- MedUni Wien

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Gelingt es einem Krankheitserreger die Oberflächen des Körpers, die Haut und
Epithelschichten der Schleimhäute, als erste Abwehrschicht zu durchdringen,
werden die Zellen und Faktoren des Immunsystem in unserem Körper aktiv.
Aus Gründen die wir nicht ganz verstehen, vielleicht deswegen weil die Körper
mehr komplex sind oder weil sie weniger Nachkommen haben, oder weil es
erst möglich ist, wenn ein Körper komplexer ist, fanden Wirbeltiere, eigentlich
eine kleine Minorität der Lebewesen, die natürliche Immunität als nicht
ausreichend und entwickelten ein zusätzliches System, das man die erworbene
Immunität nennt und dessen Träger die B und T Lymphozyten sind. Das
Auftreten der erworbenen Immunität erfolgt aber im Tierreich nicht plötzlich mit
den Wirbeltieren; Vorläufer dieses Systems erkennt man bereits in
stammesgeschichtlich älteren Tieren wie Mollusken. Die angeborene Immunität
bestehend aus den Komponenten Komplementsystem, Phagozyten, NK-Zellen
und dendritischen Zellen liefert den ersten Schutzwall gegen viele
Mikroorganismen und ist wesentlich für die Kontrolle der Anfangsphase einer
Infektion. Dies wird deutlich bei Mäusen denen wesentliche Komponenten der
natürlichen Immunität fehlen: die Krankheitserreger vermehren sich
unkontrolliert und führen zum Tod des Tieres. Pathogene Krankheitserreger
haben jedoch Strategien entwickelt, die es ihnen erlauben manchmal den
Mechanismen der natürlichen Immunität zu entkommen oder sie zu überlisten.
Sie können dann einen Infektionsherd etablieren, von dem sie sich ausbreiten
können und zum Tod des Tieres führen.
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Falls ein Krankheitserreger einen bestimmten zahlenmäßigen
Schwellenwert überschreitet, wird die adaptive Immunantwort
ausgelöst. Mehrere Tage, in der Regel 4 – 5 Tage sind für die
Vermehrung der Erreger-spezifischen T und B Lymphozyten und ihre
Differenzierung in Effektorzellen erforderlich. Diese nun in großer Zahl
zur Verfügung stehenden erworbenen, dem Erreger angepassten,
Immunzellen töten den Krankheitserreger ab, die Zahl der
Krankheitserreger fällt und in den meisten Fällen wird der Erreger
vollständig zerstört. Während dieser Zeit wird auch das
immunologische Gedächtnis ausgebildet. Diese Anpassung des
Systems an einen bestimmten Erreger garantiert, dass der erworbene
Immunrespons bei wiederholtem Kontakt mit dem gleichen
Krankheitserreger sofort ohne Verzögerung aktiviert wird. Somit wird
ein langdauernder Schutz gegen Reinfektionen gewährleistet. Dieses
immunologische Gedächtnis ist eine der beiden Hauptcharakteristika
des erworbenen Immunresponses.
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Das zweite Charakteristikum der erworbenen Immunität ist die Erkennung von
Krankheitserregern durch eine Vielzahl hochspezifischer Antigenrezeptoren. Im
Vergleich dazu erfolgt die Erkennung von Krankheitserregern durch Zellen der
natürlichen Immunität durch eine beschränkte Zahl von
Mustererkennungsrezeptoren. Die Gene, die für diese
Mustererkennungsrezeptoren kodieren, befinden sich ausschließlich in der
K e i m b a h n k o n fi g u r a t i o n , d . h . e i n G e n c o d i e r t f ü r e i n e n
Mustererkennungsrezeptor und dieses Gen wird vererbt. Pathogene wachsen
aber viel schneller als Menschen, manche Bakterien haben Generationszeiten
von 20 Minuten, und können dadurch ihre Keimbahn und ihre Eigenschaften
viel schneller verändern als Menschen mit einer Generationszeit von 30 Jahren.
Obwohl Mustererkennungsrezeptoren praktisch ausschließlich auf
lebenswichtige Strukturen von Krankheitserregern, die vom Erreger schwer
veränderbar sind, gerichtet sind, können sich Krankheitserreger durch
beispielsweise Maskierung durch Schleimhüllen der Erkennung entziehen. Als
Gegenstrategie entwickelten Wirbeltiere die erworbene Immunabwehr mit einer
praktisch unendlichen Vielzahl hochspezifischer Antigenrezeptoren.!
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Die Grundlage für die Herstellung dieser unendlichen Zahl von unterschiedlichen
Antigenrezeptoren liegt in drei molekularen Mechanismen:!
1. Im Genrearrangement. Diesen Mechanismus entdeckte Susumi Tonegawa Mitte/
Ende der 70er Jahre. Er zeigte, dass die Antigenrezeptoren der T und B Lymphozyten
aus Sets von Genstücken bestehen. Durch unterschiedliche Rekombination dieser
Gensegmente ist eine Vielfalt von Kombinationen möglich. So besteht beispielsweise
der T-Zellantigenrezeptor (TCR) aaus einer alpha und einer beta Kette. Zum
Zusammenbau der alpha Kette steht ein Set von 70 V-Alpha Segmenten, 61 JSegmenten und ein konstantes Segment zur Verfügung. Für die Konstruktion der beta
Kette gibt es ein Set von 52 V- Segmenten, 13 J- Segmenten, 2 D-Segmenten und 2
C-Segmenten. !
2. Aus der Kombination der Ketten. Jeder Antigenrezeptor besteht aus 2
unterschiedlichen Ketten: wie bereits erwähnt, der TCR aus einer alpha und einer beta
Kette, der B-Zellantigenrezeptor (BCR) aus 2 identen schweren und 2 identen leichten
Ketten, die spiegelsymetrisch aufgebaut sind (siehe nächstes Bild). Beispielsweise
können aus zwei unterschiedlichen alpha und beta Ketten vier unterschiedliche
Antigenrezeptoren gebildet werden.!
3. Über die Verknüpfungsvielfalt an den Verbindungsstellen der Gensegmente.!
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Sowohl der T Zell Antigenrezeptor (bestehend aus einer rekombinierten
alpha und beta Kette), als auch der B Zell Antigenrezeptor (bestehend
aus einer rekombinierten schweren und leichten Kette) sind mit einem
sogenannten transmembranen Signaltransduktionsmodul gekoppelt.
Dieses Modul wird auf der T Zell Seite als CD3 bezeichnet. CD3 ist aus
vier Polypeptitketten, der gamma, delta, epsylon und zeta Kette
aufgebaut. Auf der Seite des B Zell Antigenrezeptors wird dieses Modul
CD79 genannt; dieses besteht aus einer alpha und beta Kette. !
Erkennt und bindet ein Antigenrezeptor ein Antigen, werden assoziierte
zytoplasmatische Kinasen, wie beispielsweise Lyn oder Fyn, aktiviert,
die Tyrosinreste in bestimmten Sequenzabschnitten (ITAMimmunoreceptor tyrosin-based activation motif) der Kopplungsmodule
CD3 und CD79 phosphorylieren. Dadurch werden Bindungsstellen für
weitere zytoplasmatische Signaltransduktionskomponenten geschaffen,
die wiederum phosphoryliert oder dephosphoryliert werden. Durch
diese Phosphorylierungen/Dephosphorylierungen durch Proteinkinasen
bzw. Proteinphosphatasen und die damit verbundene Bildung oder
Zerstörung von Bindungsstellen werden Molekülketten als
Signaltransduktionswege innerhalb der Zelle aufgebaut. Über diese
Wege wird die Information der Antigenerkennung in das Zellinnere
weitergegeben und die Zelle kann in Form von Wachstum auf das
Antigen reagieren.!
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Je einer dieser unterschiedlichen Antigenrezeptoren wird von einem
individuellen T bzw. B Lymphozyten exprimiert. Die unterschiedlichen
Lymphozyten stammen von einer gemeinsamen Vorläuferzelle im
Knochenmark ab. Der Prozess der Herstellung der unterschiedlichen
Antigenrezeptoren unterliegt dem Zufallsprinzip. Somit gibt es in
unserem Körper für jeden Krankheitserreger, für jedes Gift, einen
Lymphozyten mit einem exakt zu diesem Krankheiterreger passenden
Antigenrezeptor, ohne jemals mit diesem Krankheitserreger oder Gift in
Kontakt gewesen zu sein. !
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Durch den Mechanismen der Genrekombination können eine
unendliche Vielzahl, der Einfachheit halber nehmen wir 1018,
unterschiedliche T und B Zell Antigenrezeptoren gebildet werden. So
viele Kombinationen tragen wir nicht mit uns herum. Wäre auch gar
nicht möglich, denn wenn wir nur jeweils eine B Zelle von jeder dieser
1018 Kombinationen in uns tragen würden als auch jeweils 1018
unterschiedliche T Zellen dann wären das 2x1018 Zellen. Wir bestehen
aber nur aus etwa 1014 Zellen. Man schätzt, dass ca. 109-1010
unterschiedlicher Spezifitäten jeder von uns mit sich herum trägt. Bei
einer Gesamtlymphozytenzahl von 1x1012 wären das 102-103 Zellen pro
Spezifität Dieses Spezifitätspaket ist in jedem von uns unterschiedlich:!
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beispielsweise in Gerda anders als in
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Gerold.
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und es verändert sich durch die Neubildung von ca. 109 Lymphozyten
pro Tag und könnte theoretisch im Laufe eines Lebens von 70 Jahren
zur Bildung von 1013 unterschiedlichen Spezifitäten führen.
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Durch diese unendliche Erkennungsvielfalt kann praktisch gegen jeden
gefährlichen Feind von außen (Viren, Bakterien, Pilze als auch von
innen (Tumorzellen) ein spezifischer Abwehrstoff, eine spezifische
Erkennungsstruktur hergestellt werden. Auch gegen Pathogene die sich
vielleicht erst in 100.000 Jahren entwickeln werden. Dadurch dass die
Antigenrezeptoren permanent durch das Zufallsprinzip gebildet werden,
sind sie voraussehende Antigenrezeptoren und wir nennen die
erworbene Immunität deshalb auch die voraussehende Immunität.
Dieser Vorteil birgt aber auch eine große Gefahr in sich: wenn praktisch
gegen alles eine Erkennungsstruktur hergestellt werden kann, dann
steckt im System auch das Potential gegen normal, was als
ungefährlich selbst bezeichnet wird, als auch gegen ungefährlich fremd,
beispielsweise gegen Nahrungsbestandteile Erkennungsstrukturen
herzustellen und diese zu attackieren. Wenn das passiert leiden wir an
Autoimmunerkrankungen bzw. Allergien.!
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Als Konsequenz müssen diese ungefährlich fremd oder ungefährlich
selbst reagierenden Spezifitäten entweder beseitigt oder stillgelegt
werden. Die Mechanismen in unserem Körper, die wir dazu kennen und
benennen sind rezessive und dominante bzw. zentrale und periphere
Toleranz.!
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Ein Hauptmechanismus der T Zell Toleranz wird rezessiv zentral im
Thymus exekutiert.!
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Da Genrearrangement, Kombination der Ketten und Verbindungsvielfalt
nach dem Zufallsprinzip erfolgen, tragen sehr viele Lymphozyten
Antigenrezeptoren, die Selbstantigene erkennen, also gegen Moleküle
des eigenen Körpers gerichtet sind. Man schätzt,, dass mehr als 95%
der hergestellten Lymphozyten mit Selbstantigenen reagieren. Diese
Lymphozyten müssen eliminiert werden, sonst käme es zur Zerstörung
e i g e n e r M o l e k ü l e u n d Z e l l e n . F ü r T Z e l l e n fi n d e t d e r
Haupteliminierungsmechanismus im Thymus statt. Er wird negative
Selektion der selbstreagierenden Thymozyten genannt. Alle „nichtselbstreaktiven Thymozyten dürfen den Thymus verlassen. Findet
einer dieser T Zellen, man nennt diese Zellen naive T Lymphoyzten,
der nicht gegen „Selbst“ gerichtet ist ein Antigen, das von einem
Pathogen stammt, kommt es zum Wachstum dieser Antigenspezifischen Zelle in viele gleiche Tochterzellen. Den daraus
entstehenden riesigen Haufen an gleichen Zellen mit gleichen
Antigenrezeptoren nennt man einen Klon, und den Prozess der
selektiven Vermehrung klonale Selektion durch das Antigen. Zur
Bildung dieses Zellhaufens, der fähig ist, den Krankheitserreger zu
zerstören, man nennt diese funktionell ausgereiften Zellen Effektor-TZellen, benötigt der Organismus etwa 4-5 Tage. Gleichzeitig werden
auch Gedächtniszellen ausgebildet. Die klonale Deletion selbstreaktiver
B Lymphozyten erfolgt großteils im Knochenmark.!
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Wenn der Thymus eine so wichtige Schnittstelle ist, um autoreaktive T
Zellen zu eliminieren, wie kann gewährleistet werden, dass im Thymus
organspezifische, beispielsweise Pankreas- oder Prostata-Antigene
exprimiert werden. Die medulären thymischen Epithelzellen scheinen
der Schlüssel zur Beantwortung dieser Frage zu sein.!
Diese können offensichtlich organspezifische Strukturen exprimieren.
Zur Ausübung dieser Funktion benötigen sie einen
Transkriptionsregulator, den man als autoimmune regulator (AIRE)
bezeichnet. Knock-out Mäuse, denen dieses Gen fehlt, leiden an
Multiorganautoimmunität (Autoimmun Polyendokrinopathie Syndrom).!
Wie auch immer, es scheint, dass bei dieser riesigen intrinsischen
Gefahr des Immunsystems die zentrale Toleranz als einziges
Kontrollsystem zu unsicher ist. So verlässt sich das System
offensichtlich nicht darauf, dass alle Zellen, die den Thymus verlassen,
sicher sind. Ja, dies ist auch gar nicht möglich, denn ungefährliche
Fremdantigene, wie solche aus der Nahrung, können
höchstwahrscheinlich nicht im Thymus angeboten werden. !
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Deshalb gibt es neben der zentralen Toleranzinduktion im Thymus
periphere Toleranzmechanismen. Dafür verantwortlich sind 3 Zelltypen:
regulatorische T Zellen, dendritische Zellen und Gewebezellen.!
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Eine Population regulatorischer T Zellen wird im Thymus gebildet, die
sogenannten natürlichen regulatorischen T Zellen. Sie stellen die zweite
T Zellpopulation dar, die neben den naiven T Zellen den Thymus
verlassen dürfen.!
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Die Existenz natürlicher regulatorischer T Zellen ist erst seit 1995
gesichert. Seit dieser Zeit wird dieser Zelltyp intensiv erforscht. Im Zuge
dieser Forschungstätigkeit wurden neben den natürlichen
regulatorischen T Zellen noch andere regulatorische T Zelltypen
entdeckt, die aber noch nicht so gut charakterisiert sind. Es ist aber
gesichert, dass regulatorische T Zellen durch Kontakt mit Antigen auch
in der Peripherie gebildet werden können. Man nennt letztere adaptive
oder induzierte regulatorische T Zellen. Ein Schlüsselmolekül für die
Entwicklung dieser Zellen ist der Transkriptionsfaktor Foxp3. Ist dieser
Faktor defekt, fehlen diese Zellen und es kommt zu der schweren
Autoimmunerkrankung IPEX (immune dysregulation.
polyendocrinopathy, entheropathy, X linked). In Mäusen bei denen
dieses Gen fehlt, sind ebenfals regulatorische T Zellen nicht vorhanden
und es kommt ebenfalls zur Entwicklung von Autoimmunität. Man nennt
diese Mäuse scurfy.!
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Trotz intensiver Forschung ist derzeit auch noch weitgehend
unbekannt, welche Mechanismen der Suppression durch regulatorische
T Zellen zugrunde liegen. Wir wissen, dass Interleukin 10, TGF-beta,
Adenosin in diesem Prozess eine Rolle spielen, dass direkter
Zellkontakt notwendig ist, wir kennen aber nicht die dazugehörigen
Adhäsionsmoleküle.!
Gesichert ist, dass regulatorische T Zellen in naiven T Zellen den
Zustand der Anergie auslösen. Anergie wird als langdauernde
Hyporeaktivität gegen ein Antigen beschrieben und die Fähigkeit der
anergisierten T Zellen diese Hyporeaktivität auch anderen Zellen weiter
zu vermitteln. Anergie ist somit langandauernde aktive
Immunsuppression.!
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Dendritische Zellen sind der Prototyp professioneller
Antigenpräsentierender Zellen. Sie können einerseits T Zellen nur über Signal
1 in Apoptose schicken, andererseits temporär hemmen bzw. Anergie
induzieren. Die zu Grunde liegenden negativ regulierenden Signale, die
für Hemmung und Anergie zusätzlich zum Signal 1 notwendig sind,
werden zum Signal 3 zusammen gefasst. Beteiligt am letzteren Prozess
scheinen Moleküle wie CTLA-4,
PD-1 und die dazugehörigen
Gegenrezeptoren CD86, PD-L1 und PD-L2, sowie Interleukin 10 und
TGF-beta zu sein. !
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Auch können einfach nur Gewebezellen durch Präsentation von
Antigen in den T Zellen Apoptose induzieren.!
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Die Grundeinstellung des Immunsystems ist somit nicht zu reagieren
bzw. zu tolerieren.!
Wie lässt sich das System nun aktivieren? Von etwa 1950 bis 1989
herrschte die Selbst/Nicht-Selbst Hypothese, d. h. das Nicht-Selbst vom
Immunsystem bekämpft werden soll. Die Immunologen wussten aber,
dass das nicht stimmen kann, denn Nahrungsbestandteile und viele
Partikel der Luft werden toleriert.!
1989 argumentierte Charles Janeway, dass das angeborene
Immunsystem alte Mustererkennungsrezeptoren benutzt, um
Pathogene über unveränderliche Charakteristika zu erkennen und
dadurch die Entscheidung der Aktivierung trifft.!
1994 postulierte Polly Matzinger, dass Antigen-präsentierende Zellen
auf Gefahrensignale reagieren.!
Die Kombination der Gefahrenhypothese von Matzinger und der
Mustererkennung von Janeway ist heute das gängige Modell der
Aktivierung des Immunsystems: Mustererkennungsrezeptoren
erkennen Gefahr assoziiert mit Charakteristika von Mikroben (z.B.
Lipopolysaccharide von gramnegativen Bakterien, Peptidoglykane von!
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T Zell Inhibition ist ein wichtiger Prozess, denn mehr als 95% der gebildeten
T Zellen sind selbst-reaktiv und müssen eliminiert werden. Wie können aber
nun T Zellen zur Abwehr von Pathogenen aktiviert werden?!
Zur Aktivierung naiver T Helferzellen wird neben der spezifischen
Antigenerkennung durch den T Zell Antigenrezeptor, also Signal 1, ein
zweites Signal, ein co-stimulatorisches Signal, das als Signal 2 bezeichnet
wird, benötigt. Dieses co-stimulatorische Signal kann nur von ganz
bestimmten Zellen im Kontext mit Antigen bereitgestellt werden. Diese
restriktive Aktivierung der naiven T Zellen ist enorm wichtig, weil wie vorhin
besprochen, nicht alle selbstreaktiven T Zellen im Thymus zerstört werden
und deren Aktivierung unter allen Umständen verhindert werden muss. Die
Erfordernis, dass nur bestimmte Zellen durch Bereitstellung des
spezifischen Antigens und des co-stimulatorischen Signale naive T Zellen
aktivieren können, garantiert, dass zerstörerische Immunreaktivitäten gegen
körpereigenes Gewebe verhindert werden. Die spezialisierten Zellen, die
beide Signale zur Aktivierung naiver T Lymphozyten liefern können, sind
dendritische Zellen. Deshalb werden dendritische Zellen auch professionelle
antigenpräsentierende Zellen genannt. Das heute bekannteste
Rezeptorpaar zur Vermittlung von Signal 2 ist CD80 auf der dendritischen
Seite und CD28 auf der Seite der T Zelle. Signale 2 werden aktiviert durch
Erkennung von Gefahr durch Mustererkennungsrezeptoren
auf
dendritischen Zellen und naiven T Zellen. Die Erkennung von Gefahr durch
Mustererkennungsrezeptoren auf regulatorischen T Zellen führt zu deren
Hemmung.!
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Die Konsequenz der Antigenpräsentation auf die T Zelle ist abhängig
vom Differenzierungsgrad der T Zelle und dem Typ der Antigenpräsentierenden Zelle.!
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Nachdem wir nun intensiv die Konsequenz der Antigenpräsentation auf die T
Zelle diskutierten, wollen wir als nächsten Schritt die Konsequenz der
Antigenerkennung von ausdifferenzierten Effektor-T Zellen auf Zielzellen zu
studieren. Die wesentlichen Moleküle, die an der Antigenpräsentation
beteiligt sind, sind der Antigenrezeptor auf der T Zellseite und die MHC
Moleküle auf der Seite der Antigen-präsentierenden Zellen. !
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Es gibt 2 Klassen von MHC Molekülen, Klasse 1 und 2. Die
Sinnhaftigkeit dieser 2 Klassen wird klar, wenn man die
unterschiedlichen Lebensräume von Pathogenen studiert.!
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Pathogene haben 3 mögliche Vermehrungsräume in unserem Körper. Für die Abwehr der
Pathogene in den unterschiedlichen Kompartimenten stehen 4 Typen von Effektor-TZellen zur Verfügung, die als zytotoxische T Zellen, T-Helfer-1-Zellen, T-Helfer-2-Zellen
und T-Helfer-17-Zellen bezeichnet werden. Diese Subtypen von Effektorzellen sind
notwendig, um unterschiedliche Abwehrstrategien zu vollziehen bzw. auszulösen.!
Viren und einige Bakterien befallen unsere Körperzellen und benutzen diese Zellen für
ihre Vermehrung, die vorwiegend im Zytosol erfolgt. Die zweite Gruppe, einige pathogene
Bakterien und eukaryotische Parasiten vermehren sich in vesikulären Kompartimenten
von Zellen, den Endosomen. Dazu gehören beispielsweise Mycobakterien, die
Tuberkulose oder Lepra verursachen und sich in Phagosomen von Makrophagen sehr
wohl fühlen. Die dritte Gruppe von Pathogenen, speziell Bakterien, wachsen außerhalb
der Zellen im extrazellulären Raum und lösen Krankheiten durch die Sekretion von
Toxinen oder anderen schädlichen Proteinen aus. Einige der extrazellulären Pathogene
und Toxine werden von B Zellen über zufällig rekombinierte spezifische
Antigenrezeptoren erkannt und über diese Rezeptoren in Endosomen internalisiert.
Andere extrazelluläre Pathogene werden von dendritischen Zellen internalisiert. Somit
befinden sich diese Pathogene nun ebenfalls im vesikulären Raum dieser Zellen. Dies
vereinfacht die Situation für T Zellen, die jetzt nur mehr 2 Klassen von Pathogenen
unterscheiden brauchen: zytosolisch oder vesikulär.!
Pathogene, die sich im Zytosol befindet, haben die Zielzelle hoffnungslos infiziert.
Deshalb müssen diese Zellen getötet werden. Dies geschieht durch Apoptoseinduktion
über die zytotoxischen T Zellen. Zellen, in denen Pathogene vesikulär vorkommen, sind
zwar befallen, aber die Pathogene sind von den Schaltstellen der Zelle, dem Zytosol, dem
Kern getrennt. Durch Aktivierung dieser Zellen, können zelleigene Programme ausgelöst
werden, die die vesikulären Pathogene zerstören. Dies geschieht beispielsweise durch
die Aktivierung von Mycobakterien befallenen Makrophagen durch T-Helfer-1-Zellen. THelfer-2-Zellen aktivieren B Zellen, die vesikuläre Pathogene, speziell Würmer enthalten,!
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Den Code für töten oder aktivieren erfahren Effektor T Zellen durch die
Major Histocompatibility Complex (MHC) Klasse I, bzw. MHC Klasse II
Moleküle. MHC Klasse I dient zur Erkennung zytosolischer Pathogene,
MHC Klasse II zur Erkennung vesikulärer/extrazellulärer Pathogene. !
MHC Moleküle können Pathogene nicht im Ganzen präsentieren. Der
Sinn dafür ist möglicherweise der Ausschluss von
Maskierungsstrategien der Pathogene. Deshalb werden Proteine der
Pathogene in kleine Bruchstücke zerlegt, Peptide mit einer Länge von 9
Aminosäuren für MHC Klasse I, um die 20-30 Aminosäuren für Klasse
II. Mit diesen antigenen Peptiden wird die molekulare Grube von MHC
Klasse I bzw. der Peptidschlitz von MHC Klasse II beladen. Man nennt
den Mechanismus der Verarbeitung des Pathogens in kleine
Bruchstücke Antigenprozessierung. Die antigenen Peptide werden
dann auf der Zelloberfläche den T Zellen über die MHC Moleküle
vorgezeigt. Diesen Prozess nennt man Antigenpräsentation.!
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Die Prozessierung zytosolischer Pathogene und die Beladung von
MHC Klassen I Molekülen beginnt mit dem Eintritt des Pathogens,
eines Virus in die Zelle, gefolgt von Integration der genetischen
Information der DNA oder RNA in den Kern der Wirtszelle.
Abschließend erfolgt die Produktion viraler Proteine im Zytosol. Diese
Proteine werden nun einerseits benutzt um infektiöse Viren zu
produzieren, andererseits aber werden Teile dieser Virusproteine von
einer hochkomplexen Protease dem so genannten Proteasom in kleine
Peptide zerlegt. Diese Peptide werden durch das TAP Protein in das
Lumen des endoplasmatischen Retikulums transportiert. Dort werden
die MHC Klasse I Moleküle mit diesen Peptiden beladen. Die
beladenen MHC Moleküle werden dann über den Golgiapparat und
exozytische Vesikel zur Präsentation an die Zelloberfläche gebracht.
Dieser Prozess kann praktisch von allen Zellen unseres Körper
durchgeführt werden, denn alle Zellen unseres Körpers sind potentiell
gefährdet, von Viren befallen zu werden. !
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Im Gegensatz dazu ist es nicht notwendig, dass alle Zellen vesikuläre
Pathogene über MHC Klasse II präsentieren können. Diese Fähigkeit
ist nur von wenigen spezialisierten Zellen erforderlich, wie
beispielsweise von B Zellen, die die Hilfe von T-Helfer-2-Zellen
benötigen, um Antikörper gegen extrazelluläre Pathogene zu
produzieren. Deshalb werden im Gegensatz zu MHC Klasse I
Molekülen, die praktisch von allen Zellen exprimiert werden, MHC
Klasse II Moleküle nur von den Zellen synthetisiert, die von T Zellen
antigenspezifisch aktiviert werden sollen, wie B Zellen und
Makrophagen. Auch Zellen, deren Aufgabe es ist, die T Helferzellen
selbst antigenspezifisch zu aktivieren, wie dendritische Zellen (siehe
dazu den Abschnitt „Aktivierung naiver T Zellen über dendritische
Zellen), müssen MHC Klasse II exprimieren.!
Den Prozess der Antigenprozessierung über MHC Klasse II betrachten
wir bei B Zellen. B Zellen erkennen Pathogene über antigenspezifische
Rezeptoren und führen über diese Rezeptoren die Pathogene dem
Endozytoseprozess zu. In den Endosomen herrscht niederer pH. In
diesem sauren Milieu werden Proteasen aktiviert, die die Proteine der
Pathogene zu antigenen Peptiden verdauen. Diese Vesikel werden mit
MHC Klasse II haltigen Vesikeln verschmolzen. Um zu verhindern, dass
der Peptidschlitz von neusynthetisierten MHC Klasse II Molekülen
durch irrelevante Polypeptide blockiert wird, wird MHC Klasse II in
Assoziation mit der invarianten Kette synthetisiert, die diesen Schlitz
schützt. Darüber hinaus hat die invariante Kette die Aufgabe, den MHC
Klasse II Komplex in endosomale Kompartimente mit niederen pH zu
transportieren. In diesen Kompartimenten wird die invariante Kette
gespalten, aber der Peptidgrube schützende Teil, genannt CLIP, bleibt!
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Es gibt also zwei Hauptgruppen von Effektor-T-Zellen. Zytotoxische T
Zelle, jene die zytosolisch infizierte Zellen über MHC Klasse I erkennen
und töten. Andererseits die T Helferzellen, die vesikulär prozessierte
Pathogene über MHC Klasse II auf restriktiven Immunzellen erkennen
und diese Zellen aktivieren. Für die klare Unterscheidung zwischen
MHC Klasse I und MHC Klasse II exprimieren beide T Zelltypen
zusätzlich zum antigenspezifischen T Zell Antigenrezeptor noch selektiv
die Moleküle CD4 bzw. CD8. Deshalb werden die zytotoxen T
Lymphozyten auch als CD8 Zellen bezeichnet, die T Helferzellen als
CD4 Zellen. CD8 bindet an konstante Regionen des MHC Klasse I
Moleküls, CD4 an konstante Regionen des MHC Klasse II Moleküls.
Durch diese Moleküle wird die Bindung der Antigenrezeptor - MHC
Klasse I bzw. Klasse II Interaktion in Bezug aus Affinität und Spezifität
verstärkt. Aus diesem Grund bezeichnet man CD4 und CD8 als CoRezeptoren. Allgemein bekannt wurde CD4, weil es vom HI-Virus als
Rezeptor benutzt wird, um T Helferzellen zu befallen. Darin liegt die
Gefährlichkeit dieses Virus, weil es die Fähigkeit besitzt, die zentralen
Zellen der spezifischen Immunität zu zerstören und somit die gesamte
spezifische Immunität auszuschalten.!
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Zusammengefasst: Erfährt eine naive T Zelle durch die dendritische
Zelle über das antigenspezifische Signal 1 und das Co-Signal 2 ihre
Aktivierung, führt dies zu Wachstum und Differenzierung in
Effektorzellen; naive CD8 Zellen über MHC Klasse I
Antigenpräsentation in zytotoxische T Zellen, naive CD4 Zellen über
MHC Klasse II Antigenpräsentation in T Helferzellen (TH1, TH2, TH17)
oder auch induzierte regulatorische T Zellen (Tr). Zytotoxische T Zellen
sind für den Schutz des zellulären Raumes durch Abtöten infizierter
Zellen verantwortlich. Die TH2 Zellen aktivieren B Lymphozyten, die
durch Sekretion antigenspezifischer Antikörper in Körperflüssigkeiten
und Körperoberflächen für den Schutz des extrazellulären Raumes
verantwortlich sind, ebenso wie die T H 17 Zellen, die durch
Ausschüttung von Interleukin-17 (IL-17) neutrophile Granulozyten
mobilisieren.!
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Der Schutz der zellulären Raumes erfolgt durch zytotoxische T Zellen.!
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Zytotoxische T Zellen induzieren Apoptose über einen ähnlichen
Mechanismus wie NK Zellen unter Verwendung von Perforin und
Granzym B. Perforin polymerisiert auf der Plasmamembran der
Zielzellen und bildet Löcher aus. Diese Löcher bewirken einerseits
direkt Lyse, bzw. dienen andererseits dem Transport von Granzym B in
Endosomen, das von dort bzw. direkt von der Membran über den
Mannose-6-Phosphatrezeptor zu Caspase 7 transportiert wird. Über
proteolytische Aktivierung der Caspase durch Granzym B, wird der
Apoptoseprozess eingeleitet.!
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Der Schutz des extrazellulären Raumes erfolgt über die von B Zellen
produzierten Antikörper.!
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Für die Antikörperproduktion benötigen B Zellen die Hilfe von T Zellen.
Diese Hilfe erfolgt indem die B Zelle das Antigen über den
antigenspezifischen B Zell Antigenrezeptor erkennt (Signal 1), über
diesen Rezeptor endozytiert, anschließend prozessiert und über MHC
Klasse II antigene Peptide den T Zellen präsentiert. Durch den
spezifischen T Zell Antigenrezeptor wird von der T Zelle die Antigenpräsentierende B Zelle erkannt und über ein co-stimulatorisches
Pärchen, CD40 - CD40L, das Helfersignal (Signal 2) an die B Zelle
geliefert. Diese beginnt zu wachsen und in die Plasmazelle zu
differenzieren. Plasmazellen besitzen die Fähigkeit den B Zell
Antigenrezeptor in hoher Menge zu produzieren und in die Umgebung
abzugeben. Diese sezernierten Antigenrezeptoren der B Zellen nennt
man Antikörper oder Immunglobuline.!
Wie können aber antigenspezifische B Zellen mit antigenspezifischen T
Helferzellen in Kontakt kommen. Durch die Frequenz von naiven B und
T Lymphozyten für ein bestimmtes Antigen in der Größenordnung von 1
in 109 Zellen ist die Chance, dass sich T und B Zellen gleicher Spezifität
treffen in der Größenordnung von 1 x 1018.!
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Nach Erkennung von Pathogenen durch dendritische Zellen über
Mustererkennungsrezeptoren wie CD14 oder Toll-like Rezeptoren werden diese
ähnlich wie bei Makrophagen und Neutrophilen über diese Rezeptoren
phagozytiert. Um auszuschließen, dass ein Krankheitserreger durch Fehlen eines
spezifischen Rezeptors von der dendritischen Zelle nicht erkannt werden würde
(Mustererkennungsrezeptoren sind ja in ihrer Erkennungsvielfalt beschränkt)
besitzen diese Zellen die Fähigkeit der rezeptorunabhängigen Endozytose. Man
nennt diesen Prozess Makropinozytose. Pinos kommt vom griechischen Wort
trinken, d.h. diese Zellen saugen wie ein Schwamm alles in der Umgebung auf.
Die ursprüngliche Überlegung, dass die Makropinozytose fehlende
Erkennungsstrukturen auf dendritischen Zellen kompensieren würde, wird aber in
der Immunologie zunehmend bezweifelt, weil dadurch die Erkennung des
Gefahrensignals schwer erklärbar ist und die dadurch ausgelöste Aktivierung von
Signal 2 Molekülen und Wanderung in den nächsten Lymphknoten.!
Aufgenommene Pathogene werden im Zytoplasma aufbereitet und naiven T
Zellen präsentiert. Die Präsentation erfolgt im Lymphknoten, ein
hochfrequentierter Marktplatz für Lymphozyten, wohin die dendritischen Zellen
wandern müssen. Auf Grund der Anhäufung und der Zirkulation von T Zellen
besteht hier die Chance, dass die dendritische Zelle die antigenspezifische T
Zelle, die nur mit einer Frequenz von einer in einer Milliarde vorkommt, trifft. !
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Ähnliches gilt für die B Zellen, die auf ähnliche Weise in der T Zellzone
der Lymphozyten gefangen werden, wenn sie das gleiche Antigen
erkennen. Denn auch die B Zellen müssen über die sogenannten „High
Endothelial Venules“ durch die T Zellzone in den Lymphknoten
eintreten. Diese Interaktion der antigenspezifischen T Zelle aktiviert die
antigenspezifische B Zelle zum Wachstum und Etablierung eines
Primärfokus. Die Zellen dieses Primärfokus, sowohl die B als auch die
T Zellen, wandern dann in den primären Lymphfolikel, wo sie weiter
proliferieren und ein Keimzentrum bilden. Keimzentren sind
hauptsächlich zusammengesetzt aus proliferierenden B Zellen, aber
auch aus etwa 10% T Helferzellen, die Hilfe für die B Zellen liefern. Die
B Zellen differenzieren dann in antikörperproduzierende Plasmazellen. !
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Antikörper werden immer als Y gezeichnet, weil sie tatsächlich auch so aussehen. Alle
Antikörper sind aus vier Polypeptidketten aufgebaut und zwar aus je zwei identen
schweren Ketten und zwei identen leichten Ketten. Diese Ketten werden durch
Disulfidbrücken zusammengehalten. Da die beiden schweren und leichten Ketten
identisch sind, ist das Antikörpermolekül spiegelsymetrisch. Der Oberbegriff für alle
diese Proteine ist Immunglobulin.!
Antikörper besitzen zwei Arme und an den Enden dieser Arme befinden sich die
variablen Regionen, die über die Rekombination von Gensegmenten gebildet werden.
Über diese Bereiche binden Antikörper die Antigene. Das Stammmolekül, die blaue
Region, ist durch konstante Genregionen, die keiner Rekombination unterliegen, kodiert.
Sie definiert die Klasse des Antikörpers und bestimmt die funktionellen Eigenschaften
des Antikörpermoleküls. Die unterschiedlichen Klassen nennt man Isotypen der
Antikörper. Es gibt fünf Hauptklassen, IgG, IgM, IgD, IgA, IgE. Diese Isotypen werden
gebildet, indem während der B Zellreifung beim sogenannten Klassenwechsel die
konstanten Regionen ausgetauscht werden.. D.h. eine antigen-spezifische B Zelle
differenziert in Tochterzellen, die unterschiedliche Klassen produzieren, die aber alle für
dasselbe auslösende Antigen spezifisch sind.!
Krankheitserreger gelangen gewöhnlich durch Durchbrechung epithelialer Barrieren in
den Körper, d.h. durch die Schleimhäute des respiratorischen, urogenitalen oder des
Vertrauungstraktes, sowie durch Hautverletzungen. Anschließend können sie im
Gewebe eine Infektion verursachen. Selten gelangen Krankheitserreger durch Insekten,
Wunden oder Injektionsnadeln direkt in das Blut. Wie auch immer, die Schleimhäute,
interzelluläre Räume im Gewebe und das Blut müssen vor Infektionen geschützt
werden. Diese Aufgabe haben die Antikörper. Die unterschiedlichen Isotypen sind so
angepasst, das sie in unterschiedlichen Bereichen des Körpers wirken können. Diese
Isotypenmischung kann für alle Funktionen sorgen, die den jeweiligen Körperbereich
angemessen sind. Der erste Isotyp, der von B Lymphozyten im Laufe einer!
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Auf Grund der Größe sind IgM Antikörper hauptsächlich auf das Blut beschränkt. IgM kann
Komplement besonders gut aktivieren. Eine Infektion des Blutes hat schwere Folgen, wenn
sie nicht sofort unter Kontrolle gebracht wird, d. h. die schnelle Produktion von IgM und die
effektive Aktivierung des Komplements sind für die Abwehr von großer Bedeutung.
Antikörper der anderen Isotypen, IgG, IgA, IgE sind kleiner und sie können aus dem Blut in
die Gewebe diffundieren. IgA bildet Dimere, IgG und IgE sind immer Monomere. IgG ist der
häufigste Isotyp im Blut und in extrazellulären Flüssigkeiten. Im Humansystem ist die
Hauptklasse IgG in vier Subklassen aufgeteilt, sodass wir insgesamt 8 Isotypen besitzen.
IgA kommt vor allem in Sekreten und in der Schleimhaut des Darmes und respiratorischen
Traktes vor. IgA ist somit einer der wichtigsten Schutzwirkstoffe unserer inneren
Oberflächen, der Schleimhäute. IgA ist der mengenmäßig häufigste Isotyp. IgG opsonisiert
Pathogene für die Aufnahme durch Phagozyten und aktiviert das Komplement. IgA wirkt nur
schwach opsonisierend und aktiviert das Komplementsystem kaum. Dies überrascht nicht,
da IgG hauptsächlich in den Körpergeweben wirkt, in denen die Phagozyten und das
Komplement vorkommen, während IgA hauptsächlich auf den Körperoberflächen wirkt, wo
Komplement und Phagozyten normalerweise nicht vorkommen. Daher wirkt IgA
hauptsächlich neutralisierend. IgE Antikörper sind nur in geringen Konzentrationen im Blut
vorhanden. IgE wird bevorzugt von Rezeptoren auf Mastzellen und eosinophilen
Granulozyten gebunden. Mastzellen werden unterhalb der Haut, der Mukosa und entlang
der Blutgefäße gefunden. Die Erkennung von Antigen an das an Mastzellen gebundene IgE
bewirkt die Aktivierung der Mastzellen. Dadurch werden starke chemische Mediatoren, wie
Histamin, freigesetzt, die Reaktionen wie Husten, Niesen und Erbrechen induzieren, ein
Mechanismus um Pathogene auszustoßen. Bei Fehlreaktion gegenüber ungefährlichen
Stoffe, ist dieser Mechanismus aber die Ursache der unangenehmen allergischen
Reaktionen. IgE ist besonders wichtig für den Schutz unseres Körpers gegenüber Würmern
und Parasiten, die über IgE und IgE-Fc Rezeptoren von eosinophilen Granulozyten erkannt
und attackiert werden können. Darüber hinaus sind Mastzellmediatoren, Lockstoffe und
Aktivierungsstoffe für Phagozyten und Makrophagen. IgA Antikörper finden sich in der!
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Antikörper setzen drei Mechanismen für den Schutz des extrazellulären
Raumes gegenüber Pathogenen und ihren toxischen Produkten ein.
Der einfachste und der direkte Weg, ist die Bindung und dadurch die
Blockierung des Befalls von Körperzellen, dies nennt man
Neutralisation. Zweitens durch Markierung des Pathogens und
spezifische Erkennbarmachung für Phagozyten, die das Pathogen
durch Phagozytose töten können. Die Bindung der Antikörper an die
Phagozyten erfolgt durch Fc-Rezeptoren. Der hocheffiziente
Mechanismus des Tötens durch Phagozytose wird durch die
rearrangierten und durch klonale Selektion generierten
hochspezifischen Antikörper auf eine fast unendliche Zahl von
Spezifitäten erweitert und ist somit nicht mehr auf die
Mustererkennungsrezeptoren beschränkt. Diese Markierung, diese
Zugänglichmachung für die Phagozyten nennt man Opsonisierung. Der
dritte Mechanismus erfolgt über die Aktivierung des
Komplementsystems. Durch die Antikörper kann nun auch diese
Komponente der natürlichen Immunität spezifisch an Oberflächen von
Krankheitserreger gebracht werden. Dies bewirkt spezifische Lyse von
Pathogenen aber auch eine bessere Erkennung für Phagozyten.
Komplement und Antikörper komplementieren sich somit in ihrer
bakteriziden Wirkung, daher auch der Name Komplement.!
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Durch Antikörper erfahren Phagozyten (Makrophagen, Granulozyten)
eine unendliche Erweiterung ihrer Spezifität durch Bindung der
Antikörper über Fc-Rezeptoren. So sind sie nicht mehr auf die
Mustererkennungsrezeptoren und Komplementrezeptoren beschränkt.
Durch gleichzeitige Mobilisierung von neutrophilen Granulozyten durch
IL-17 von TH17 Zellen wird der extrazelluläre Raum optimal geschützt.!
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Eine der wichtigsten Eigenschaften des spezifischen Immunsystems ist
das immunologische Gedächtnis. Dies ist die Fähigkeit des
Immunsystems schneller und effektiver auf Pathogene zu reagieren, mit
denen es schon einmal in Kontakt war.!
Die Basis des immunologischen Gedächtnis ist noch immer nicht ganz
klar. Es scheint aber, dass eine Population von spezialisierten Zellen,
die man Gedächtniszellen nennt, sowohl innerhalb der B Zellen, als
auch der T Zellen dafür verantwortlich sind. Diese Gedächtniszellen
scheinen langlebige antigenspezifische Lymphozyten zu sein, die im
Laufe der Primärantwort neben den Effektor-T-Zellen und Effektor-BZellen gebildet werden. Wie wir wissen, steigt nach Immunisierung die
Zahl der antigenreaktiven T Zellen dramatisch an und diese
Differenzieren zu den schon bekannten Effektor-T-Zellen. Nach
erfolgreicher Bekämpfung des Krankheitserregers sterben die meisten
dieser Zellen durch Apoptose ab, aber ein Teil dieser spezifischen T
Lymphozyten der etwa 1000 mal größer ist, als die ursprüngliche
antigenspezifische Population, bleibt erhalten. Diese Zellen tragen ein
bestimmtes Zelloberflächenrezeptormuster, das eher an Effektorzellen
als an naive T Zellen erinnert. Die langlebigen Gedächtnis-B-Zellen
unterscheiden sich ebenfalls quantitativ und qualitativ von naiven B
Zellen. Die Frequenz antigenspezifischer Gedächtnis-B-Zellen ist
ebenfalls etwa 100 bis 1000 mal höher als die naiver B Zellen gleicher
Spezifität. !
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Die qualitativen Unterschiede der Immunantworten von Gedächtnis-BZellen zur Erstantwort werden vor allem klar beim Vergleich der
Charakteristika des Antikörperresponses. Während bei der
Primärantwort vorerst IgM produziert wird und erst in späterer Folge auf
IgG umgeschaltet wird, ist die Zweitantikörperantwort durch die
Produktion nur geringer Mengen von IgM Antikörpern aber großer
Mengen von IgG und IgA charakterisiert. Die B Zell Antigenrezeptoren
von Gedächtnis-B-Zellen sind von höherer Affinität und sie exprimieren
auch größere Mengen an MHC Klasse II Proteinen, wodurch die
Antigenaufnahme und Präsentation im Vergleich zu naiven B Zellen
verstärkt wird. !
Die Besonderheit des immunologischen Gedächtnis wird deutlich, wenn
man die Antikörperantwort eines Organismus bei der
Primärimmunisierung mit der Antwort bei Sekundärimmunisierung mit
demselben Krankheitserreger vergleicht. Nach Sekundärimmunisierung
tritt die Antikörperantwort praktisch unmittelbar bzw. nach einer sehr
kurzen Verzögerungsphase, der Lagphase, ein. Die Reaktion steigt
schneller an und erreicht ein deutlich höheres Plateau. Im Gegensatz
dazu dauert die Lagphase der Primärantwort etwa 5 Tage; erst dann
treten krankheitsspezifische Antikörper im Serum auf. !
Das Wissen über diesen Mechanismus haben wir uns im letzten
Jahrhundert in der Medizin erfolgreich mit abgeschwächten oder
abgetöteten Krankheitserregern als Impfstoffe zunutze gemacht, um
den Primärrespons gegen einen Krankheitserreger zu simulieren und
bei tatsächlichen Befall mit dem Krankheitserreger einen praktisch
unmittelbaren Sekundärrespons und damit einen sofortigen Schutz zu
besitzen.!
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Ohne Zweifel liegen im Bereich der Schutzimpfungen die größten
praktischen Erfolge der Immunologie im letzten Jahrhundert.
Programme für Reihenimmunisierungen führten bei einigen häufigen
Krankheiten mit gravierenden Erkrankungs- und Sterbeziffern praktisch
zu deren Ausrottung. Dazu gehören Diphterie, Pocken, Polio, Masern.
Da aber Impfungen nicht den Krankheitserreger zerstören, sondern das
immunologische Gedächtnis in einem Individuum erweitern, muss die
Immunisierung der Bevölkerung zu einem hohen Prozentsatz aufrecht
erhalten werden. !
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Die Revolution der Medizin im 21. Jahrhundert scheint ebenfalls durch
Immunisierung jedoch im Gegensatz zur aktiven in der passiven
Immunisierung mit therapeutischen monoklonalen Antikörpern zu
erfolgen. Der Markt dieser Therapieform gegen speziell Krebs und
Autoimmunität stieg von 5,4 Milliarden $ im Jahre 2002 über 22
Milliarden $ 2007 auf 32 Milliarden $ 2008. Für 2015 wird prognostiziert,
dass 40% der therapeutischen Kosten von therapeutischen
monoklonalen Antikörper ausgemacht werden.!
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