Durch krankmachende Keime sowie durch Pilze oder Parasiten wird der menschliche Organismus permanent in seiner Existenz bedroht. Außerdem wird er mit körperfremden Proteinen und Zellen oder mit pathologischen, körpereigenen Zellen konfrontiert. Um seine Homöostase nicht zu verlieren, benötigt der menschliche Körper eine funktionierende Immunität. In diesem Artikel erhalten sie wichtige immunologische Grundlagen der Zellen des Immun- und Komplementsystems, die für eine funktionierende Immunität entscheidend sind.
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Bild: “Simplified hematopoiesis” von Mikael Häggström. Lizenz: CC BY-SA 3.0


Übersicht aller Zellen des Immunsystems

Übersicht aller Zellen des Immunsystems

Bild: “This diagram shows the hematopoiesis as it occurs in humans” von A. Rad. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Von pluripotenten Stammzellen des Knochenmarks stammen die Zellen des Immunsystems ab, die auf zwei Differenzierungswege unterschieden werden:

  • Myeloische Differenzierungsreihe
  • Lymphatische Differenzierungsreihe

Zu der myeloischen Differenzierungsreihe gehören folgende Zellen:

  • Polymorphkernige Granulozyten
    • Basophile Granulozyten
    • Neutrophile Granulozyten
    • Eosinophile Granulozyten
  • Mononukleäre Phagozyten
    • Monozyten
    • Makrophagen
    • Antigenpräsentierende Zellen z.B. Langerhans-Zellen
  • Hilfszellen
    • Mastzellen
    • Weitere antigenpräsentierenden Zellen
    • Thrombozyten

In der Regel proliferieren diese Zellen im Knochenmark. Von dort gelangen die lebenden Zellen dann über die Blutbahn bis in die Peripherie des Körpers.

In der lymphatischen Differenzierungsreihe werden folgende Zellen unterschieden:

  • B-Lymphozyten
  • T-Lymphozyten
  • Natürliche Killerzellen

Diese Zellen siedeln sich nach Erwerb der Immunkompetenz in peripheren lymphatischen Organen an, von wo aus sie bei funktioneller Stimulation profilieren können.

Zahlreiche Proteine und Glykoproteine spielen neben den angesprochenen Zellen des Immunsystems auch bei Abwehrreaktionen eine wichtige Rolle. In der interstitiellen Flüssigkeit und im Blutplasma (z.B. lösliche Antikörper) existieren sie teils frei sowie gebunden als Rezeptoren an Zelloberflächen.

Polymorphkernige Granulozyten

Polymorphkernige Granulozyten

Bild: “Cells of the innate immune system” von The Immune System. Lizenz: Public Domain

Zu den parakrin aktiven Zellen zählt man die basophilen Granulozyten (im Blut) genauso wie die Mastzellen (im Bindegewebe), die bei Wahrnehmung eines Antigens die ersten Schritte der Entzündungsreaktion auslösen. Die Granula der Basophilen sind gewöhnlich aus einem aus 2 Lappen bestehenden Zellkern aufgebaut. Die Zellen der Basophilen und Mastzellen entsprechen sich strukturell und funktionell in vielen Punkten, sind in ihrer Verwandtschaft jedoch nicht geklärt.

Die beiden Zelltypen enthalten spezielle Entzündungsmediatoren u.a. Leukotrine, Prostaglandine, Histamin oder Heparin, die ausgeschüttet werden, wenn Antigene (meist Fremdproteine) die Haut oder Schleimhaut passieren. Von den beiden Zellen wird dies wahrgenommen, sobald die Fremdproteine durch Immunglobulin E an IGE-Rezeptoren auf der Oberfläche der Mastzellen bzw. basophilen Granulozyten gebunden werden.

Neutrophile Granulozyten sind sehr häufig im Blut und gehören zu den unspezifischen phagozytierenden Zellen. Der Zellkern besteht aus zwei bis fünf Lappen, die durch sehr feine Chromatinstränge untereinander verbunden sind. Mit zunehmenden Alter nimmt auch die Zahl der Lappen zu.

Die Neutrophilen passieren unter Einfluss weiterer Entzündungsmediatoren das Endothel und durchwandern das entzündete Gewebe. Die Granula der Neutrophilen speichern Proteasen, Myeloperoxidase und verschiedene Phosphasen sowie Lysosym und Laktoferrin, welches freies Eisen bindet, das die Bakterien zum Wachstum benötigen. Die neutrophilen Granulozyten hindern die Bakterien im Wachstum, töten sie ab und phagozytieren sie schließlich. Unter Verfettung gehen sie zum Schluss zugrunde und lassen ein Zerfallsprodukt aus toten Neutrophilen und Geweberesten (Eiter) übrig.

Ebenso wie die neutrophilen werden auch die eosinophilen Granulozyten durch chemotaktische Faktoren angeregt durch das Endothel zu wandern. Eosinophile Zellen haben generell einen Zellkern, der aus zwei Lappen besteht, welche über einen dicken Chromatinstrang verbunden sind.

Die Zellen geben Basic Protein ab, ein Stoff, der zytotoxisch ist und Fremdzellen sowie Parasiten abtötet. Die Hauptfunktion liegt zusammen mit den Neutrophilen und Makrophagen bei der Bindung und Phagozytose von Antigen-Antikörperkomplexen. Bei allergischen Reaktionen spielen die eosinophilen Granulozyten ebenfalls eine wichtige Rolle, da sie eine Vielzahl an Zytokinen sezernieren.

Mononukleäre Phagozyten (Monozyten)

Monozyten haben einen Durchmesser von 12 bis 20 Mikrometer und die Zellkerne sind normalerweise nieren- und hufeisenförmig. Das Blut transportiert die Monozyten in die Körpergewebe, wo sie sich vergrößern und zu Makrophagen differenzieren. Durch die chemotaktische Wirkung der aktivierten Komplementkaskade und der Mastzellen werden die Monozyten bei einer Entzündung vermehrt angezogen.

Makrophagen haben die Aufgabe, wie es der Name schon verrät, zu phagozytieren und sezernieren Faktoren, die die Entzündungsreaktion steuern. Sie haben eine Lebensdauer von Tagen bis Monate und werden meist durch nachrückende Blutmonozyten ersetzt. Durch Mitose werden sie auch in einigen Organen so vermehrt, dass sie dann weitestgehend unabhängig vom Pool der Blutmonozyten sind.

Makrophagen werden zu stationären und wandernden Makrophagen. Die wandernden Makrophagen durchkämmen das Gewebe und versammeln sich an Infektions- oder Entzündungsherden. Stationäre Makrophagen bleiben in bestimmten Geweben, die organabhängig sind.

Bsp.:

  • Makrophagen in der Milz
  • Alveoläre Makrophagen in den Lungen
  • Kupffer- Sternzellen in der Leber

Die Phagozytose

Der Phagozytosevorgang ist ein lebensnotwendiger Abwehrmechanismus, der dazu beiträgt, den Körper vor Krankheiten zu schützen. Nur Makrophagen, basophile– und neutrophile Granulozyten haben die Fähigkeit der Phagozytose.

Über Rezeptoren können sich Makrophagen an fremde Mikroorganismen und an Tumorzellen anlagern und diese anschließend phagozytieren. Mit Hilfe der Phagozytose beseitigen Makrophagen tagtäglich neben eindringenden Mikroben auch Milliarden alter, ausgedienter Erythrozyten. Erleichtert wird dieser Prozess, wenn die betreffende Zelle bereits mit Proteinen des Komplementsystems oder Antikörper eingehüllt ist.

Sie bekämpfen aber nicht nur Entzündungserreger, sondern produzieren auch zahlreiche Zytokine (Wachstumsfaktoren). Mithilfe der Zytokine können sie Entzündungsreaktionen und spätere Reparaturvorgänge steuern und leisten einen wichtigen Beitrag bei der Wund- und Entzündungsheilung.

Antigenpräsentation

Die Entzündungsreaktion für den Körper könnte mit einer erfolgreich abgeschlossenen Phagozytose beendet sein. Um jedoch eine spezifische Immunität zu ermöglichen, ist eine Antigenpräsentation notwendig. Um in Zukunft eine schnellere Immunität von Fremdproteinen oder Fremdzellen zu bewirken, werden Informationen über das eingedrungene Antigen an die dafür zuständigen Lymphozyten weitergereicht. Insbesondere von Makrophagen, aber auch von anderen antigenpräsentierenden Zellen wird dieser Prozess durchgeführt.

Weitere antigenpräsentierende Zellen

Langerhans-Zellen, die im Stratum spinosum der Epidermis liegen, sind weitere antigenpräsentierende Zellen, die nicht nur funktionell, sondern zum Teil auch bezüglich ihrer Herkunft sehr nahe mit den Makrophagen verwandt sind. Sie nehmen transepithelial eindringende Antigene auf und wandern anschließend über die Lymphbahn in die Lymphknoten und werden dort zu interdigitierenden Zellen, die den T-Lymphozyten ihre Antigenfragmente präsentieren.

Weiße Blutzellen

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

Hilfszellen

Hilfszellen gehören weder zu den mononukleären Phagozyten, noch zu den polymorphkernigen Granulozyten und auch nicht zu Lymphozyten. Sie sind eine heterogene Gruppe von Zellen, die zur angeborenen oder erworbenen Immunreaktion beitragen.

Zu den Hilfszellen ordnet man folgende Zelltypen:

  • Mastzellen
  • Zellen, die nach Stimulierung Antigen präsentieren können
  • Thrombozyten

Mastzellen sind strukturell und funktionell identisch mit den basophilen Granulozyten. Sie treten vorwiegend im Bindegewebe auf und setzen Histamin im Rahmen von Entzündungen oder allergischen Reaktionen frei. Sie haben außerdem die Fähigkeit Bakterien zu binden, sie einzuverleiben und schließlich zu töten.

Antigen präsentierende Zellen (APC) werden zu einer speziellen Klasse von Migrationszellen geordnet, die Antigene bearbeiten, und können T-Zellen im Rahmen einer Immunantwort präsentieren. APC umfassen Makrophagen, B-Zellen und Dendriten in Haut, mukösen Membranen und Lymphknoten.

Thrombozyten sind Zytoplasmafragmente in einer Zellmembran ohne Nucleus, die im zirkulierenden Blut vorkommen und eine bedeutende Rolle für die Gerinnung spielen. Des Weiteren können sie Leukozyten anlocken und eine Entzündungsreaktion unterstützen, indem sie bei Endothelläsionen vasoaktive Substanzen und kapillarpermeabilitätssteigernde Faktoren freisetzen.

Lymphozyten

Lymphozyten dienen der spezifischen Entzündungsreaktion, differenzieren sich aus einer pluripotenten Stammzelle des roten Knochenmarks heraus und werden in 2 Gruppen unterteilt:

  • B-Lymphozyten
  • T-Lymphozyten

Erst nach der Fetalzeit und des ersten Lebensjahres, während einer Ausbildungsphase in den primären lymphatischen Organen, erlernen sie ihre spezifischen Immunfunktionen und Immunkompetenzen.

B-Lymphozyten

Der Körper verfügt über Millionen verschiedener B-Lymphozyten, die auf ein spezifisches Antigen reagieren können. Sobald ein spezifisches Antigen in Milz, Lymphknoten oder Mukosa vorhanden ist, werden sie aktiviert. Sie differenzieren sich anschließend zu Plasmazellen, die spezifische Antikörper sezernieren. Damit die Antikörper „schnell zur Stelle“ sind, zirkulieren sie in Lymphe und Blut, um zu dem Fremdantigen zu gelangen.

Aktivierung, Proliferation und Differenzierung von B-Zellen

B-Zellen werden aktiviert, wenn das spezifische Antigen an ihr B-Zellrezeptoren bindet. Ihre Antwort auf prozessierte Antigene ist wesentlich stärker als auf nichtprozessierte Antigene, die in der Lymphe oder der interstitiellen Flüssigkeit reagieren. Die Prozessierung läuft in folgenden Schritten ab:

  1. Antigen wird in die B-Zelle aufgenommen
  2. Antigen wird in der Zelle in Peptidfragmente zerlegt
  3. Die Peptide werden an HLA-II-Moleküle gebunden
  4. Antigen-HLA-II-Komplex wird zur Plasmamembran der B-Zelle transportiert

T-Helferzellen haben die Fähigkeit, dieses Antigen-HLA-II-Komplex zu erkennen und ein costimulatorisches Signal zu liefern, das zur Proliferation und Differenzierung der B-Zellen nötig ist. T-Helferzellen produzieren insbesondere Interleukine 4 und 6, die zur Proliferation der B-Zellen und ihrer Differenzierung in Plasmazellen dienen sowie deren Antikörpersekretion fördern.

Einige der aktiven B-Zellen vergrößern, teilen und differenzieren sich in einen Klon von Antikörper sezernierenden Plasmazellen, die Hunderte von Millionen Antikörper in wenigen Tagen freisetzen, bis sie sterben. Über die Lymphe, das Blut und der Interzellularflüssigkeit gelangen die Antikörper zum Fremdantigen.

Wenn sich eine aktivierte B-Zelle nicht in eine Plasmazelle differenziert, verbleiben sie als Gedächtnis-B-Zellen und können bei erneuten Kontakt mit diesem Antigen schneller reagieren.

Gedächtnis-B-Zellen Antwort

Bild: “Memory B cell response on first, and second infections of a virus.” von Nreese22. Lizenz: CC BY-SA 4.0

T-Lymphozyten

Mit der Aktivierung einer kleinen Zahl von T-Zellen durch ein spezifisches Antigen, das von ihrem Rezeptor erkannt wird, beginnt die zelluläre Immunantwort. Sobald eine T-Zelle aktiviert ist, setzt ihre Proliferation und Differenzierung in einen Effektor-Zellklon ein und es kommt zur Population identischer Zellen. Sie haben die Fähigkeit dasselbe Antigen zu erkennen, sind am Immunangriff beteiligt mit dem Ziel der Eliminierung des „Eindringlings“.

Aktivierung, Proliferation und Differenzierung

Sogenannte T-Zellrezeptoren (TCR) erkennen und binden spezifische Fremdantigenfragmente, die Ihnen als Antigen-HLA-Komplex präsentiert werden. Millionen von verschiedenen T-Zellen befinden sich in unserem Körper, jede mit ihrem eigenen, einzigartigen TCR, der einen spezifischen Antigen-HLA-Komplex erkennt.

Nur wenige T-Zellen besitzen passende T-Zellrezeptoren, wenn ein Antigen in den Körper eindringt. Aus diesem Grund sind zur Antigenerkennung weitere Oberflächenproteine der T-Zellen wie z.B. CD4 bzw. CD8-Proteine nötig, die mit den HLA-Antigenen interagieren und bei der TCR-HLA-Bindung helfen. Sie werden als Co-Rezeptoren bezeichnet.

Als erstes Signal der T-Zellaktivierung wird die Antigenerkennung durch einen TCR zusammen mit den Oberflächenproteinen definiert. Die Aktivierung einer T-Zelle erfolgt allerdings erst, wenn sie an ein Fremdantigen bindet und ein zweites Signal als Co-Stimulation erhält. Das zweite Signal verhindert, dass Immunantworten zufällig ablaufen. Es gibt mehr als 20 Co-Stimulatoren, die auf unterschiedliche Weise aktivierte T-Zellen beeinflussen.

Die Antigenbindung an einen Rezeptor führt ohne zusätzliche Co-Stimulation bei T- und B-Zellen zu einem verlängerten Zustand der Untätigkeit, auch Anergie genannt.

Sobald die T-Zelle die zwei Signale erhält, ist sie aktiviert und beginnt zu profilieren und sich zu differenzieren. Ein Klon, eine Population identischer Zellen, entsteht, die alle dasselbe spezifische Antigen erkennen.

In den sekundären lymphatischen Organen finden die Aktivierung, Proliferation und Differenzierung der T-Zellen statt.

Die T-Zellen können in der Hauptklassen differenziert werden:

  • T-Helferzellen
    • Die meisten T-Zellen entwickeln sich zu T-Helferzellen (CD4-T-Zellen).
    • Inaktive T-Helferzellen erkennen exogene Antigenfragmente im Zusammenhang mit HLA-II-Molekülen an der Oberfläche der Antigen präsentierenden Zelle (APC).
    • Mit Hilfe des CD4-Moleküls interagieren T-Helferzelle und APC miteinander, sodass es zur Co-Stimulation und zur Aktivierung der T-Helferzellen kommt. T-Helferzellen sind auch noch einmal in einzelne Untergruppen spezialisiert.
  • Zytotoxische Zellen
    • Sie erkennen Fremdantigene in Zusammenhang mit HLA-I-Moleküle auf der Oberfläche von z.B. einer Tumorzelle.
    • Nach der Antigenerkennung erfolgt die Co-Stimulation durch Interleukine 2 oder andere Zytokine.
  • Gedächtniszellen
    • Zellen, die nach Abschluss der Immunreaktion verbleiben
    • Bei einem erneuten Kontakt mit demselben Fremdantigen stehen tausend dieser Zellen zur Verfügung und können eine schnellere Reaktion auslösen, ohne Auftreten von Krankheitssymptomen.
Klonale Selekion und Expansion von T-Lymphozyten

Bild: “Klonale Selekion und Expansion von T-Lymphozyten” von OpenStax College. Lizenz: CC BY 3.0

Natürliche Killerzellen

Neben den Phagozyten stehen die natürlichen Killerzellen den Mikroorganismen im Weg, wenn sie die Haut oder Schleimhaut durchdrungen haben.

Die natürlichen Killerzellen (NK-Zellen) machen etwa 5 – 10 % der Lymphozyten im Blut aus und kommen außerdem in Milz, Lymphknoten und dem roten Knochenmark vor. Sie tragen keine Membranmoleküle, die B- oder T-Zellen spezifisch erkennen. Sie haben die Fähigkeit, verschiedene infizierte Körperzellen und Tumorzellen abzutöten und greifen dabei jede Zelle an, die abnormale Proteine auf der Zellmembran trägt.

Die Bindung von NK-Zellen an virusinfizierte Zielzellen führt zur Freisetzung von NK-Zellgranula mit ihren toxischen Substanzen. Das Protein Perforin lagert sich z.B. in die Zellmembran der Zielzelle ein und bildet dort Kanäle, um extrazelluläre Flüssigkeit in die Zielzelle hineinströmen zu lassen, bis diese platzt.

Granzym, ein Protein verdauendes Enzym, wird aus anderen NK-Zellgranula freigesetzt, welches zur Apoptose und Selbstzerstörung der Zielzellen führt. Es werden allerdings nur die infizierten Zellen zerstört, nicht aber die Mikroorganismen in den Zellen. Die Mikroorganismen werden anschließend von Phagozyten aufgenommen und entfernt.

Komplementsystem

Das Komplementsystem besteht aus über 30 Proteinen, die von der Leber produziert werden und im Blutplasma sowie in den Geweben des ganzen Körpers zu finden sind. Es wird auch Verteidigungssystem genannt, da die Proteine Mikroorganismen zerstören, indem sie Phagozytose, Zytolyse und Entzündungen auslösen.

Mit einem C werden die meisten Komplementproteine bezeichnet, die entsprechend ihrer Entdeckung von C1 bis C9 nummeriert sind. Sie liegen in einem inaktiven Zustand vor, bis sie zur Aktivierung enzymatisch in aktive Fragmente gespalten werden. So werden die aktiven Fragmente mit den Kleinbuchstaben a und b bezeichnet, die die Zerstörungsreaktion durchführen.

Bsp:

  • Inaktives Komplementprotein C3
  • Aktives Komplementprotein C3a und C3b

Weitere Komplementproteine werden als Faktor B, D und P (Properdin) bezeichnet.

Kaskadenartig wird das Komplementsystem aktiviert, d.h. eine Reaktion löst eine andere Reaktion aus, die eine weitere induziert. Der Effekt wird mit jeder weiteren Reaktion verstärkt.

Die Aktivierung kann über drei verschiedene Wege erfolgen, es kommt jedoch immer zur Aktivierung von C3. Über folgende Wege kann C3 aktiviert werden:

  • Klassischer Aktivierungsweg
    • Dieser Weg beginnt mit der Bindung eines Antikörpers an ein Antigen und der Antigen-Antikörper-Komplex bindet und aktiviert C1. C3 wird wird schließlich aktiviert, gespalten und die C3-Fragmente leiten Phagozytose, Zytolyse und eine Entzündung ein.
  • Alternative Aktivierungsweg
    • Ohne Beteiligung von Antikörpern findet der alternative Aktivierungsweg statt. Eingeleitet wird dieser Weg durch die Interaktion von Lipid-Kohlenhydrat-Komplexen auf der Oberfläche von Mikroorganismen mit den Komplementfaktoren B, D und P.
  • Lektin-Aktivierungsweg
    • Beim Lektin-Aktivierungsweg werden Mikroorganismen von Makrophagen verdaut und Faktoren freigesetzt, die eine Produktion von Lektinen in der Leber induzieren. An der Oberfläche von Mikroorganismen binden die Lektine und führen zur Aktivierung von C3.

Wenn das Komplementsystem aktiviert ist, wird das aktive C3 durch Proteine im Blut und auf Körperzellen abgebaut und somit wird die zerstörende Wirkung sehr schnell wieder angehalten und der Schaden für die Körperzellen wird begrenzt.

Beliebte Prüfungsfragen zu den Zellen des Immun- & Komplementsystems

Die Antworten befinden sich unterhalb der Quellenangabe.

1. Welche drei Zelltypen haben die Fähigkeit der Phagozytose?

  1. Eosinophilen Granulozyten, basophilen Granulozyten und Makrophagen
  2. Eosinophilen Granulozyten, neutrophilen Granulozyten und Makrophagen
  3. Eosinophilen Granulozyten, neutrophilen Granulozyten und natürliche Killerzellen
  4. Basophilen Granulozyten, Makrophagen und natürliche Killerzellen
  5. Neutrophilen Granulozyten, Mastzellen und Makrophagen

2. Welche aktive Zelle entwickelt sich zu einem Klon von Antikörper produzierenden Plasmazellen?

  1. Monozyten
  2. Thrombozyten
  3. T-Lymphozyten
  4. B-Lymphozyten
  5. Eosinophile Granulozyten

3. Welche Antwort zu T-Lymphozyten ist falsch?

  1. Antigenbindung an einen Rezeptor führt ohne zusätzliche Co-Stimulation zu einem verlängerten Zustand der Untätigkeit (Anergie).
  2. T- Zellrezeptoren (TCR) erkennen und binden spezifische Fremdantigenfragmente.
  3. Millionen von verschiedenen T-Zellen mit demselben TCR befinden sich in unserem Körper, der einen spezifischen Antigen-HLA-Komplex erkennt.
  4.  Zur Antigenerkennung sind oftmals Co-Rezeptoren nötig.
  5. Eine Aktivierung einer T-Zelle erfolgt erst, wenn sie an ein Fremdantigen bindet und ein zweites Signal als Co-Stimulation erhält.

 



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