Immunbiologie und Neurobiologie – Zusammenfassung

5. Immunbiologie

Das Immunsystem schützt den Körper vor schädlichen Einflüssen (Pathogenen). Körperfremde Stoffe werden als exogen, körpereigene als endogen bezeichnet. Mechanische Barrieren wie die Haut verhindern das Eindringen von Pathogenen. Wenn diese Barrieren überwunden werden, wird die Immunabwehr aktiviert.

5.1 Barrieren

Mechanische Barrieren verhindern das Eindringen von Fremdkörpern und transportieren Pathogene ab. Diese Barrieren sind Teil der unspezifischen Abwehr:

• Haut: Erste Barriere mit Säureschutzmantel, Mikroorganismen, Talg und Schweiß, die das Wachstum von Pathogenen hemmen.

• Schleimhaut, Atemwege: Binden und transportieren Pathogene ab.

• Augen, Mundhöhle: Tränen und Speichel binden und transportieren Pathogene ab. Sie enthalten auch das antimikrobielle Enzym Lysozym.

• Magen: Magensäure tötet Eindringlinge ab oder hemmt ihr Wachstum.

• Darm: Darmflora hemmt das Wachstum von Pathogenen. Die Entleerung des Darms transportiert diese ab.

• Harntrakt: Spült Eindringlinge aus.

Blut

Blut transportiert Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) durch rote Blutkörperchen, Nährstoffe, Abbauprodukte, Zellen und Moleküle des Immunsystems sowie Hormone.

Zusammensetzung des Blutes

Blutkörperchen sind in der Blutflüssigkeit suspendiert. Die Zellzusammensetzung des Blutes kann unter dem Mikroskop untersucht werden, wobei rote (Erythrozyten) und weiße (Leukozyten) Blutzellen sowie Blutplättchen (Thrombozyten) unterschieden werden können. Der Anteil der Blutzellen beträgt ca. 35-45% des Vollbluts, was als Hämatokrit bezeichnet wird.

Blutplasma

Blutplasma ist der Anteil des Blutes nach Abtrennung der Blutkörperchen. Blutserum ist Blutplasma nach der Gerinnung, d.h. ohne Fibrinogen.

• Organische Bestandteile:

  • Plasmaproteine: 6-8 g/100 ml, einschließlich Albumin (ca. 40%, in der Leber gebildet), α-, β- und γ-Globuline. γ-Globuline sind hauptsächlich Immunglobuline (=Antikörper) für die Körperabwehr. Die Plasmaproteine erhalten den kolloidosmotischen Druck aufrecht und verhindern die Ödembildung.

  • Aminosäuren, Blut-Harnstoff-Stickstoff (BUN; Abbauprodukt des Eiweiß-, Nukleinsäuren- und Muskelstoffwechsels).

  • Blutglukose (Blutzucker) für Energiegewinnung.

  • Lipide (Blutfette).

  • Enzyme, Hormone, Botenstoffe, Vitamine, Farbstoffe.

• Mineralbestandteile:

  • Na (Natrium), Cl (Chlor), Ca (Calcium), P (Phosphate), K (Kalium), Mg (Magnesium).

• Spurenelemente:

  • Fe (Eisen), Cu (Kupfer), Se (Selen), Zn (Zink).

Blutzellen

• Erythrozyten (rote Blutkörperchen): Transportieren Sauerstoff von der Lunge zum Gewebe und Kohlendioxid vom Gewebe zur Lunge durch Hämoglobin. Sie sind ca. 4-7 µm groß, bikonkav, rund und kernlos. Ihre Zahl beträgt je nach Tierart 5-15 Millionen/µl.

• Hämoglobin: Erythrozyten bestehen aus ca. 70% Wasser (H_2O) und 30% Hämoglobin. Hämoglobin besteht aus einem Porphyrinring mit einem zentralen Eisen-Atom und einer Globinkette. Hämoglobin (Hb) kann Sauerstoff leicht aufnehmen und abgeben. Es befindet sich in den Erythrozyten, um das Blut nicht zu dickflüssig zu machen.

• Leukozyten (weiße Blutkörperchen): Beteiligt an der Immunabwehr, ca. 5000-15000/µl Blut. Es wird zwischen polymorphkernigen Leukozyten (Granulozyten) und mononukleären Leukozyten unterschieden.

  • Granulozyten: Fähigkeit zur Lokomotion, Durchdringen von Kapillarwänden, Phagozytose und Digestion. Teil der angeborenen Körperabwehr. Neutrophile Granulozyten sind bei Infektionsbeginn vermehrt im Blut vorhanden.

  • Mononukleäre Leukozyten: Monozyten/Makrophagen, Dendritische Zellen und Lymphozyten.

    • Monozyten/Makrophagen: Werden im Knochenmark gebildet und entwickeln sich nach Aktivierung zu Makrophagen, die ins Gewebe wandern, Keime aufnehmen, verdauen und Peptide über MHC-Moleküle den T-Lymphozyten präsentieren. Diese Interaktion kann zur Aktivierung von Lymphozyten führen.

    • Dendritische Zellen: Überwachen den Körper auf Eindringlinge, nehmen diese auf, prozessieren sie und präsentieren sie über MHC-Moleküle den T-Zellen. Wichtiges Bindeglied zwischen angeborener und adaptiver Immunantwort.

    • Lymphozyten: Dienen der hochspezifischen Körperabwehr. Vermehrt in der Blutbahn gegen Ende einer Infektion, vermindert bei Stress. Vermehrung im lymphatischen Gewebe (Lymphknoten, Lymphfollikel von Milz und Peyer-Plaques). Zu den Lymphozyten gehören Natürliche Killer (NK) Zellen, T- und B-Lymphozyten. NK-Zellen gehören zum angeborenen Immunsystem und töten hauptsächlich virusinfizierte Zellen und Tumorzellen. T- und B-Lymphozyten gehören zum adaptiven Immunsystem. T-Lymphozyten können entweder virus-infizierte Zellen und Tumorzellen töten (zytolytische T-Zellen) oder sind an der Immunregulation beteiligt (T-Helferzellen). B-Lymphozyten entwickeln sich zu Antikörper-produzierenden Plasmazellen. T- und B-Lymphozyten erkennen Antigene. Bei Kontakt mit Antigenen kommt es zur Vermehrung und Entwicklung spezifischer Funktionen.

• Thrombozyten (Blutplättchen): Kleinste zelluläre Elemente des Blutes (ca. 3-5 µm), Zellteile. Werden im Knochenmark gebildet und sind Abschnürungen von Megakaryozyten. Besitzen Gerinnungsfaktoren, die wichtig für die Blutgerinnung sind. Bei Verletzung von Blutgefäßen kommt es zur Anheftung (Adhäsion) und Verklumpung (Aggregation).

Blutstillung

Zum Verschluss verletzter Blutgefäße kommt es durch:

• Gefäßverengung

• Bildung eines Thrombus (Pfropfen) aus verklumpten Thrombozyten und vernetzten Proteinen. Dieser Vorgang wird als Blutgerinnung bezeichnet. Ein Großteil dieser Proteine wird in der Leber gebildet.

• Blutgerinnungshemmende Stoffe:

  • Heparin: Hemmt die Vernetzung der Gerinnungsproteine.

  • Zitrat, Oxalat, EDTA: Binden Kalziumionen, die für die Aktivierung der Vernetzung von Proteinen benötigt werden, wodurch die Blutgerinnung gehemmt wird.

  • Blutverdünner bewirken eine verminderte Gerinnungsneigung.

  • Gifte verhindern die Blutgerinnung im Körper.

  • Vitamin-K-Antagonisten: Hemmen die Bildung von Gerinnungsfaktoren in der Leber und bewirken spontane Blutungen.

Lymphatisches System

Das lymphatische System besteht aus den lymphatischen Organen und dem Lymphgefäßsystem. Es steht in enger Beziehung zum Blutkreislauf und ist wichtig für den Flüssigkeitstransport.

Es handelt sich nicht um ein Kreislaufsystem. Gewebsflüssigkeit fließt in Lymphgefäße und wird Lymphflüssigkeit (Lymphe) genannt. Die Lymphe und darin enthaltene Keime und Immunzellen gelangen zu Lymphknoten. Hier sitzen T- und B-Zellen, die die Lymphe nach spezifischen Antigenen durchsuchen. T-Zellen werden diese Antigene durch antigenpräsentierende Zellen präsentiert. B-Zellen können ihr spezifisches Antigen direkt in der Lymphflüssigkeit finden. Die Lymphknoten bilden eine Art von Filterstationen. Nach der Filtration münden die Lymphgefäße in den venösen Blutkreislauf. Die Lymphflüssigkeit bildet das Zwischenglied zwischen Gewebsflüssigkeit und Blut. Lymphknoten befinden sich überall im Körper, außer im zentralen Nervensystem. Sie treten gehäuft im Halsbereich, den Achseln, in der Leistengegend sowie im Brust- und Bauchraum auf. Neben der Filtrationsaufgabe sind die lymphatischen Organe wesentlich für die Entwicklung und Vermehrung von Lymphozyten verantwortlich.

Gehirn und Rückenmark sind zum besonderen Schutz vom lymphatischen System ausgespart.

Abwehr von Krankheitserregern

Es wird zwischen angeborener und erworbener (adaptiver) Abwehr unterschieden. Beide untergliedern sich in zelluläre und humorale Komponenten. Die Gesamtheit der Abwehrreaktionen wird als Immunantwort bezeichnet. Körperfremde Stoffe, die eine Immunantwort auslösen können, werden als Antigene bezeichnet.

Angeborene Abwehr

Die angeborene Abwehr besteht aus zellulären und humoralen Komponenten. Sie richtet sich gegen jeden eindringenden Erreger und muss nicht passgenau sein. Eindringlinge werden von Makrophagen und dendritischen Zellen über Rezeptoren auf der Zelloberfläche erkannt. Diese Rezeptoren erkennen Strukturen auf bestimmten Erregergruppen, z.B. Lipopolysaccharid (LPS) auf Gram-negativen Bakterien. Makrophagen und dendritische Zellen werden durch diese Rezeptoren aktiviert und setzen Botenstoffe frei, was eine weitere Einwanderung von Makrophagen und Granulozyten ins infizierte Gewebe bewirkt. Diese beginnen dann mit der Phagozytose. Die Wände der Blutgefäße werden durch die Botenstoffe aktiviert, klebriger und durchlässiger für Flüssigkeiten, Proteine und andere Immunzellen. Hierdurch kommt es zu Entzündungszeichen. Die angeborene Abwehr reagiert sehr rasch, bildet aber kein immunologisches Gedächtnis aus. Zellulär erfolgt die angeborene Abwehr hauptsächlich durch Phagozytose. Granulozyten, Monozyten/Makrophagen und dendritische Zellen sind zur Phagozytose fähig. Monozyten/Makrophagen und dendritische Zellen präsentieren Teile der aufgenommenen Erreger den Zellen der adaptiven Abwehr. NK-Zellen erkennen, ob Körperzellen von Erregern befallen oder sonst verändert sind und töten diese ab. Humoral beinhaltet die angeborene Abwehr Plasmaproteine, die die Zellwand von Bakterien angreifen. Das bei der Komplementreaktion gebildete Eiweiß Opsonin bereitet die Bakterienoberfläche für die Phagozytose vor. Von Leukozyten werden Zytokine (wie Interleukine) gebildet, die das Wachstum und die Vermehrung der Leukozyten anregen und Entzündungsreaktionen bewirken.

Adaptive Abwehr

Die adaptive (erworbene) Immunantwort ist speziell auf den jeweiligen Eindringling zugeschnitten und wird aktiviert, wenn ein Pathogen die angeborene Abwehr besonders stark herausgefordert hat. Die Träger der erworbenen Immunantwort sind die T- und B-Lymphozyten. Diese reagieren hochspezifisch auf einen eindringenden Erreger. Die angeborene Immunantwort ist maßgeblich an der Aktivierung der adaptiven Immunabwehr beteiligt. Sie braucht länger (mehrere Tage) bis sie effektiv gegen Erreger vorgehen kann. Es kann länger als eine Woche dauern bis schützende Antikörper in ausreichender Menge vorhanden sind, um den Erreger zu neutralisieren und den Organismus zu schützen. Dieser Zeitraum wird von der angeborenen Abwehr überbrückt. Die adaptive Abwehr erkennt spezifische Strukturen auf Erregern entweder in freier Form wie die B-Lymphozyten oder als Teile des Erregers, die über MHC-Moleküle den T-Lymphozyten nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip präsentiert werden. Zelluläre adaptive Immunantwort Die Zellen der adaptiven Immunabwehr (T- und B-Lymphozyten) werden im Knochenmark gebildet. Diese vorerst inkompetenten Vorläuferzellen durchgehen einen Reifungsvorgang, der sie zu immunkompetenten Lymphozyten macht. Bei B-Lymphozyten findet dieser Reifungsvorgang im Knochenmark statt (oder bei Vögeln in der Bursa Fabricii, dem Namensgeber der B-Zellen). Die T-Lymphozyten vollenden ihre Reifung im Thymus (Bries). Dieses Organ gibt den T-Zellen ihren Namen. Nach Verlassen des Thymus durchkreisen T-Zellen den Körper über Blut und Lymphe. T-Lymphozyten können in zytolytische T-Lymphozyten und Helfer-T-Lymphozyten unterschieden werden. Beim ersten Antigenkontakt werden sie aktiviert. Die zytolytischen T-Lymphozyten können mit fast allen Körperzellen interagieren und z.B. virus-infizierte Körperzellen abtöten. Helfer-T-Lymphozyten sind wichtige Regulatoren und Stimulatoren der Immunantwort. Sie haben unterschiedliche Funktionen bei der Bekämpfung intrazellulärer und extrazellulärer Erreger sowie auch bei der Regulation, um eine überschießende oder andauernde Immunantwort zu verhindern. Dies geschieht hauptsächlich durch die Produktion bestimmter Zytokine. Ein Teil von ihnen stimuliert und aktiviert aber auch B-Lymphozyten und trägt dadurch essenziell zur Antikörperproduktion bei. Hierfür differenzieren B-Lymphozyten zu Plasmazellen, die dann große Mengen an Antikörper produzieren und ins Blut abgeben. Die Produktion von Antikörpern wird als humorale adaptive Immunantwort bezeichnet. Wurde der eingedrungene Erreger erfolgreich beseitigt, so wird der größte Anteil, der bei der Abwehrreaktion gebildeten Zellen abgebaut. Ein Teil der T- und auch der B-Lymphozyten wird nach Beendigung einer Infektion zu Gedächtniszellen. Diese Gedächtnis T- und B-Lymphozyten sind sehr langlebige Zellen und ermöglichen bei einem zweiten Kontakt mit dem gleichen Antigen eine raschere und stärkere Reaktion. Dieser Mechanismus des "immunologischen Gedächtnisses" ist die Grundlage der aktiven Immunisierung (= Impfung). Humorale adaptive Immunantwort Wie die Zellen der angeborenen Immunantwort, produzieren auch T- und B-Lymphozyten Zytokine, die die Immunreaktion regulieren. Diese Zytokine gehören zur humoralen Immunantwort. Neben den Zytokinen sind allerdings die von Plasmazellen produzierten Antikörper ein essenzieller Bestandteil der adaptiven humoralen Immunantwort. Wie oben erwähnt, entwickeln sich B-Zellen nach Aktivierung zu Antikörper-produzierenden Plasmazellen. Diese Plasmazellen produzieren große Mengen an Antikörpern und geben diese an ihre Umgebung, wie z.B. ins Blutplasma ab. Von dort werden die Antikörper durch den Körper transportiert, um spezifisch an entsprechende Erreger oder Toxine zu binden. Die Bindung der Antikörper ist hoch-spezifisch und kann Erreger für Phagozytose oder Neutralisation kennzeichnen. Durch Gedächtnis-B-Zellen und langlebende Plasmazellen erfolgt die Produktion dieser Antikörper über die Infektion hinaus und kann dadurch den Körper gegen zukünftige Infektionen durch diesen Erreger schützen.

Immunisierung bzw. Impfung

Es wird in eine aktive und passive Immunisierung unterschieden

• Aktive Immunisierung = Impfung: Verabreichung von inaktivierten oder abgeschwächten Krankheitserregern oder Teilen davon. Führt zu einer verstärkten Immunantwort (Boosterung) bei erneuten Kontakt mit dem Erreger. Der Impfschutz ist erst nach 2-3 Wochen voll wirksam.

• Passive Immunisierung: Injektion von Antikörpern (Immunglobulinen) gegen einen Erreger bei Infektionsverdacht oder prophylaktisch. Der Schutz nimmt nach wenigen Wochen ab. Ein dauerhafter Schutz wird nur bei aktiver Immunisierung erreicht.

Allergie ist eine Immunreaktion gegen unschädliche Strukturen (Allergene), bei der eine besondere Klasse von Antikörpern gebildet wird. Es werden zwei Phasen unterschieden:

• Sensibilisierung: Erstkontakt mit einem neuen Antigen, der eine Immunantwort auslöst, bei der Gedächtniszellen gebildet werden.

• Krankheitssymptome: Gedächtniszellen bzw. Antikörper verursachen bei jedem weiteren Kontakt eine heftige Reaktion.

  • Soforttyp der allergischen Reaktion: Tritt sehr rasch ein, Botenstoffe werden freigesetzt, die Blutgefäßwände schädigen, Juckreiz und Schwellung auslösen können (z.B.: Bienenstichallergie, Asthma, Blasenbildung auf der Haut, anaphylaktischer Schock).

  • Verzögerter Typ der allergischen Reaktion: Dauert länger (bis zu Tagen), T-Lymphozyten wandern zum Antigen ins Gewebe, und das umliegende Gewebe wird zum Teil zerstört. Es treten z.B. Ausschläge auf.

Blutgruppen

Erythrozyten (rote Blutkörperchen) tragen an ihrer Oberfläche unterschiedliche Moleküle (Antigene). Am bekanntesten ist das menschliche AB0-Blutgruppensystem:

• Blutgruppe 0: Keine A- oder B-Moleküle.

• Blutgruppe A: Molekül A.

• Blutgruppe B: Molekül B.

• Blutgruppe AB: Moleküle A und B.

Im Laufe der ersten Lebensmonate entstehen beim Menschen Antikörper gegen die A/B Moleküle, die der betreffende Mensch nicht besitzt. Wird das Spenderblut nicht mit dem Empfänger abgestimmt, können Antikörper des Empfängers mit diesen A/B Molekülen reagieren und zum Verklumpen der Erythrozyten führen – es kommt zur Agglutination. Da die im Spenderblut enthaltenen Antikörper vom Empfängerblut verdünnt werden, spielen sie meist nur eine geringe Rolle. Daher kann Blut der Blutgruppe 0 von Trägern jeder Blutgruppe empfangen werden (Universalspender). Die Blutgruppe AB kann wiederum jede Blutgruppe empfangen, da sie weder Antikörper gegen Blutgruppe A noch gegen B enthält (Universalempfänger).