Komponenten des Immunsystems

Das Immunsystem kann in zwei Hauptsubsysteme unterteilt werden: das angeborene/allgemeine Abwehrsystem und das adaptive System. Sowohl das angeborene System als auch das adaptive System stehen in ständiger Wechselwirkung miteinander, um eine wirksame Immunantwort zu gewährleisten.

Das angeborene Immunsystem oder die allgemeine Abwehr umfasst eine Vielzahl von Schutzmaßnahmen, die ständig funktionieren und eine erste Verteidigungslinie gegen Krankheitserreger bilden. Diese Reaktionen sind jedoch nicht spezifisch für einen bestimmten Krankheitserreger. Stattdessen sind die angeborenen Immunzellen spezifisch für konservierte molekulare Muster, die auf allen Mikroorganismen zu finden sind. Dadurch wird verhindert, dass das angeborene Immunsystem versehentlich Wirtszellen erkennt und angreift. Dies verhindert jedoch, dass die angeborenen Immunantworten ihre Reaktionen bei wiederholter Exposition gegenüber demselben Krankheitserreger verbessern. Mit anderen Worten, das angeborene Immunsystem hat kein Gedächtnis.

Die schützenden Abwehrkräfte des angeborenen Immunsystems beginnen mit den anatomischen Barrieren wie intakter Haut und Schleimhäuten, die das Eindringen vieler Mikroorganismen und toxischer Stoffe verhindern. Die Haut verfügt außerdem über ein saures Milieu mit einem pH-Wert von 3-5, das das Wachstum von Mikroorganismen hemmt. Darüber hinaus konkurrieren die normalen Mikroorganismen oder die Flora, die die Haut und die Schleimhäute bewohnen, mit anderen Mikroorganismen um Nährstoffe und Anheftungsstellen. Außerdem helfen der Schleim und die Flimmerhärchen auf den Schleimhäuten dabei, Mikroorganismen abzufangen und aus dem Körper zu befördern.

Zudem umfasst das angeborene Immunsystem physiologische Barrieren wie die normale Körpertemperatur, Fieber, Magensäure, Lysozym, Interferon und Kollektine. Der normale Körpertemperaturbereich hemmt eine Vielzahl von Mikroorganismen, und die Entwicklung von Fieber kann viele dieser pathogenen Organismen zusätzlich hemmen. Die Magensäure des Magens ist ebenfalls sehr wirksam bei der Beseitigung vieler aufgenommener Mikroorganismen. Lysozym, ein hydrolytisches Enzym, das in Tränen und Schleimsekreten vorkommt, kann die Peptidoglykanschicht der bakteriellen Zellwand spalten und so den Mikroorganismus lysieren. Interferon(e), zu denen eine Gruppe von Proteinen gehört, die von virusinfizierten Zellen produziert werden, können an nicht infizierte Zellen binden und einen allgemeinen antiviralen Zustand erzeugen. Kollektine sind oberflächenaktive Proteine, die im Serum, in Lungensekreten und auf Schleimhautoberflächen vorkommen. Sie können bestimmte pathogene Mikroorganismen direkt abtöten, indem sie deren Lipidmembranen zerstören, oder indirekt, indem sie Mikroorganismen verklumpen, um ihre Anfälligkeit für Phagozytose zu erhöhen.

Die Komplementwege sind ebenfalls Teil der Abwehrmaßnahmen des angeborenen Immunsystems. Es gibt drei Komplementwege. Der klassische Weg wird ausgelöst, wenn IgM-Antikörper oder bestimmte IgG-Antikörperunterklassen Oberflächenmarker/Antigene auf Mikroorganismen binden. Der alternative oder Properdin-Weg wird durch die Ablagerung des Komplementproteins C3b auf mikrobiellen Oberflächen ausgelöst und erfordert keine Antikörper zur Aktivierung. Der dritte Weg, der Lektinweg, wird durch die Anlagerung von mannosebindendem Lektin (MBL) aus dem Plasma an Mikroben ausgelöst und erfordert keine Antikörper für die Aktivierung. Diese drei Wege verschmelzen zu einem gemeinsamen Weg, der zur Bildung des Membranangriffskomplexes führt, der Poren in der Membran der Zielzellen bilden kann. Die Komplementwege sind auch an der Opsonisierung (oder der erhöhten Anfälligkeit) partikulärer Antigene für die Phagozytose und an der Auslösung einer lokalen Entzündungsreaktion beteiligt.

Die Entzündungsreaktion ist ein weiterer wesentlicher Bestandteil der angeborenen Immunantwort. Die Entzündungsreaktion ist die Reaktion des Körpers auf das Eindringen eines infektiösen Erregers, eine antigene Herausforderung oder jede Art von physischem Schaden. Die Entzündungsreaktion lässt Produkte des Immunsystems in den Bereich der Infektion oder Schädigung eindringen und ist durch die wichtigsten Anzeichen wie Rötung, Hitze, Schmerz, Schwellung und Funktionsverlust gekennzeichnet.

Zusätzlich zu den anatomischen und physiologischen Mechanismen gibt es auch Mustererkennungsrezeptoren oder PRRs, die zur angeborenen Immunreaktion beitragen. Mustererkennungsrezeptoren sind nicht spezifisch für ein bestimmtes Pathogen oder Antigen, können aber eine schnelle Reaktion auf Antigene bewirken. PRRs werden als Membranproteine eingestuft, weil sie mit der Zellmembran verbunden sind und in allen Membranen der Zellen des angeborenen Immunsystems zu finden sind. Obwohl es mehrere hundert Varianten gibt, werden alle Gene der PRRs in der Keimbahn kodiert, um eine begrenzte Variabilität in ihren molekularen Strukturen zu gewährleisten. Beispiele für PRRs sind MBL, pulmonales Surfactant-Protein, C-reaktives Protein, Toll-like-Rezeptoren (TLRs), C-Typ-Lektin, NOD und MX. Die PRRs erkennen PAMPs oder pathogenassoziierte molekulare Muster, die die Freisetzung von Zytokinen auslösen können. Beispiele für PAMPs sind LPS (Endotoxin), Peptidoglykan (Zellwände), Lipoproteine (bakterielle Kapseln), hypomethylierte DNA (CpG in Bakterien und Parasiten), doppelsträngige DNA (Viren) und Flagellin (bakterielle Geißeln). Diese Antigene werden von Mikrobenzellen und nicht von menschlichen Zellen produziert. Die Erkennung von PAMPs durch PRRs führt zur Komplementaktivierung, Opsonisierung, Zytokinfreisetzung und Phagozytenaktivierung.

Schließlich sind auch die mononukleären Phagozyten und granulozytären Zellen wichtig für die angeborene Reaktion und tragen dazu bei, die angeborene Immunantwort mit der adaptiven Immunantwort zu verbinden. Zu den mononukleären Fresszellen gehören die Monozyten, die im Blut zirkulieren, und die Makrophagen, die sich in den Geweben befinden. Monozyten und Makrophagen sind von großer Bedeutung für die Antigenpräsentation, die Phagozytose, die Zytokinproduktion und die antimikrobiellen und zytotoxischen Aktivitäten.

Nach der Reifung der Monozyten zirkulieren die Monozyten etwa 8 Stunden lang im Blut, wandern dann in das Gewebe und differenzieren sich in spezifische Gewebemakrophagen oder in dendritische Zellen. Es gibt mehrere Arten von dendritischen Zellen, die an verschiedenen Aspekten der Immunfunktionen beteiligt sind. Viele dendritische Zellen sind wichtig für die Präsentation von Antigenen an T-Helferzellen. Follikuläre dendritische Zellen kommen jedoch nur in Lymphfollikeln vor und sind an der Bindung von Antigen-Antikörper-Komplexen in den Lymphknoten beteiligt.

Zu den granulozytären Zellen gehören Neutrophile, Eosinophile und Basophile/Mastzellen. Neutrophile sind hochaktive phagozytische Zellen, die in der Regel zuerst an einem Entzündungsherd eintreffen. Eosinophile sind ebenfalls phagozytierende Zellen; sie sind jedoch wichtiger für die Abwehr von Parasiten. Basophile im Blut und Mastzellen im Gewebe setzen Histamin und andere Stoffe frei und spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Allergien.

Das angeborene System kann in der Lage sein, den Krankheitserreger ohne weitere Unterstützung durch das adaptive System zu beseitigen; oder das angeborene System kann das adaptive Immunsystem dazu anregen, sich an der Beseitigung des Krankheitserregers zu beteiligen.

Im Gegensatz zum angeborenen Immunsystem sind die Aktionen des adaptiven Immunsystems spezifisch für den jeweiligen Krankheitserreger. Diese Reaktion dauert länger als die angeborene Reaktion. Allerdings verfügt das adaptive Immunsystem über ein Gedächtnis, was bedeutet, dass das adaptive Immunsystem bei jeder weiteren Exposition schneller auf den jeweiligen Erreger reagiert.

Die adaptive Immunantwort besteht aus B-Zellen/Antikörpern und T-Zellen. Dies sind die beiden Arme des adaptiven Immunsystems. Die B-Zellen und Antikörper bilden die humorale Immunität oder antikörpervermittelte Immunität, die T-Zellen die zellvermittelte Immunität. Natürliche Killerzellen gehören wie B- und T-Zellen zur Lymphozytenlinie, sind jedoch nur an der angeborenen Immunantwort beteiligt.

Der erste Zweig des adaptiven Immunsystems ist die humorale Immunität, die gegen extrazelluläre Krankheitserreger und Toxine wirkt. Die B-Zellen werden im Knochenmark gebildet und wandern dann zu den Lymphknoten. In den Lymphknoten reifen die naiven B-Zellen weiter und sind den Krankheitserregern ausgesetzt, die sich in dem jeweiligen Lymphknoten befinden. Im Gegensatz zu T-Zellen können B-Zellen Antigene in ihrer nativen Form erkennen, was bedeutet, dass B-Zellen Antigene erkennen können, ohne dass das Antigen von einer Antigen-präsentierenden Zelle verarbeitet und dann von einer T-Helferzelle präsentiert werden muss. Diese Antigene werden als T-unabhängige Antigene bezeichnet, da eine T-Zell-Aktivierung nicht erforderlich ist, um die B-Zellen zu aktivieren. Beispiele für diese T-unabhängigen Antigene sind Lipopolysaccharid, Dextran und bakterielles polymeres Flagellin. Diese Antigene sind in der Regel große polymere Moleküle mit sich wiederholenden antigenen Determinanten. Diese Antigene können ebenfalls zahlreiche B-Zellen zur Aktivierung veranlassen; die Immunantwort ist jedoch schwächer und die Induktion eines Gedächtnisses ist schwächer als bei der Aktivierung von T-Helferzellen. Im Gegensatz dazu führt die Aktivierung von B-Zellen mit der Aktivierung von T-Helferzellen zu einer viel besseren Immunantwort und einer effektiveren Erinnerung. Diese langfristige, wirksame Immunantwort ist die Art von Reaktion, die das Ziel von Impfungen ist. Mit der Bindung des Antigens an die Fab-Region auf dem B-Zell-Rezeptor und der sekundären Signalisierung durch Zytokine, die von T-Helferzellen freigesetzt werden, beginnen die B-Zellen mit der somatischen Hypermutation an der Fab-Region, wodurch die entsprechende Passung zwischen der Fab-Region und dem Antigen weiter erhöht wird. Dieser Prozess stimuliert dann die B-Zelle(n) zur Reifung zu einer Plasmazelle(n), die dann mit der Produktion des speziellen Antikörpers mit der besten Übereinstimmung mit dem Antigen beginnt.

Aus diesen stimulierten B-Zellen entstehen Klone von B-Zellen mit der Spezifität für das spezielle Antigen. Diese Zellen können zu Plasmazellen werden, die Antikörper produzieren, oder zu Gedächtniszellen, die in den Lymphknoten verbleiben, um eine neue Immunreaktion auf das betreffende Antigen zu stimulieren. Dies geschieht während der primären Immunantwort, wenn das Immunsystem zum ersten Mal mit einem bestimmten Antigen in Kontakt kommt.

Dieser Prozess der klonalen Selektion und Expansion dauert mehrere Tage und umfasst in erster Linie die Produktion von IgM. IgM ist der erste Antikörper, der während einer primären Immunreaktion gebildet wird.

Wenn die Immunreaktion fortschreitet, beginnen die aktivierten Plasmazellen mit der Produktion von IgG, das spezifisch für das jeweilige Antigen ist. Obwohl IgM der erste Antikörper ist, der produziert wird, und ein viel größerer Antikörper ist, ist IgG ein besser neutralisierender Antikörper. IgG bindet effektiver an das Antigen und hilft bei der Opsonisierung.

Übrigens können auch andere Antikörper von Plasmazellen produziert werden. Zu diesen Antikörpern gehören IgD, IgA und IgE. IgD kommt hauptsächlich als Rezeptor auf der Oberfläche reifer B-Zellen vor. IgA ist der Antikörper, der in Sekreten wie Schleim, Speichel, Tränen und Muttermilch vorkommt, und IgE ist der Antikörper, der bei allergischen Reaktionen und parasitären Infektionen beteiligt ist. Der wichtigste Antikörper für Impfstoffe ist jedoch IgG.

Mit den Gedächtniszellen, die bei der primären Immunantwort gebildet wurden, führt jede weitere Exposition gegenüber dem Antigen zu einer schnelleren und wirksameren sekundären Immunantwort. Bei dieser sekundären Immunantwort ist die Reaktion schneller, größer und besteht hauptsächlich aus IgG.

Der andere Zweig der adaptiven Immunität, die zellvermittelte Immunität, wirkt hauptsächlich gegen intrazelluläre Krankheitserreger. T-Zellen reifen im Thymus und werden dann in den Blutkreislauf freigesetzt. Es gibt zwei Haupttypen von T-Zellen, CD4-Zellen und CD8-Zellen.

CD4-Zellen oder T-Helferzellen haben den CD4-Korezeptor und erkennen nur das Protein des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC) II. Das MHC-II-Protein ist auf allen Immunzellen zu finden und dient als Marker für Immunzellen.

CD4-Zellen sind für die Antikörper-vermittelte Immunität und die Unterstützung der B-Zellen bei der Bekämpfung extrazellulärer Krankheitserreger von wesentlicher Bedeutung. Es gibt zwei Untergruppen von CD4-Zellen, Th1 und Th2. Th1-Zellen fördern die zellvermittelte Immunität und Th2-Zellen die antikörpervermittelte Immunität.

CD8-Zellen oder T-zytotoxische Zellen haben den CD8-Korezeptor und erkennen nur das MHC-I-Protein (Major Histocompatibility Complex). Das MHC-I-Protein befindet sich auf allen kernhaltigen Körperzellen mit Ausnahme der reifen Erythrozyten und dient als Marker für Körperzellen. CD8-Zellen sind für die zellvermittelte Immunität und die Bekämpfung intrazellulärer Krankheitserreger unerlässlich.

Im Gegensatz zu B-Zellen können T-Zellen nur Antigene erkennen, die von Antigen-präsentierenden Zellen verarbeitet und präsentiert wurden. Es gibt zwei Arten der Antigenverarbeitung.

Bei der ersten Art der Antigenverarbeitung werden intrazelluläre Antigene zusammen mit MHC-I-Proteinen an die Oberfläche der antigenverarbeitenden Zellen gebunden. Dies geschieht bei viralen Antigenen und Tumorzellen.

Bei der anderen Art der Antigenverarbeitung werden extrazelluläre Antigene zusammen mit MHC-II-Proteinen an die Oberfläche der Antigen-präsentierenden Zellen angeheftet. Dies geschieht bei bakteriellen und parasitären Antigenen.

Nachdem die T-Zelle durch die antigenpräsentierende Zelle aktiviert wurde, beginnt sie, ihre Aufgaben zu erfüllen, je nachdem, ob es sich um eine CD4- oder eine CD8-Zelle handelt. Wie bei B-Zellen findet auch bei aktivierten T-Zellen eine klonale Expansion statt, die zusätzliche Effektor-T-Zellen für die aktuelle Infektion und Gedächtnis-T-Zellen für zukünftige Infektionen mit diesem Antigen hervorbringt.