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 unspezifischen zellulären Abwehr und der unspezifischen humoralen Abwehr zusammen. Beide Systeme arbeiten komplementär, d.h. sie bauen aufeinander auf und ergänzen sich gegenseitig. Zur unspezifischen zellulären Abwehr zählen u.a. Makrophagen und neutrophile Granulozyten, die schädliche Mikroorganismen durch Phagozytose 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 primärverantwortlichen Bestandteile der spezifischen Immunabwehr. Des Weiteren gehören Antigene und Antikörper, sowie Plasmazellen der spezifischen Immunabwehr des menschlichen Körpers an, welche für eine schnellere Immunabwehr sorgen, sollte der gleiche Erreger erneut das System befallen.

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 Die Monozyten sind Phagozyten mit der zusätzlichen Fähigkeit, Fremdstoffe dem spezifischen Abwehrsystem zu präsentieren. Makrophagen Wie der Name Makrophage bereits vermuten lässt, sind diese Phagozyten, die sich aus Monozyten bilden und je nach Organtyp spezialisieren. So wird eine Makrophage, die sich im Bindegewebe befindet als Histiozyt bezeichnet. Granulozyten 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 und sind daher besonders bei allergischen Reaktionen aktiv
Basophile Granulozyten	Besitzen neben ihrer phagozytischen Funktion die zusätzliche Fähigkeit, Heparin, Histamin und Proteasen aus ihrer Granula freizusetzen

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

Komponenten der unspezifischen humoralen Abwehr

Lysosym Unter einem Lysosym wird ein Enzymtyp zur Zerstörung der Zellwand von Bakterien verstanden, welche sich u.a. in Speichel und Tränenflüssigkeit befindet. Zytokine Die Zytokine sind Botenstoffe zur Kommunikation zwischen Leukozyten zur koordinierten Immunantwort auf Krankheitserreger. Man unterscheidet hierbei drei verschiedene Typen:

Komplementsystem Das Komplementsystem ist ein Zusammenschluss aus mehreren Plasmaproteinen, die an Krankheitserregern andocken, um Phagozyten und Leukozyten anzulocken. Sie sind also direkt an der Eliminierung von zellulären Antigenen beteiligt.

Schema der Komplementkaskade

Komponenten der spezifischen Immunabwehr

Antigen Das Antigen ist das immunantwortauslösende Protein eines Krankheitserregers. Sie werden bei der Immunabwehr entweder an Antikörper oder an die Rezeptoren von Lymphozyten gebunden und eliminiert. Antikörper Antikörper sind Immunglobuline, die von Plasmazellen gebildet werden, die wiederum aus B-Lymphozyten hervorgehen. Es werden fünf Typen unterschieden:

	IgMPentamer	IgGMonomer	IgADimer	IgEMonomer	IgDMonomer
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, Speichen und Kolostrum abgesondert	Antikörper der Allergene und antiparasitären Aktivitäten	Als monomerer Oberflächen- rezeptor 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

Die B-Lymphozyten sind Zellen der humoralen Abwehr, die nach Antigenkontakt mit dem B-Lymphozyten-Rezeptor durch Zellteilung 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. T-Lymphozyten

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 proliferieren nach Aktivierung von antigenpräsentierenden Zellen und binden sich an B-Lymphozyten zur Sekretion von Zytokinen. Zytotoxische oder T-Killerzellen 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 bei ihrer immunologischen Aufgabe mit den B-Gedächtniszellen vergleichbar.

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

Antigenpräsentierende Zellen Als spezialisierte interdigitierende dendritische Zellen nehmen sie 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 sogenannte Immunreaktion oder Immunantwort in Kraft. Es ist wichtig zu wissen, dass die Immunreaktion erst dann tatsächlich beginnt, wenn ein Krankheitserreger die mechanischen Schutzbarrieren unseres Körpers überwindet. In der Medizin können die Formen der Immunreaktionen nach verschiedenen Faktoren eingeteilt werden.

Einteilung nach Entwicklungszeitpunkt

In der Einteilung nach dem Entwicklungszeitpunkt wird zwischen der angeborenen unspezifischen und der adaptiven spezifischen Immunreaktion unterschieden. Angeborene unspezifische Immunreaktion Bei der unspezifischen 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 (Opsonierung). Adaptive spezifische Immunreaktion Die adaptive spezifische Immunreaktion richtet sich gegen ein spezifisches Antigen im Körper, welches dem Körper bereits bekannt ist. Bei der zellulären Abwehr sind die T-Lymphozyten, in der humoralen Abwehr die Antikörper von B-Lymphozyten aktiv. Bei einer Virusinfektion werden durch das präsentiere Antigen zytotoxischen T-Zellen (T-Killerzellen) aktiviert, welche ihrerseits die Fremdzelle durch Perforine und Granzyme zerstören. Bei der spezifischen Immunreaktion muss weiterführend im Rahmen des Major Histocompatibility Compex (MHC) zwischen der Reaktion nach MHC-I und MHC-II unterschieden werden. MHC sind integrale Plasmamembranproteine, die bei der Antigenpräsentation der Immunantwort von Bedeutung sind.

1. MHC-I-vermittelte Immunreaktion: ⇒ Bei einer Virusinfektion infiltrieren Viren die Körperzellen und synthetisieren Proteinkomplexe, die wiederum in das MHC-I-Molekül verlagert werden. Zytotoxische T-Lymphozyten erkennen die Veränderung des MHC-Komplexes und zerstören die entartete Zelle.
2. MHC-II-vermittelte Immunreaktion: ⇒ MHC-II-Proteine befinden sich an der Oberfläche von antigenpräsentierenden Zellen und können fremde Antigene ins Endosom aufnehmen. Dadurch gelangen Fragmente des Antigens in den MHC-II-Komplex, welcher von T-Helferzellen erkannt wird. Die T-Helferzellen initiieren daraufhin die spezifische Immunantwort auf das erkannte Antigen.

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

Einteilung nach den beteiligten Komponenten

In der Medizin ist es wichtig, bei der Einteilung nach den beteiligten Komponenten, zwischen der zellulären und der humoralen Immunreaktion unterscheiden zu können. Zelluläre Immunreaktion Die zelluläre Immunreaktion bezeichnet die Immunantwort von T-Zellen auf das entsprechende Antigen, welches durch Perforine und Granzyme zerstört wird. Humorale Immunreaktion Bei der humoralen Immunreaktion produzieren die B-Lymphozyten Antikörper gegen bekannte Krankheitserreger und geben diese ins Serum ab. Bei der humoralen Immunantwort müssen die Prozesse außerhalb des Lymphfollikels und die Prozesse innerhalb des Lymphfollikels separat voneinander betrachtet werden. Lymphfollikel sind knotenartige Ansammlungen von B-Lymphozyten. Das macht sie zu wichtigen Strukturen in der humoralen Immunabwehr.

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 Sekretion von Zytokinen 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. Primäre Immunreaktion Unter der primären Immunreaktion versteht man 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 schwachaffin auf das neue Antigen, daher werden zusätzlich hochaffine 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. Sekundäre Immunreaktion 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 den B-Lymphozyten in den Körper abgegeben als bei der primären Immunreaktion. Daher greift der Körper schneller auf die hochaffinen 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 die 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 juveline Diabetes mellitus, 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 Abmilderung der Autoimmunreaktion nur der Symptomlinderung dient.

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 Immunglobuline verantwortlich bzw. aktiv sind. Allergien werden im Rahmen der Desensibilisierungstherapie mit Allergenextrakten entweder subkutan (SCIT) oder sublingual (SLIT) behandelt. 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. Lysosym
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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