Einführung in die Immunologie Zellen & Organe

Einführung in die
Immunologie
Zellen & Organe
Albrecht Bufe
Immunologievorlesung (SS 2009)
Tag
Datum
Thema
Inhalte
Dozenten
1
15.04.09
Einführung
Überblick
Anatomie des Immunsystems
Einteilung (angeborene und erworbene Immunität)
Resistenz/Phagozyten
A. Bufe
2
22.04.09
Angeborene
Immunität
Rezeptoren der angeborenen Immunität (TLR,
NOD...), Mechanismen der angeb. Immunität
(Barrieren, Zellen, chemische Reaktionen...)
M. Raulf-Heimsoth
3
29.04.09
Antigenpräsentation
Antigenpräsentierende Zellen
Cytokine/Chemokine
M. Raulf-Heimsoth
4
06.05.09
B-Zellen
Antikörper
B-Zellen
B-Zell-Entwicklung
A. Bufe
5
13.05.09
T-Zellen
T-Zellen
T-Zell-Entwicklung
T-Zell-Rezeptor
M. Raulf-Heimsoth
6
20.05.09
Komplementsystem
Komplementsystem
(NK-Zellen, γ/δ-T-Zellen, B1-Zellen)
Anwendungsbeispiele
M. Raulf-Heimsoth
7
27.05.09
Methoden der
Immunologie
Nachweise von Antikörpern und T-Zell-Reaktionen,
Analyse von Zellen und Zellpopulationen
A. Bufe
1
Immunologievorlesung (SS 2009)
Tag
Datum
Thema
Inhalte
Dozenten
8
03.06.09
Fällt aus
9
10.06.09
Fällt aus
10
17.06.09
Arbeitsmedizin
Berufsbedingte Erkrankungen des Immunsystems
M. Raulf-Heimsoth
11
24.06.09
Spezielle
Immunologie I
Das Versagen der Immunabwehr
Allergien
A. Bufe
12
01.07.09
Spezielle
Immunologie II
Gezielte Beeinflussung des Immunsystems
Autoimmunerkrankungen
Transplantation
A. Bufe
13
08.07.09
Wiederholung
14
15.07.09
Prüfungsvorbereitung
A. Bufe
Quiz
A. Bufe
M. Raulf-Heimsoth
Folien zur Vorlesung: http://www.ruhr-uni-bochum.de/homeexpneu
Æ Lehre Æ Biochemie Æ Vorlesungen
Das Immunsystem
Das Immunsystem (lat.: immunis =
frei, unberührt) ist kein einzelnes
Organ. Es besteht aus spezialisierten Zellen im Blut und Gewebe,
Organen und einem Gefäßsystem.
• Aufgabe: Schutz des Körpers vor
schädigenden Einflüssen
• Grundvoraussetzung:
•Unterscheidung zwischen „selbst“
und „fremd“
•Unterscheidung zwischen „harmlos“
und „potentiell schädlich“
2
„Meilensteine“ der Immunologie
1796 Edward Jenner entwickelt die Pocken-Impfung
(Ausrottung der Pocken 1979)
1843-1910 Robert Koch entdeckt die Erreger von
Tuberkulose, Cholera und Milzbrand, Koch´sche Postulate
1822-1895 Louis Pasteur entwickelt Impfstoffe gegen
Cholera, Milzbrand und Tollwut
1845-1916 Elie Metchnikoff entdeckt phagozytische Zellen
(angeborene Immunantwort)
1890 Emil von Behring und Shibasaburo Kitasato
beschreiben Antikörper im Blut von immunsierten Patienten
(Entdeckung des IgE 1967 durch Ishizaka)
Nutzen
Schutz vor Infektionen
durch:
•
•
•
•
Bakterien
Viren
Pilze
Parasiten
Impfungen
Schaden
Fehler der Immunabwehr:
• Angeborene oder erworbene
Immunschwäche
• Tumorerkrankungen
• Autoimmunerkrankungen
• Allergien
Transplantationen
3
Unspezifische Immunabwehr (Resistenz)
• genetisch fixiert (angeboren)
• nicht gegen bestimmte Erreger gerichtet, sondern gegen
generelle Merkmale der Pathogene (PAMPs = pathogen
associated molecular patterns)
• erschweren das Eindringen und die Vermehrung des
Erregers und führen z.T. zu dessen Vernichtung
• reagiert unmittelbar, hält Erreger in Schach bis spezifische
Mechanismen eingreifen
• Bsp.:
humoral:
zellulär:
Proteasen, Komplement, Interferone
Makrophagen, Granulozyten
humoral = im Blut gelöst (lat. umor = Flüssigkeit)
Spezifische Abwehr (Immunität)
• Entwicklung ab der Stufe der Wirbeltiere
• hochspezifisch nur gegen den jeweiligen Erreger gerichtet,
der die Immunreaktion auslöst (=Antigen) = erworben
• reagiert erst nach einigen Tagen (4-7)
• humoral:
Antikörper (gegen Antigene im Blut)
• zellulär:
Abwehr intrazellulärer Parasiten
Transplantatabstoßung
Zerstörung eigener und fremder Zellen durch
zytotoxische T-Zellen
4
Wie groß ist der Anteil der einzelnen
Bereiche (angeboren und erworben) an
der Immunabwehr des Körpers?
Angeborene Immunabwehr: 90%
Erworbene Immunabwehr:
10%
Immunologische Prozesse bei einer Infektion
Adhäsion an das
Epithel
•normale
Flora
•lokale
chemische
Faktoren
•Phagozytose
(besonders in
der Lunge)
Lokale Infektion,
Durchquerung
des Epithels
•Wundheilung
•antibakterielle
Proteine und
Peptide
•Phagozten
• γ−δ T-Zellen
Lokale Infektion
des Gewebes
•Komplement
(alternativer
Weg)
• Phagozyten
• Cytokine
• NK-Zellen
Aktivierung
von
Makrophagen
Ausbreitung im
Lymphsystem
•Phagozyten
(Einfangen
von
Antigenen)
• NK-Zellen
Adaptive
Immunantwort
•Spezifische
Antikörper
•T-Zell abhängige Aktivierung der
Makrophagen
•Cytotoxische
T-Zellen
5
Unspezifische Abwehr - Erste Verteidigungslinie I
Pathogene werden am Eindringen in den Körper gehindert:
• Mechanische Barriere (Haut, Schleimhaut)
mechanisch
Tight junctions (Zonula
occludens)
Tight junctionProteine
ParazellularRaum
Unspezifische Abwehr - Erste Verteidigungslinie I
Pathogene werden am Eindringen in den Körper gehindert:
• Mechanische Barriere (Haut, Schleimhaut)
Tight junctions
mechanisch
Luft- und Flüssigkeitsströme
entlang der Epithelien
Schleimbewegung durch Cilien
Atemwegsepithel:
Rot = Schleim-produzierende Zellen
Gelb = Flimmerepithelzellen
6
Unspezifische Abwehr - Erste Verteidigungslinie II
Fettsäuren (Haut)
Niedriger pH-Wert (Magen)
chemisch
Enzyme (Lysozym, Pepsin)
Antibakterielle Peptide:
Defensine (Dünndarm, Haut,
Lunge) Surfactant Proteine
(Lunge)
• Chemische Barriere (pH-Wert, Enzyme)
• Blut, Lymphe
7,4
• Speichel
6,4
• Magensaft
1,9 – 2,6
• Harn
4,5 – 8,2
• Schweiß
4,0 – 6,8
Unspezifische Abwehr - Erste Verteidigungslinie III
Normale Mikroflora
mikrobiologisch
(Konkurrenz um Nährstoffe,
antibakterielle Substanzen)
7
Immunologische Prozesse bei einer Infektion
Adhäsion an das
Epithel
•normale
Flora
•lokale
chemische
Faktoren
•Phagozytose
(besonders in
der Lunge)
Lokale Infektion,
Durchquerung
des Epithels
•Wundheilung
•antibakterielle
Proteine und
Peptide
•Phagozten
• γ−δ T-Zellen
Lokale Infektion
des Gewebes
•Komplement
(alternativer
Weg)
• Phagozyten
• Cytokine
• NK-Zellen
Aktivierung
von
Makrophagen
Ausbreitung im
Lymphsystem
•Phagozyten
(Einfangen
von
Antigenen)
• NK-Zellen
Adaptive
Immunantwort
•Spezifische
Antikörper
•T-Zell abhängige Aktivierung der
Makrophagen
•Cytotoxische
T-Zellen
Unspezifische Abwehr - Zweite Verteidigungslinie
Zelluläre Abwehr
1) Phagozytische Zellen:
• Neutrophile Granulozyten (60-70%) Æ Bakterien
• Monozyten (Æ Makrophagen) (5%)
• (Eosinophile Granulozyten) (1,5%) Æ Parasiten
Phagocytose von Bakterien durch einen
Makrophagen, REM koloriert
2) NK-Zellen (natürliche Killerzellen)
8
Phagozyten
Makrophagen (im Gewebe (einkernig))
(Entwicklung)
Monozyten (im Blut)
• langlebig
• bei Aktivierung werden
Neutrophile Granulozyten
=
PMN=polymorphkernige
neutrophile Leukozyten (nur
im Blut, nicht im Gewebe)
• kurzlebig
Cytokine* und andere Mediatoren
freigesetzt, die u.a. neutrophile
Granulozyten anlocken
*wichtig für lokale Entzündungsreaktionen und Vermittlung der induzierten,
nichtadaptierten Reaktion
Makrophagen (PPR = pathogen pattern receptors) binden
bakterielle und virale Oberflächenmoleküle
(PAMPs = pathogen associated molecular pattern)
Mannose-Rezeptor
LPS-Rezeptor (CD14)
CD11c/CD18
Toll-like-Rezeptoren
Glykan-Rezeptor
scavenger-Rezeptor
Sialinsäure-Ligand
9
PAMPs eines bestimmten Bakteriums binden z. B. an den
Mannose-Rezeptor. Dies löst eine Phagozytose aus.
Mannose-Rezeptor
Umhüllung (Engulfment) des RezeptorBakteriumkomplexes
10
Bildung eines Phagosomen
Lysosom
(enthält Lysozym)
Entstehen eines Phagolysosomen
Lysosom
(enthält Lysozym)
11
Lysozym verdaut Bakterienwand und die übrigen Anteile
der Bakterienzelle durch saure Hydrolyse
Phagozytose III
Makrophagen und Neutrophile erzeugen bei der Phagozytose toxische
Produkte:
Ansäuerung
Toxische O2Derivate
pH = 3,5 - 4,0 bakteriostatisch und bakterizid
O2- (Superoxid), H2O2 (Wasserstoffperoxid),
1O
(Singulettsauerstoff), OH- (Hydroxylradikal),
OCl- (Hypohalit)
Toxische
Stickoxide
Antimikrobielle
Peptide
Enzyme
Stickstoffoxid NO
respiratory
burst
Defensine (kationische Proteine)
Lysozym (löst Zellwand einiger grampositiver
Bakterien auf
Saure Hydrolasen – zerkleinern Bakterien weiter
Kompetitoren
Laktoferrin (bindet Fe), Vitamin-B12-bindendes
Protein
12
Unspezifische Abwehr - Zweite Verteidigungslinie
Zelluläre Abwehr
1) Phagozytische Zellen:
• Neutrophile Granulozyten (60-70%) Æ Bakterien
• Monozyten (Æ Makrophagen) (5%)
• (Eosinophile Granulozyten) (1,5%) Æ Parasiten
Phagocytose von Bakterien durch einen
Makrophagen, REM koloriert
2) NK-Zellen (natürliche Killerzellen)
NK-Zellen: natürliche Killerzellen
Funktion
Freisetzung lytischer
Granula, die virusinfizierte Zellen und
Tumorzellen töten
können
• ca. 10% aller Lymphocyten im Blut sind NK-Zellen
• NK-Zellen töten Zellen, die keine, fremde, nur wenige oder
veränderte MHC I-Moleküle tragen (inhibitorische Signale
durch intaktes MHC I)
• Aktivierende Signale gehen z.B. von KohlenhydratStrukturen auf Zellen aus („Killer-Rezeptoren“ u.a. C-TypLektin)
• NK-Zellen werden durch Makrophagen-Zytokine (IL-12,
TNF- α) oder Interferone (α und β) γ aktiviert
13
Cytolytische Mechanismen von NK-Zellen I
1. Sekretorische Lyse (Apoptose und Nekrose durch
Granzyme und Perforin)
Perforin: bildet polymerisiert eine Pore in der Zielmembran
Granzyme: Serinproteasen, die Apoptose auslösen
Cytolytische Mechanismen von NK-Zellen II
1. Sekretorische Lyse (Apoptose und Nekrose durch
Granzyme und Perforin)
14
Cytolytische Mechanismen von NK-Zellen III
2. Nicht-sekretorische Lyse (Apoptose durch Ligation von
Apoptose-Rezeptoren, z.B. Fas)
Cytolytische Mechanismen von NK-Zellen IV
3. ADCC (antibody-dependent cellular cytotoxicity): Lyse
von Antikörper-markierten Zellen durch Apoptose und
Nekrose (Granzyme und Perforin). NK-Zellen tragen
einen IgG-Rezeptor (CD16)
15
Unspezifische Abwehr-Zellen
Phagozyten: Neutrophile Granulozyten/Makrophagen
NK-Zellen
Weitere unspezifische Zellen der spezifischen Abwehr:
γδ-T-Zellen erkennen keine Antigene von Pathogenen sondern
infizierte körpereigene Zellen (z.B. anhand von Stressproteinen)
B1-Zellen (CD5-B-Zellen) erkennen z.B. bakterielle Kapselpolysaccharide oder Zellwand-Bestandteile
Schematischer Knochenaufbau
1. Knochenhaut (Periost)
2. Knorpelüberzug (hyaliner Knorpel), schützt
den Knochen vor Druck und Reibung
3. Knochenbälkchenstruktur (Spongiosa), mit
rotem blutbildendem Knochenmark
4. Markhöhle mit gelbem verfetteten
Knochenmark
5. Innere Knochenhaut (Endost)
6. kompakte Knochenmasse (Compacta)
7. verknöcherte Wachstumslinie (Epiphysenfuge)
16
Blutbildung im Knochenmark (Spongiosa)
Knochenmarksausstrich
Entwicklung der Blutzellen I
Alle Zellen des Blutes stammen von einer gemeinsamen
Vorläuferzelle ab (hämatopoetische Stammzelle), die sich
zu einer lymphoiden Vorläuferzelle bzw. myeloiden
Vorläuferzelle entwickeln kann.
17
Entwicklung der Blutzellen II
Die Vorläuferzellen differenzieren sich zu einzelnen,
spezialisierten Zellen aus.
Leukocyten I - Neutrophile Granulocyten
Phagozytose,
Aktivierung
anti-bakterieller Mechanismen
Mittlere Verweildauer im Blut 6-8h
Primäre Granula mit proteolytischen Enzymen (saure Hydrolasen,
Defensine, Elastase, Kollagenase, Neuraminidase, Myeloperoxidase ...),
die antibakteriell wirken und es den Neutrophilen Granulozyten
erlauben, durch Bindegewebe und Blutgerinnsel zu den Bakterien
vorzudringen.
Sekundäre Granula mit Lysozym und Lactoferrin.
18
Leukocyten II – Eosinophile Granulocyten
Abtötung von
(durch
Antikörper
markierten)
Parasiten
Granula (Vesikel) der Eosinophilen Granulozyten enthalten v.a.
basische Proteine (z.B. Major basic protein).
Eosinophile setzen die Granula frei, sobald sie auf Parasiten treffen,
die mit Antikörpern (IgE) bedeckt sind und schädigen ihn.
Leukocyten III – Basophile Granulocyten
Ähnlich wie
Mastzellen, im
Blut zu finden
<2% der Zellen im Blutbild
Granula enthalten u.a. Histamin (Gefäßerweiterung), Heparin und PAF
(Plättchen-aktivierender Faktor Æ Aggregation der Thrombozyten.
19
Leukocyten IV – Mastzellen
Freisetzung
von Granula,
die u.a.
Histamin und
andere aktive
Substanzen
enthalten
Mastzellen finden sich nur im Gewebe.
Granula enthalten u.a. Histamin (Gefäßerweiterung) und Heparin.
Leukocyten V - Makrophagen
Phagozytose
und Aktivierung antibakterieller
Mechanismen
AntigenPräsentation
Benennung der Makrophagen je nach Gewebe
(Aleveolarmakrophagen (Lunge), Kupffer-Zellen (Leber), Osteoklasten
(Knochen), Mikroglia (Gehirn))
Makrophagen phagozytieren Pathogene und körpereigene Zellen.
Aufgenommene Pathogene werden präsentiert. Es können
Entzündungsreaktionen ausgelöst und Zellen der spezifischen
Immunabwehr angelockt werden.
20
Leukocyten VI - Dendritische Zellen
Antigenaufnahme in
der Peripherie
Antigenpräsentation in
den Lymphknoten
Hauptaufgabe: Antigenaufnahme und –präsentation.
Entwicklung der Blutzellen III
Zellen, die aus dem Blut ins Gewebe einwandern durchlaufen
weitere Reifungs- und Differenzierungsprozesse.
21
Entwicklung der Blutzellen IV
Weitere Ausreifungsprozesse der
Lymphozyten finden in den
sekundären Lymphorganen statt.
Myeloide Zellen
Zusammenfassender Überblick über die
Zellen der Myeloiden Zellreihe
22
Immunologische Prozesse bei einer Infektion
Adhäsion an das
Epithel
•normale
Flora
•lokale
chemische
Faktoren
•Phagozytose
(besonders in
der Lunge)
Lokale Infektion,
Durchquerung
des Epithels
•Wundheilung
•antibakterielle
Proteine und
Peptide
•Phagozyten
• γ−δ T-Zellen
Lokale Infektion
des Gewebes
•Komplement
(alternativer
Weg)
• Phagozyten
• Cytokine
• NK-Zellen
Aktivierung
von
Makrophagen
Ausbreitung im
Lymphsystem
•Phagozyten
(Einfangen
von
Antigenen)
• NK-Zellen
Adaptive
Immunantwort
•Spezifische
Antikörper
•T-Zell abhängige Aktivierung der
Makrophagen
•Cytotoxische
T-Zellen
Lymphatische Organe I
Lymphatische Organe (strukturierte Gewebe aus
lymphatischen und nicht-lymphatischen Zellen):
• Entwicklung der Lymphozyten
• Einleitung der adaptiven Immunantwort
• Überleben von Lymphozyten
Lymphatische Organe werden unterteilt in:
• zentrale (primäre) lymphatische Organe als Bildungsort
der Lymphozyten
• periphere (sekundäre) lymphatische Organe (Einleitung
der adaptiven Immunantwort
23
Lymphatische Organe II
Rachenmandel
Gaumenmandel
Rechte subklavikuläre Vene
Thymus
Herz
Lunge
Ductus thoracicus
Linke subklavikuläre Vene
Lymphknoten
Niere
Milz
Peyersche Plaques im
Dünndarm (GALT)
Dickdarm
Blinddarm
Lymphgefäße
Knochenmark
Bronchus assoziiertes
Lymphgewebe (BALT)
Primäre lymphatische Organe
• B-Zellen entstehen und reifen im Knochenmark (bonemarrow)
• T-Zellen entstehen und im Knochenmark aber reifen erst
im Thymus aus
• Ausgereifte B- und T-Zellen wandern über das Blut in die
sek. Lymphatischen Organe, wo sie auf Antigene treffen
Antigen = urspr.: Antikörper generierend
Jetzt: Auslöser einer adaptiven Immunantwort
24
Spezifische Abwehr – Adaptive Immunantwort
Antigen
Aufnahme
humoral
Infizierte
Zelle
zellulär
Antigenpräsentierende
Zelle (APC)
Präsentation
Präsentation
B-Zelle
Stimulation
Bildung und
Freisetzung
Antikörper
T-Helfer-Zelle
Stimulation
cytotoxische
T-Zelle
Stimulation
B- und TGedächtnisZellen
Lyse von
infizierten
Zellen und
Tumorzellen
Makroskopische Lage des Thymus
Erwachsene
Kinder
Luftröhre
Schilddrüse
Thymus
Lunge
Herz
Zwerchfell
Leber
25
Aufbau des Thymus
Sekundäre lymphatische Organe
Egal wo die Erreger eindringen, Antigene und Lymphozyten
treffen in den sekundären lymphatischen Organen
aufeinander:
• Lymphknoten
• Milz
• Lymyphatische Gewebe der Schleimhäute:
• Darm-assoziiertes lymph. Gewebe (gut-associated:
GALT): Rachenmandeln, Gaumenmandeln, Blinddarm,
Peyersche Plaques (Dünndarm)
• Bronchienassoziiertes lymph. Gewebe (BALT) im
Atmungsepithel
• GALT + BALT = MALT (Mucosa-assoziiertes lymphat.
Gewebe), funktionelle Einheit der Schleimhaut-Immunität
26
Zirkulation der Lymph-Flüssigkeit
1.
obere Hohlvene
2.
Aorta
3.
Milchbrustgang =
Ductus thoracicus
4.
rechter Vorhof
5.
Lebervene
6.
Pfortader
7.
Arterie für Hals, Arm
und Kopf
8.
Lungenarterie
9.
linker Vorhof
10.
linke Herzkammer
11.
rechte Herzkammer
12.
Magenarterie
13.
Leberarterie
14.
Milzarterie
15.
Darmarterie
Größe eines normalen Lymphknotens
27
Schematischer Aufbau eines Lymphknotens
Paracortikaler Bereich
(vorwiegend T-Zellen)
Sekundärer
lymphatischer
Follikel
(mit Keimzentrum)
Primärer
lymphatischer Follikel
(vorwiegend B-Zellen,
Follikulär-dendritische
Zellen)
Markstrang
(Makrophagen,
Plasmazellen)
Keimzentrum
(Aktivierung von BZellen)
Arterie und
Vene
Afferente
Lymphgefäße
Efferentes
Lymphgefäß
Randsinus
Marksinus
Vollständiger humaner Lymphknoten
Keimzentrum
(Aktivierung von B-Zellen)
Primärer
lymphatischer
Follikel
(vorwiegend B-Zellen,
Follikulär-dendritische
Zellen)
Paracortikaler
Bereich
(vorwiegend T-Zellen)
Marksinus
28
Aufbau der Milz I
Gefäße
Milzkörperchen,
weiße Pulpa
Rote
Pulpa
Milzkörperchen,
weiße Pulpa
Rote Pulpa: Abbau von roten Blutkörperchen (ca. 1011/Tag)
Weiße Pulpa: B- und T-Zellen (lymphat. Anteile)
Aufbau der Milz II
(PALS-Region = periarteriolar lymphoid sheath)
29
Aufbau des DALT/Peyersche Plaques I
Innenseite
des Darms
Epithel (M-Zellen)
Wölbung
Keim-
T-Zellbereich
zentrum
Darmwand
Lymphatischer
Follikel
(B-Zellen)
M-Zellen = Antigen-aufnehmende - und präsentierende Zellen
Aufbau des DALT/Peyersche Plaques II
M-Zellen
Keimzentrum
(Aktivierung von BZellen)
Paracortikaler
Bereich
(vorwiegend TZellen)
30
Immunologische Prozesse bei einer Infektion
Infektion
sofort: 0-4 Std.
Erkennen durch
unspezifische
Effektoren
Beseitigung des Erregers
Anlocken
von
Effektorzellen
Erkennen,
Aktivierung von
Effektorzellen
Spät: >96 Std.
Transport von
Antigen zu den
Lymphorganen
Erkennen durch
naive
B- und T-Zellen
Erneute
Infektion
Erkennen durch
vorhandene Antikörper und T-Zellen
Erneute
Infektion
Erkennen durch BGedächniszellen
und T-Zellen
Infektion
Früh: 4-96 Std.
Infektion
Klonale Expansion
und Differenzierung
zu Effektorzellen
Schnelle
Expansion und
Differenzierung zu
Effektorzellen
08.07.: Repititorium
Vorbereitung von Kurzvorträgen (ca. 10 Minuten
Vortrag, 5 Minuten Zeit für Fragen) der wichtigsten
Themen in Gruppen („Expertengruppen“)
15.07.: Quiz/Prüfungsvorbereitung
Die Expertengruppen bereiten Quizfragen vor,
ebenso wie die Dozenten.
Beantwortung der Fragen in den ExpertenGruppen
31