZellSubtypen anregen.
© Collin et al. Nat Rev Immunol. 11:575-83 (2011)
Sensoren:TLR (a)
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Pattern Recognition Rezeptoren (PRR)
sind in der innate Immunity dafür
zuständig, non-self zu erkennen, obwohl
nebenbei auch Danger Associated
Molecular Patterns (DAMPs) erkannt
werden.
DAMPs sind self-Moleküle (wie ATP) die
als Alarmsignal verwendbar sind.
Die bekannteste Gruppe von PRR sind die
Toll Like Rezeptoren (TLR). Beachten Sie
die teils erheblichen Unterschiede
zwischen Maus und Mensch.
Die Expression von TLRs unterscheidet
sich auch je nach Zelltyp und sie erlaubt
ebenfalls die Differenzierierung von
einzelnen DC-Subtypen. TLRs sind
wichtige Marker bei der Typisierung von
DCs.
© Kropshofer and Vogt: Antigen Presenting Cells
Sensoren:TLR (b)
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Antibakterielle TLR (2, 4, 5) sind in der
Cytoplasmamembran lokalisiert,
antivirale (3, 7/8, 9) in endosomalen
Kompartimenten.
Man sieht daß DC - im Gegensatz zu
moDC und Monozyten - LPS nicht
sonderlich gut erkennen.
Wie kann man dem moDC Problem
entkommen? Es lassen sich aus
peripherem Blut oder Geweben
primäre humane DC gewinnen. Man
kann sie auch sehr gut durch Antigene
und andere passende Stimuli aktivieren.
Nachteile: Schwierig, teuer, nur geringe
Ausbeute. Erhebliche Person-to-Person
Variation.
© Kropshofer and Vogt: Antigen Presenting Cells
© Lombardi and Vasquez: Dendritic Cells
Sensoren:NLR
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NOD-like Rezeptoren (NLR) decken ein
sonst nicht überwachtes Kompartiment
ab: Das Cytosol. Sie erkennen
Peptidoglycane (Komponenten
bakterieller Zellwände).
NOD2 reagiert auf muramyl dipeptide
(MDP) und NOD1 reagiert auf mesodiaminopimelic acid (mDAP oder ieDAP).
NOD 1 und NOD2 sind die am besten
untersuchten Vertreter der Familie, aber
es nicht einmal klar ob MDP und ieDAP
direkte Liganden sind.
Interaktion in der Signalübertragung
verbindet TLR- und NLR-Signale.
PAMP: Pathogen Associated Molecular
Pattern.
© Kanneganti et al., Immunity 27:549-559 (2007)
Signalmodulation
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Das Antigen ist üblicherweise ein
non-self Peptid, obwohl natürlich
auch self Peptide andauernd
präsentiert werden.
Gezeigt ist die Produktion von
Peptiden für MHC I. Für MHC II
Präsentation gibt es andere
Mechanismen, da keinesfalls selfund non-self-Peptide im falschen
MHC auftauchen dürfen.
Das Signal (PAMP + Antigen) wird
übersetzt in eine Form auf die die
T-Zellen reagieren können:
Peptid/MHC-Komplexe plus
Aktivierungssignale.
© Kropshofer and Vogt: Antigen Presenting Cells
T-Aktivierung / Differenzierung
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Coaktivatioren können allgemein für
die vollständige Aktivierung von
T-Zellen erforderlich sein. Ohne
diese Co-Signale gehen T-Zellen in
Anergie. CD28 Stimulierung via
CD80/86 ist z.B. essentiell für
T-Aktivierung. Inhibierende Signale
gibt es ebenfalls.
Andere Coaktivatoren induzieren die
Differenzierung von spezifischen
T-Subsets. Programmed Death
Ligand 1 (PD-L1) verstärkt z.B. TH1
Antworten, während PD-L2
Differenzierung von TH2 Zellen
favorisiert. Inducible T cell costimulator ligand (ICOSL) ist für die
Differenzierung von TFH-Zellen
erforderlich.
© Kropshofer and Vogt: Antigen Presenting Cells
CD-28 Familie
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Viele der beteiligten
Adhäsionsmoleküle sind
Verwandte von CD28, bilden
also eine Unterfamilie der
Immunglobulin-Superfamilie.
Die Strukturen sind ähnlich aber
die Bindungspartner sind
überwiegend sehr spezifisch.
Die Funktion ist aus der
Struktur also nicht direkt
ablesbar, obwohl bestimmte
Bindungsmotive inzwischen
bekannt sind.
© Sharpe and Freeman, Nat Rev Immunol. 2:116-26 (2002)
TH: 1-X
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Das Verzeichnis der THelferzell-Subsets wächst
immer noch weiter. Ziemlich
klar sind TH1 (Auslösung von
Entzündung), TH2 (Parasiten,
Allergien), TH9 (Unterstützung
für TH2 und TH17?), TH17
(anhaltende Entzündung),
Treg (Immunsuppression)
TFH (Follicular helper T-cells:
Stimulierung von B-Zellen in B
Zell Follikelen, B Memory).
Die Differenzierungswege
sind komplexer als gedacht,
Modell a (rechts) ist sicher zu
einfach.
© King, Nat Rev Immunol 9:757-66 (2009)
Plastizität
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T-Zellen bewahren sich eine
wesentlich höhere Plastizität
als früher vermutet, was für
Problemfälle wie TH2 und
TH17 einige Hoffnungen auf
Therapieoptionen weckt. Es
ist aber notorisch schwierig,
T-Zell bestimmte Antworten in
Patienten umzulenken oder
abzubrechen.
Probleme für Sie*: Die
Regulierung von T-Zellen in
laufenden Immunantworten ist
nicht gut verstanden und
neben T-Zellen spielen auch
weitere Zelltypen eine
wichtige Rolle.
*Ihr Arbeitsplatz!
© King, Nat Rev Immunol 9:757-66 (2009)
DC als Target
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DC als Schlüsselzellen sowohl der
adaptiven als auch der angeborenen
Immunität sind potenzielle Ziele für
Therapien*.
Mögliche Targets: PRR, Peptid-Pathways
in der Zelle, intrazelluläre
Signalmoleküle, sezernierte Cytokine und
Chemokine, Adhäsionsmoleküle, Signale
zur allgemeinen Aktivierung oder
speziellen Differenzierung von T-Zellen.
Zu schlagen wären 100 Mrd Umsatz …
© Kropshofer and Vogt: Antigen Presenting Cells
*Ihr Arbeitsplatz!