Immunsystem: Physiologische Grundlagen zu Aufbau und Funktion

Bild: “White Blood Cells” von Blausen gallery 2014. Lizenz: CC BY 3.0

Was ist das Immunsystem?

Unter dem Immunsystem des Menschen ist das biologische Abwehrsystem des Körpers zu verstehen, welches aus spezialisierten Zellen und Organen gebildet wird. Die Aufgabe ist die Bekämpfung und Eliminierung von Krankheitserregern, die unseren Organismus infiltrieren. Neben Bakterien können dies Viren, Pilze oder Parasiten sein. Physiologisch wird hierbei unter anderem die unspezifische von der spezifischen Abwehr unterschieden.

Die unspezifische Immunabwehr

Bild: “White Blood Cells” von Blausen gallery 2014. Lizenz: CC BY 3.0

Die unspezifische Immunabwehr ist angeboren und setzt sich aus der physikalisch/biologischen, der unspezifischen zellulären Abwehr und der unspezifischen humoralen Abwehr zusammen. Beide Systeme arbeiten komplementär, d.h. sie bauen aufeinander auf und ergänzen sich gegenseitig. Die erste Barriere für Krankheitserreger bilden intakte Haut und Schleimhäute. In diesem Zusammenhang spielen u.a. auch das Flimmerepithel der Atemwege, oder die Magensäure eine wichtige Rolle. Zur unspezifischen zellulären Abwehr zählen u.a. Makrophagen und neutrophile Granulozyten, die schädliche Mikroorganismen durch Phagozytose (Aufnahme und Verdauung des Stoffes) zerstören. Bei der unspezifischen humoralen Abwehr arbeiten u.a. Enzyme, d.h. nicht-zelluläre gelöste Bestandteile der Immunabwehr oder körpereigene Botenstoffe, die Abwehrzellen zu den Krankheitserregern locken.

Die spezifische Immunabwehr

B-Lymphozyten und deren Antikörper (humorales Immunsystem), sowie T-Lymphozyten (zelluläres Immunsystem) sind die primär verantwortlichen Bestandteile der spezifischen Immunabwehr. Um aktiv zu werden, sind diese Zellen in der Regel auf die Antigenrepräsentation angewiesen durch die unspezifische/ angeborene Immunabwehr angewiesen. Das bedeutet, dass spezifische Mechanismen zunächst verzögert einsetzen, aber effektiver arbeiten. Sollte es erneut zu einem Kontakt mit einem bekannten Krankheitserreger kommen, wird dieser schnell erkannt und bekämpft.

Komponenten des Immunsystems

Wir unterscheiden die Mikroebene, die die zellulären Bestandteile beinhaltet, von der Makroebene, die die Organe des Immunsystems darstellt.

Komponenten der unspezifischen zellulären Abwehr

• Monozyten sind Phagozyten mit der zusätzlichen Fähigkeit, Fremdstoffe dem spezifischen Abwehrsystem zu präsentieren.
• Makrophagen sind Phagozyten, die sich aus Monozyten bilden und je nach Organtyp spezialisieren. So wird eine Makrophage, die sich im Bindegewebe befindet, als Histiozyt bezeichnet.
• Granulozyten zählen zu den Leukozyten und werden in drei Typen unterteilt:

Neutrophile Granulozyten	Phagozyten, die Gewebe infiltrieren können, wenn sie von Chemotaxinen zum Krankheitserreger gelockt werden
Eosinophile Granulozyten	Granulierte Phagozyten, die von Histamin aktiviert werden; sie sind besonders bei allergischen Reaktionen und Parasitenbefall aktiv
Basophile Granulozyten	Besitzen neben ihrer phagozytischen Funktion die zusätzliche Fähigkeit, Heparin, Histamin und Proteasen aus ihren Granula freizusetzen

Bilder: “Biology” von Wikiversity Journal of Medicine by Blausen Gallery. Lizenz: CC BY 3.0

Komponenten der unspezifischen humoralen Abwehr

• Lysozym ist ein Enzym, das die Fähigkeit besitzt, Zellwände von Bakterien zu zerstören. Man findet dieses Enzym u.a. in Speichel und Tränenflüssigkeit
• Zytokine sind Botenstoffe zur Kommunikation zwischen Leukozyten zur koordinierten Immunantwort auf Krankheitserreger. Man unterscheidet hierbei drei verschiedene Typen:

• Das Komplementsystem ist ein Zusammenschluss aus mehreren Plasmaproteinen, die an Krankheitserregern andocken, um Phagozyten und Leukozyten anzulocken (sog. „Opsonierung“). Dieses System bildet das Bindeglied zwischen unspezifischer/angeborener und spezifischer Immunabwehr.

Schema der Komplementkaskade

Komponenten der spezifischen Immunabwehr

• Antigene sind die Protein eines Krankheitserregers, die eine Immunantwort auslösen. Sie werden bei der Immunabwehr entweder an Antikörper oder an die Rezeptoren von Lymphozyten gebunden und eliminiert.
• Antikörper sind Immunglobuline, die von Plasmazellen gebildet werden, die wiederum aus B-Lymphozyten hervorgehen. Es werden fünf Typen unterschieden:

	IgM-Pentamer	IgG-Monomer	IgA-Dimer	IgE-Monomer	IgD-Monomer
Schwere Ketten	μ	γ	α	ε	δ
Anzahl der Antigenbindungstellen	10	2	4	2	2
Molekulargewicht (Daltons)	900.000	150.000	385.000	200.000	180.000
Prozentzahl der gesamten Antikörper im Serum	6 %	80 %	13 %	0,002 %	1 %
Fc bindet an		Phagocyten		Mastzellen und Basophile
Funktion	Wichtigster Antikörper der primären Immunreaktion; die monomere Form dient als B-Zell-Rezeptor	Wichtigster Antikörper der sekundären Immunreaktion	Wird in Schleim, Tränen, Speichel und Kolostrum abgesondert	Antikörper der Allergene und anti-parasitären Aktivitäten	Als monomerer Oberflächenrezeptor auf reifen B-Zellen lokalisiert

Tabelle nach Phil Schatz, Bild: “Mono- und Polymere” von Martin Brändli (brandlee86). Lizenz: CC BY-SA 2.5 B-Lymphozyten

Bild: “B cell” von Blausen gallery 2014. Lizenz: CC BY 3.0

• B-Lymphozyten sind Zellen der humoralen Abwehr, die nach Antigenkontakt (über membranständige Immunglobuline IgD/IgM) mittels Aktivierung durch T-Helferzellen zu Plasmazellen und B-Gedächtniszellen werden. Die Plasmazellen produzieren Antikörper (also Immunglobuline) im zelleigenen Golgi-Apparat und Endoplasmatischen Retikulum und werden folglich als die „eigentlichen Antikörperproduzenten“ definiert. B-Gedächtniszellen bleiben nach Erstinfektion im Körper zurück, um bei erneuten Befall mit dem gleichen Krankheitserreger für eine schnellere Immunantwort zu sorgen.

Bild: “T cell” von Blausen gallery 2014. Lizenz: CC BY 3.0

• T-Lymphozyten werden im Knochenmark gebildet und wandern zum Thymus, wo sie geprägt werden und sich spezialisieren. T-Helferzellen (CD4-positiv) proliferieren nach Aktivierung durch antigenpräsentierende Zellen (z.B. Monzyten/Makrophagen, B-Lymphozyten) und bewirken die Differenzierung von B-Lymphozyten zu antikörperproduzierenden Plasmazellen. Zytotoxische oder T-Killerzellen (CD8-positiv) sind die Funktionsträger der zellulären Immunität. Sie binden mit ihren Rezeptoren an körperfremde oder infizierte Zellen und zerstören diese u. a. durch Perforine (Zerstörung der feindlichen Zellmembran) und Granzyme, die in Fremdzelle eindringen und Apoptose (Zelltod) hervorrufen. T-Gedächtniszellen hingegen sind die Funktionsträger des immunologischen Gedächtnisses und sind in ihrer immunologischen Aufgabe mit den B-Gedächtniszellen vergleichbar.

Bild: “Antigenic Determinants” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0

• Antigenpräsentierende Zellen sind spezialisierte interdigitierende, dendritische Zellen. Sie nehmen eingedrungene Antigene auf und wandern in T-Zellregionen und Lymphknoten, um sie dort den Zellen der spezifischen Immunantwort zu präsentieren.

Komponenten der organischen Immunabwehr

Die Organe, die immunaktive Zellen bilden, spezialisieren und lokalisieren werden als Lymphatisches System zusammengefasst. Dieses wird weiterführend in primäres lymphatisches System und sekundäres lymphatisches System unterteilt. Zu den Organen des primär lymphatischen Systems zählen Knochenmark und Thymus. Das sekundäre lymphatische System besteht aus den lymphoepithelialen Organen (Tonsilla palatina, Tonsilla pharyngea, Tonsilla tuberia, Tonsilla lingualis), dem schleimhaut-assoziierten lymphatischen Gewebe (z. B. MALT) und den lymphoretikulären Organen, zu denen die Lymphknoten und Milz zählen.

Die Physiologie des Immunsystems

Sieht sich der Körper mit einem Krankheitserreger konfrontiert, tritt die Immunreaktion in Kraft. Es ist wichtig zu wissen, dass die Immunreaktion erst dann tatsächlich beginnt, wenn ein Krankheitserreger die mechanischen Schutzbarrieren unseres Körpers überwunden hat. In der Medizin können die Formen der Immunreaktionen nach verschiedenen Kriterien eingeteilt werden.

Einteilung nach Entwicklungszeitpunkt

In der Einteilung nach dem Entwicklungszeitpunkt wird zwischen der angeborenen unspezifischen und der adaptiven spezifischen Immunreaktion unterschieden.

• Bei der angeborenen unspezifische Immunreaktion wird zunächst der Krankheitserreger von Phagozyten aufgenommen und zerstört. Wir sprechen von der sogenannten rezeptorvermittelten Phagozytose, die u. a. von den Makrophagen und Granulozyten durchgeführt wird. Die dabei entstehenden Bruchstücke des Erregers werden den Zellen der spezifischen Immunabwehr (B- und T-Lymphozyten) präsentiert.
• Die adaptive spezifische Immunreaktion richtet sich gegen ein spezifisches Antigen im Körper, welches dem Körper bereits bekannt ist. Bei der zellulären Abwehr sind vor allem B- und T-Lymphozyten, in der humoralen Abwehr die Antikörper von B-Lymphozyten aktiv. Kommt es zur Virusinfektion einer Zelle, präsentiert diese Bruchstücke des entsprechenden Virus-Antigens auf ihrer Oberfläche. Die Folge ist die Aktivierung zytotoxischer T-Zellen (T-Killerzellen/CD8-positiv), welche ihrerseits die infizierte Zelle durch Perforine und Granzyme zerstören. Die Präsentation von Antigenbestandteilen läuft über sog. HLA (human leukocyte antigen)-Rezeptoren. Die Subtypen hiervon bezeichnet man als „MHC-I“ und „MHC-II“ (MHC = Major Histocompatibility Complex – Ein Genkomplex, der u.a. für die HLA-Rezeptoren codiert).

1. MHC-I-vermittelte Immunreaktion: Der MHC-I codiert für die Oberflächenproteine HLA A, B und C, welche sich auf allen kernhaltigen Zellen befinden und kontinuerlich Bruchstücke von zellinternen Proteinen präsentieren. Infiziert ein Virus die Zelle, werden seine Bestandteile von zytotoxischen T-Lymphozyten (CD8-positiv) erkannt, die die infizierte Zellen eliminieren. Ein ähnlicher Vorgang geschieht auch bei entarteten Zellen.
2. MHC-II-vermittelte Immunreaktion: MHC-II codiert für die Oberflächeproteine HLA DR, DP, und DQ, die sich an der Oberfläche von antigenpräsentierenden Zellen befindet. Sie präsentieren phagozytierte Bestandteile von Krankheitserregern an ihrer Zelloberfläche. Diese werden von T-Helferzellen (CD4-positiv) erkannt , welche daraufhin die spezifische Immunantwort auf das erkannte Antigen in Gang setzen.

Bild: “Antigen Processing and Presentation” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0

Einteilung nach den beteiligten Komponenten

• Zelluläre Immunreaktion bezeichnet die Immunantwort durch Interaktion von antigenpräsentierenden Zellen, B- und T-Lymphozyten.
• Bei der humorale Immunreaktion produzieren B-Lymphozyten Antikörper gegen bekannte Krankheitserreger und geben diese ins Serum ab. Dabei werden die Prozesse außerhalb des Lymphfollikels und innerhalb des Lymphfollikels separat voneinander betrachtet. Lymphfollikel sind knotenartige Ansammlungen von B-Lymphozyten und befinden sich u.a. in Lymphknoten.

1. Prozesse außerhalb des Lymphfollikels: Die außerhalb des Lymphfollikels befindlichen T-Helferzellen reagieren auf das von antigenpräsentierenden Zellen dargebotene Antigen und proliferieren. Durch die Bindung an B-Lymphozyten regen sie diese zur Differenzierung zu Plasmazellen mit konsekutiver Antikörpersekretion an.
2. Prozesse innerhalb des Lymphfollikels: Die Vermehrung von B-Lymphozyten findet im sogenannten Keimzentrum des Lymphfollikels statt. Die ansässigen dendritischen Zellen präsentieren Antigene, die zuvor in der Lymphe oder dem Blut aufgenommen wurden. Sofern ein solches Antigen zu einem Rezeptor der gebildeten B-Lymphozyten passt, proliferieren sie zu Zentroblasten, welche bei hoher Affinität zum Antigen zu Plasmazellen oder B-Gedächtniszellen umgewandelt werden. Zentroblasten, die durch Mutationen nur eine geringe oder keine Affinität zum Antigen haben, werden entweder durch Apoptose zerstört oder von Makrophagen phagozytiert.

Einteilung nach Kontakthistorie

Unter Kontakthistorie versteht man die Häufigkeit, mit der der Körper mit einem Antigen in Kontakt gekommen ist. Bei Erstkontakt mit einem Antigen spricht man von der primären Immunreaktion, während bei erneutem Kontakt mit dem gleichen Antigen von der sekundären Immunreaktion gesprochen wird.

• Die primäre Immunreaktion ist die immunologische Antwort auf ein neues Antigen bei Erstkontakt. Dabei werden im Rahmen der humoralen Abwehr Immunglobuline ausgeschüttet (IgM durch B-Lymphozyten). Dieses ist zunächst nur schwach affin auf das neue Antigen; daher werden zusätzlich hoch affine IgG und IgA ins Serum abgegeben, um die zunächst nur langsam ablaufende Immunabwehr zu beschleunigen. Nach der Zerstörung des Antigens durch Phagozyten bleiben für das Antigen spezifische B-Gedächtniszellen im Körper zurück, um im Fall einer erneuten Infektion mit dem gleichen Erreger eine schnellere Immunantwort zu gewährleisten. Diese erneute Immunreaktion wird als sekundäre Immunreaktion bezeichnet.
• Bei der sekundären Immunreaktion ist dem Immunsystem der Krankheitserreger bzw. das Antigen bereits bekannt und in den B-Gedächtniszellen gespeichert. Daher werden bei der erneuten Immunantwort deutlich weniger IgM von B-Lymphozyten in den Körper abgegeben als bei der primären Immunreaktion. Der Körper greift schneller auf die hoch affinen Immunglobuline (IgG und IgA) zurück.

Erkrankungen des Immunsystems

In der Medizin unterscheidet man insbesondere zwei Formen der Immunpathologie: die Autoimmunerkrankungen und die Allergien.

Autoimmunerkrankungen

Bei Autoimmunerkrankungen richten sich Antikörper gegen körpereigenes Gewebe. Das bedeutet, dass die physiologische Immuntoleranz, die ein Mensch im Laufe seines Lebens erwirbt, verloren gegangen ist. Bekannte Beispiele hierfür sind der Diabetes mellitus Typ 1, Colitis ulcerosa oder die Autoimmunthyreopathie der Schilddrüse (Morbus Hashimoto). Eine Möglichkeit der Therapie ist die Einnahme von Immunsuppressiva, was nicht als kausale Therapiemethode verstanden werden darf, da es durch die Schwächung der Autoimmunreaktion nur der Symptomlinderung dient.
Einige Beispiele für Autoimmunerkrankungen sind:

Allergien

Allergien sind Überempfindlichkeitsreaktionen des Immunsystems gegen eines oder mehrere bestimmte Antigene. Patienten, die eine verstärkte Disposition zur Ausbildung von Allergien besitzen, werden als Atopiker bezeichnet. Typische allergisch bedingte Erkrankungen sind Asthma, Heuschnupfen oder Neurodermitis. Man unterscheidet vier Grundtypen von allergischen Reaktionen, für die jeweils unterschiedliche Mechanismen verantwortlich bzw. aktiv sind. Die häufigste allergische Reaktion ist die vom Soforttyp (Typ 1), welche IgE-vermittelt abläuft. Allergien können z.T. im Rahmen der Desensibilisierungstherapie mit Allergenextrakten entweder subkutan (SCIT) oder sublingual (SLIT) behandelt werden. Bei sehr schweren Allergien können auch Immunsuppressiva eingesetzt werden.

Beliebte Prüfungsfragen zum Immunsystem

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Welche der aufgeführten Komponenten gehören nicht zur unspezifischen humoralen Abwehr?

1. Lysozym
2. Granulozyten
3. Zytokine
4. Komplementsystem
5. Antikörper

2. Welche Aussage bezüglich der MCH-I vermittelten Immunreaktion trifft zu?

1. Viren synthetisieren Proteinkomplexe vor der Infiltration ins Körpersystem.
2. Zytotoxische T-Lymphozyten erkennen die Veränderung des MHC-Komplexes und zerstören die entartete Zelle.
3. MCH-I-Proteine befinden sich auf der Oberfläche von antigenpräsentierenden Zellen.
4. Die T-Helferzellen initiieren die spezifische Immunantwort auf das erkannte Antigen.
5. MHC-I-Proteine können fremde Antigene ins Endosom aufnehmen.

3. Welches der folgenden Immunglobuline ist bei der allergischen Reaktion bzw. dem anaphylaktischen Schock primär im Serum zu finden?

1. IgG
2. IgA
3. IgM
4. IgD
5. IgE

Quellen

Bommas-Ebert, U., Teubner, P. & Voß, R. (2006). Kurzlehrbuch Anatomie und Embryologie. Stuttgart: Thieme. Heinzeller, T. & Büsing, C. M. (2001). Histologie, Histopathologie und Zytologie für den Einstieg. Stuttgart: Thieme. Huppelsberg, J. & Walter, K. (2009). Kurzlehrbuch Physiologie. Stuttgart: Thieme. Sarikas, A. [Hrsg.] (2013). Anatomie und Physiologie – Weiße Reihe. München: Urban & Fischer. Ulfig, N. (2011). Kurzlehrbuch Histologie. Stuttgart: Thieme. Lösungen zu Püfungsfragen: 1B, 2B, 3E  

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