Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 
 
Abwehrvorgänge (Immunologie)
 
  T-Zellen und Zytokine
 
 
© H. Hinghofer-Szalkay

Apoptose: ἀποπίπτειν = abfallen
bursa Fabricii: Girolamo Fabrizio
Helminthiasis: ἔλμις = (Eingeweide-) Wurm
 Thymus: θυμός = Lebenskraft (Bries)
Pleiotropie: πλείων = mehr, τρόπος = Richtung
 Zytokin: κύτος = Gefäß (Zelle), κίνἔω = antreiben, bewegen
Aus dem Knochenmark wandern Vorläufer der T-Lymphozyten in die Thymusdrüse, wo Thymosine ihre Reifung, Proliferation und Differenzierung zu verschiedenen Lymphozyten-Subsets (Helfer-, regulatorische, zytotoxische, γδ-, natürliche Killer-T-Zellen) steuern.

Junge T-Lymphozyten haben noch keine CD4-, CD8-, oder T-Zell-Rezeptoren, sie sind "doppelt negativ". Im Thymus beginnen sie, diese Faktoren zu exprimieren (CD4+ und CD8+: "doppelt positiv"), und werden für Apoptose-Signale zugänglich: Die meisten gehen zugrunde, sofern sie den positiven und negativen Selektionstest nicht bestehen.

Nur T-Zellen, die peptidbeladene MHC-I und MHC-II-Moleküle an Thymuszellen erkennen, überleben - sie sind immunkompetent ("positive Selektion"). Dann stellen sie die Produktion eines der beiden Korezeptoren (CD4 oder CD8) ein ("einfach positiv") und stellen sich anschließend der "negativen Selektion", d.h. eigene Peptide an MHC-Molekülen dürfen von T-Rezeptoren nicht erkannt werden (Toleranzinduktion).

Reife Lymphozyten verlassen den Thymus und wandern in sekundäre lymphatische Organe ein (Lymphknoten, Milz, Peyer-Plaques, andere lymphatische Gewebe); im Kreislauf halten sie sich jeweils nur für kurze Zeit auf.

    -- Helferzellen sezernieren Zytokine, hormonartige Substanzen, die über spezifische Rezeptoren das Immunsystem koordinieren (Interleukine, Interferone, koloniestimulierende Faktoren);

    -- Suppressorzellen hemmen die Funktion anderer Lymphozyten;

    -- Zytotoxische Zellen zerstören virusinfizierte, Tumor- und Fremdzellen.

Zytokine dienen der Kommunikation und Koordination innerhalb des Immunsystems. Sie haben vielfältige Wirkung; so können Interferone Zellen vor Virusbefall schützen, Interleukine spezifisch Zellgruppen steuern, Tumornekrosefaktor natürliche Killerzellen und Makrophagen aktivieren. Zytokine werden nicht nur von Leukozyten, sondern auch anderen Zellen gebildet (Fibroblasten, Endothel, Epithelzellen).


Übersicht Thymus: Positive und negative Selektion T-Zell-Aktivierung, klonale Expansion und Kontraktion T-Zellen und ihre Rezeptoren "Traditionelle" und "Nicht-traditionelle" Lymphozyten Zytokine  Zytokinrezeptorfamilie Arten von T-Zellen
  
T-Zellen vermitteln zelluläre spezifische Abwehr
 

>Abbildung: T-Lymphozyten-Zirkulation
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Naive T-Zellen wechseln vorwiegend über hochendotheliale Venolen aus dem Blutkreislauf in Lymphknoten (oben). Über efferente Lymphgefäße können sie diese wieder verlassen, ohne notwendigerweise auf Antigene getroffen zu sein.

Antigene gelangen mit dendritischen Zellen - über afferente Lymphgefäße- in Lymphknoten (Mitte). Erkennt eine naive T-Zelle das (mikrobielle) Antigen - d.h., passen ihre Rezeptoren auf den präsentierten MHC-Peptid-Komplex -, wird sie aktiviert.

Aktivierte Zellen vermehren sich, gelangen in den Blutkreislauf und treten dort in das Gewebe aus, wo eine Infektion bzw. Entzündung vorliegt

T-Lymphozyten vermitteln zelluläre Immunität. Sie erkennen mikrobielle oder veränderte körpereigene Antigene - soferne diese auf körpereigenen MHC-Molekülen "präsentiert" werden (>Abbildung; frei gelöste Antigene werden von T-Zellen nicht erkannt). Lymphozyten tragen Antigenrezeptoren auf ihrer Oberfläche. Je nachdem, ob die antigenen Peptide auf MHC-I- oder MHC-II-Molekülen dargeboten werden, wird ein bestimmtes Subset von T-Zellen angesprochen und aktiviert:

      MHC-I-gebundene Peptide stammen im Wesentlichen aus dem Zytosol (proteasomaler Abbauweg) von beliebigen kernhaltigen Zellen und können CD8-positive (zytotoxische) Lymphozyten aktivieren;

      MHC-II-gebundene Peptide sind meist Abbauprodukte endozytierter (extrazellulärer) Antigene, stammen aus dem lysosomalen Abbauweg antigenverarbeitender Zellen und aktivieren CD4-positive (Helfer-) Zellen.

Der Ursprung der präsentierten Antigene ist also im Wesentlichen bei MHC-I intrazellulär, bei MHC-II extrazellulär, und die Funktionsweise der engagierten T-Zellen ist sehr unterschiedlich:
 
      CD8+-Lymphozyten (MHC-I-aktiviert) töten Zellen ab, die intrazelluläre Antigene produzieren (z.B. wenn diese virusinfiziert sind oder Tumorprotein erzeugen), und aktivieren Makrophagen, Antigenträger zu phagozytieren;
 
      CD4+-Lymphozyten hingegen (MHC-II-aktiviert) tragen zur Eliminierung extrazellulärer Antigene bei: Sie helfen Phagozyten dabei, Mikroben (oder infizierte Zellen) zu zerstören; sie aktivieren B-Lymphozyten (Plasmazellen) zur Produktion von Antikörpern, die extrazelluläre Antigene stoppen können; und sie regen Entzündungsvorgänge (vermehrte Durchblutung und Gefäßdurchlässigkeit) an.

Der jeweils betreffende MHC-Weg und die Funktionsweise der dabei aktivierten Lymphozytenart hängen eng miteinander zusammen. Mikrobielle Antigene regen denjenigen Abbauweg an, der jeweils am effizientesten für die Mikrobenabwehr ist.

Neben den Hauptgruppen - CD8+- und CD4+-Lymphozyten - existieren regulatorische, natürliche Killer- und γδ-T-Zellen.
  
Die Rolle des Thymus: Positive und negative Selektion
 
Zu den Organen, die Lymphozyten in großer Zahl beherbergen und beeinflussen, gehören Milz und Thymusdrüse (Bries). Im Thymus reifen Stammzellen zu immunkompetenten (aber noch naiven) T-Zellen heran. Die Vorläufer der T-Zellen entstehen im Knochenmark und wandern dann in die Thymusdrüse, wo Thymosine - mehr als zwei Dutzend Peptide (Thymushormone), insbesondere das Thymosin β4 (Tβ4) - und die spezifische Umgebung (microenvironment) Reifung, Differenzierung und Proliferation der T-Zellen steuern. Thymosine sind Steuerfaktoren, welche verschiedene Aufgaben erfüllen:
   Thymosine regen die Bildung von T-Zell-Vorläufern im roten Knochenmark an,

   steuern die Differenzierung in Helfer-, regulatorische und zytotoxische T-Zellen,

   aktivieren reife T-Zellen in Lymphknoten und Milz.

   Thymosine regulieren die Aktivität von Nerven- und hormonbildenden Zellen, beispielsweise fördert Thymulin die Sekretion von GH, Prolaktin, ACTH, TSH und LH.
 
Die Produktion von Thymosinen nimmt mit zunehmendem Alter (beginnend mit der Adoleszenz) ab und erreicht schon in der 4. Lebensdekade auffallend niedrige Werte.

Die Thymusdrüse ist cholinerg innerviert und hormonell gesteuert (Hypophysenvorderlappen, Nebennieren, Schilddrüse, Gonaden), andererseits beeinflussen thymische Zytokine (wie IL-7) das neuroendokrine System.

 Im Thymus entwickeln sich Helferzellen (Th), regulatorische (TReg) und zytotoxische Zellen (TC):
 
     Helferzellen (CD4+, Th-Zellen) sezernieren Zytokine , welche andere Lymphozyten anregen;

     Zytotoxische Zellen (CTL, CD8+, TC-Zellen) zerstören virusinfizierte, Tumor- und Fremdzellen;

     Regulatorische Zellen (TReg) - früher auch Suppressorzellen - hemmen Induktion und Proliferation von Effektorzellen (Th, TC).

Die reifen Zellen verlassen den Thymus und wandern in sekundäre lymphatische Organe ein (Lymphknoten, Milz, Peyer-Plaques, etc). Anschließend werden sie fallweise in den Kreislauf entlassen und nehmen von dort aus ihre spezifischen Funktionen wahr.
 
Restringierter Zugang in das Thymusgewebe: Im Gegensatz zur Milz ("freier Eintritt") ist der Eintritt von Blutkörperchen in den Thymus restringiert:



Junge T-Lymphozyten aus dem Knochenmark - ohne CD4, CD8, oder T-Zell-Rezeptor (TCR) in ihrer Membran ("doppelt negativ") - betreten den Zentralbereich des Thymus, wandern in den Kortex, proliferieren, beginnen TCR und Kofaktoren zu exprimieren (CD4 und CD8, "doppelt positiv" - Abbildung unten) und werden für Apoptose-Signale zugänglich.
   

<Abbildung: Reifung und Selektion von T-Zellen im Thymus
Nach: Klein L et al, Antigen presentation in the thymus for positive selection and central tolerance induction. Nature Rev Immunol 2009; 9, 833-44
In der Rinde erfolgt zuerst positive Selektion, d.h. die geprüften T-Zellen müssen sowohl auf MHC-I-Peptidkomplexe als auch auf MHC-II-Peptidkomplexe reagieren ("Erkennungsfitness", Versager werden ausgemustert).
 
Im Mark erfolgt anschließend negative Selektion: Dendritische Zellen stellen sicher, dass die T-Zelle nicht auf Komplexe von MHC (I oder II) mit körpereigenen Peptiden reagieren (Autoimmun-Toleranz)

Die jungen T-Zellen durchlaufen im Thymus einen etwa zwei Wochen dauernden Test, der zuerst die Fähigkeit zur Präsentation von Peptiden auf MHC-Rezeptoren ("positive Selektion") und dann auf Toleranz gegen körpereigene Peptide ("negative Selektion") prüft:

     Positive Selektion: In der Rinde beginnt die "positive Selektion" der T-Zellen auf MHC-Restriktion:  

Nur jene Klone, die körpereigene peptidbeladene MHC-I und MHC-II-Moleküle kortikaler Epithelzellen erkennen und damit funktionstüchtig sind, überleben diese Prüfung und teilen sich; alle anderen werden zur Apoptose veranlasst (Reaktion Fas-FasL). Der Sinn dieses Mechanismus liegt darin, dass nur an eigenen MHC-Rezeptoren präsentierte Peptide von TCR erkannt werden sollen. Andernfalls würden alle möglichen TCR mit Antigenen reagieren, unter Umgehung des Mechanismus der Antigenpräsentation.

     Negative Selektion: Anschließend stellen die T-Zellen die Produktion eines der beiden Korezeptoren (CD4 oder CD8) ein - sie werden einfach positiv (wie sie sich zwischen CD4 und CD8 entscheiden, weiß man noch nicht) und wandern ins Mark des Thymus. Hier durchlaufen sie eine "negative Selektion" (Toleranzinduktion) durch dendritische und Epithelzellen im Thymusmark. Die Prüfungsfrage des Thymus lautet: Erkennst du "eigene" Peptide an MHC-Molekülen? Die richtige Antwort muss lauten: nein!
     Denn: Erkennen TCR Eigenprotein, ist die Gefahr der Autoaggression gegeben (z.B. Anregung von B-Zellen, Antikörper gegen körpereigenes Eiweiß zu bilden oder von zytotoxischen T-Zellen, eigene Zellen anzugreifen). Positiv reagierende T-Zellen werden zur Apoptose genötigt.

Überlebenschance 1:30: Jeden Tag werden auf diese Weise ≈60 Millionen T-Zellen getestet, nur ≈2 Millionen bestehen den Test und überleben.

Die Reaktion TCR-Peptid-MHC kann also drei ganz verschiedene Reaktionen auslösen: Einmal positive Selektion (Thymus-Rinde), einmal negative Selektion (Thymus-Mark), einmal Aktivierung anderer Zellen (in der Peripherie). Der Unterschied liegt vielleicht in der Intensität der Interaktion zwischen TCR und Peptid-MHC-Komplex sowie in der Tatsache, dass die beteiligten Zellen über jeweils unterschiedliche Adhäsions- und kostimulatorische Moleküle verfügen:

  Kortikale Epithelzellen für die MHC-Restriktion (positive Selektion)

  Medulläre dendritische (aus dem Knochenmark stammende) und medulläre Epithelzellen für die Toleranzprüfung (negative Selektion)

  antigenpräsentierende Zellen für die Aktivierung im lymphatischen Gewebe.
 
T-Zell-Aktivierung, klonale Expansion und Kontraktion
 

>Abbildung: Antigene aktivieren naive und Effektor-T-Zellen
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Antigene werden durch dendritische Zellen in Lymphknoten transportiert und von naiven T-Zellen erkannt. Dadurch werden letztere aktiviert und entwickeln sich zu Effektorzellen.

Effektorzellen können z.B. B-Zellen helfen, in entzündetes Gewebe zu migrieren, wo Effektorzellen ihre Funktionen erfüllen und auch Makrophagen aktivieren
Im Thymus entstehen Klone spezifischer Lymphozyten, deren Rezeptor jeweils ein ganz bestimmtes Epitop erkennen (s. oben). Dies sind zunächst naive T-Lymphozyten (mit fertig ausgebildeten Rezeptoren, die aber noch nie ihr Antigen gesehen haben). Sie kreisen in einem Ruhezustand (resting state) durch den Körper und gelagen dabei in T-Lymphozyten-Zonen sekundärer (peripherer) lymphatischer Organe - angelockt durch Chemokine, die auch antigenpräsentierende Zellen hierher führen (die Zellen exprimieren CCR7-Rezeptoren).

Sekundäre lymphatische Organe sind
 
    Lymphknoten (Antigene aus dem Gewebe),

    Milz (Antigene im Blut),

    muköse lymphatische Gewebe (Antigene auf Schleimhäuten).

Dabei werden die T-Zellen hauptsächlich durch ein retikuläres Netzwerk von Fibroblasten geleitet. Hier ist die Wahrscheinlichkeit relativ hoch, dass sie Antigene antreffen, die von reifen dendritischen Zellen präsentiert werden; und hier werden sie hauptsächlich aktiviert. Die Aktivierung naiver T-Zellen erfordert die Präsentation des passenden Antigens durch dendritische Zellen (>Abbildung).

Treffen sie dabei auf "ihr" Antigen, bleiben sie an diesem Kontaktpunkt hängen und starten einen Aktivierungsvorgang, bei dem sie ihre volle Funktionsfähigkeit erlangen. Es kommt zu Zytokinsekretion, Proliferation (Klonerweiterung, clonal expansion) und Differenzierung der naiven Zellen zu Effektor- und Gedächtniszellen (<Abbildung).
 

<Abbildung: Abfolge von T-Zell-Reaktionen auf antigenen Reiz
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Antigenerkennung triggert naive T-Zellen zu Zytokinproduktion (vor allem durch CD4+-Lymphozyten), klonaler Selektion / Expansion und Differenzierung zu Effektor- und Gedächtniszellen. CD8+-Lymphozyten töten antigenbeladene Zellen und erzeugen Zytokine

APC = antigenpräsentierende Zelle
Differenzierte Effektor-T-Zellen reagieren auch auf Antigene, die von anderen als dendritischen Zellen präsentiertt werden:
 
    Präsentieren B-Lymphozyten Antigene, bilden Helfer-T-Zellen Zytokine und regen die B-Zellen an;
 
    Makrophagen präsentieren Antigene an CD4+-T-Zellen und lassen sich von diesen stimulieren;
 
    praktisch alle kernhaltigen Zellen präsentieren Antigene an CD8+-T-Zellen (und werden von diesen abgetötet, wenn sie z.B. virale Antigene präsentieren).

Die Proliferation von T-Lymphozytenklonen zu Effektor- und Gedächtniszellen erfordert spezifische Antigenerkennung und die Anregung durch Kostimulatoren sowie Zytokine. Dabei sind mehrere zusätzliche Oberflächenproteine - Adhäsionsmoleküle, Korezeptoren und Kostimulatoren -  notwendig. Einer dieser Kostimulatoren auf der Oberfläche aktivierter antigenpräsentierender Zellen ist B7, er bindet an CD28 auf T-Zellen (>Abbildung). CD28 kombiniert mit dem Antigensignal garantiert Überleben und Proliferation entsprechender T-Zellen.

Mikrobielle Antigene oder angeborene Abwehrreaktionen (Zytokinproduktion) verstärken die Expression von B7 in antigenpräsentierenden Zellen (dendritischen Zellen, Makrophagen, B-Lymphozyten). Das zeigt, wie angeborene Abwehrmechanismen adaptive anregen können. Es gibt zahlreiche Beispiele für solche Kooperation zwischen angeborener und adaptiver Immunabwehr.
 

>Abbildung: Rolle von Kostimulatoren bei der Aktivierung von T-Lymphozyten
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Oben: Ruhende antigenpräsentierende Zellen (meist dendritische Zellen, die Selbst-Antigen präsentieren) exprimieren kaum Kostimulatoren und lassen naive T-Zellen ungereizt.

Unten: Antigenpräsentierende Zellen können durch Mikroben oder (bei angeborenen Abwehrvorgängen freigesetzte) Zytokine angeregt werden und exprimieren Kostimulatoren, wie B7-Moleküle. So aktivieren sie naive T-Zellen. Sie bilden auch Zytokine (wie IL-2), die wiederum die Differenzierung von naiven zu Effektor-T-Zellen anregen
Dazu kommt die Expression zahlreicher Oberflächenmoleküle, von denen viele eine wichtige Rolle bei der Induktion und Steuerung der zellulären Antworten spielen. Art und Ausmaß der Immunreaktion wird durch die antigenpräsentierenden Zellen beeinflusst, mit denen die angeregten T-Zellen in wechselseitigem Informationsaustausch stehen.

Dabei gibt es sowohl fördernde (positives Feedback) als auch bremsende Effekte (negatives Feedback). Das Gleichgewicht zwischen anregenden und bremsenden Impulsen - insbesondere betreffend die verschiedenen Rezeptoren der CD28-Proteinfamilie, die an Rezeptoren der B7-Familie binden - bestimmt die T-Zell-Aktivierung.

Auch antigenpräsentierende Zellen werden durch Interaktion von Rezeptormolekülen angeregt. Das trifft auf das Bindungspaar CD40 (antigenpräsentierende Zelle) - CD40Ligand (T-Lymphozyt) zu: CD40L ist ein Mitglied der TNF-Superfamilie, CD40 ein Mitglied der TNF-Rezeptor-Superfamilie.

CD40 aktiviert Makrophagen (zelluläre Abwehr) und B-Zellen (humorale Abwehr). Sind Helfer-(CD4+) T-Zellen aktiviert, exprimieren sie CD40L, und dieses aktiviert über CD40 antigenpräsentierende Zellen zur Expression von B7 und Sekretion von Zytokinen. Dies regt die Differenzierung von T-Lymphozyten an (<Abbildung).
 

<Abbildung: CD40 und T-Zell-Aktivierung
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Aktivierte T-Zellen exprimieren den Liganden für CD40 (CD40L), wenn sie Antigen erkennen und Kostimulatoren vorhanden sind.
 
Das regt antigenpräsentierende Zellen über deren CD40-Rezeptoren an: Sie exprimieren B7 und bilden Zytokine, die wiederum die T-Zelle anregen
Effektor-Lymphozyten sind bereit für den Einsatz überall im Gewebe. Hier treffen sie auf Antigene, die ihre Aktivierung ausgelöst haben. Sie können Zellen direkt zerstören (CD8+) und/oder andere Immunzellen stimulieren, z.B. Makrophagen, B-Zellen oder Granulozyten.

Um diese Funktionen vollführen zu können, müssen Effektorzellen eine ganze Reihe verschiedener Oberflächenmoleküle exprimieren. Bei Helferzellen (CD4+) sind das:
 
    CD29 - binnen Stunden exprimieren T-Zellen dieses Protein, das über seinen Bindungspartner (Sphingosin-1-Phosphat Rezeptor) die Verweildauer der T-Zelle im lymphatischen Organ verlängert, was Zeit für Proliferation und Differenzierung bringt;
 
    CD25 (IL-2-Rezeptor) - dadurch können T-Zellen auf Interleukin 2 reagieren;
 
    CD40-Ligand - hier dauert die Expression 1-2 Tage (>Abbildung), ebenso für
 
    CD152;
 
    Adhäsionsmoleküle und Chemokinrezeptoren.
 

>Abbildung: Expression von Oberflächenmolekülen nach Aktivierung von T-Zellen
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Oben: Beispielhafter Zeitverlauf des Erscheinens einiger Marker in antigenstimulierten T-Zellen. c-Fos ist ein Transkriptionsfaktor, IL-2 ein Zytokin, CD-Faktoren Oberflächenproteine. Naive T-Zellen exprimieren diese Moleküle nur geringgradig.

Unten: Hauptfunktion einiger Oberflächenproteine
Klonexpansion: Vor erstmaliger Erkennung eines Antigens ist die Zahl naiver T-Zellen mit "passenden" Rezeptoren etwa eine unter 105 bis 106 Lymphozyten. Nach Antigenkontakt und Proliferation kann die Zahl entsprechender antigenspezifischer CD4+-Zellen bis zu eintausendfach, diejenige entsprechender CD8+-Zellen sogar ≈50.000-fach ansteigen (<Abbildung unten).

So kann dann zum Höhepunkt der Immunantwort etwa jede dritte CD8-positive T-Zelle spezifisch gegen den betreffenden Antikörper wirken, also zum selektionierten Klon gehören.

Hat ein spezifischer Abwehrprozess stattgefunden, verfügt der Organismus über einen spezifischen (adaptiven) Immunschutz (s. weiter unten): Wesentlich mehr auf ein bestimmtes Antigen spezialisierte Gedächtniszellen (in Haut, Schleimhäuten und lymphoiden Organen) als ursprünglich - vor der Klonselektion - naive T-Zellen mit dem entsprechenden T-Rezeptor-Besatz vorhanden waren.

Gedächtniszellen (memory cells) eines speziellen Lymphozytenklons bleiben für Jahre oder sogar lebenslang bestehen, nachdem der entsprechende Antigenstimulus stattgefunden hat. Sie haben ein anderes Schicksal als Effektorzellen, die bald nach Ablauf der Immunantwort wieder verschwinden. Wie das im Detail gesteuert ist, bleibt zu erforschen (2020).

Zu den besonderen Merkmalen von Gedächtniszellen zählt:

    Sie exprimieren antiapoptotische Proteine, was zu ihrer hohen Überlebenszeit beiträgt. Bei älteren Menschen sind mehr als 50% der T-Zellen im Blut Gedächtniszellen.

    Sie reagieren rascher auf das Auftauchen "ihres" Antigens als entsprechende naive T-Zellen. Wahrscheinlich spielen dabei epigenetische Umstellungen eine Rolle.
 

<Abbildung: Klonale Expression und Kontraktion von T-Lymphozyten
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Der spezifische Lymphozytenklon expandiert für eine Woche, anschließend wird er allmählich auf eine Größe reduziert, die dem Poool der Gedächtniszellen entspricht. Die Infektion ist nach einer Woche abgeklungen.

Zeitachse nichtlinear
    Nach Ablauf der Immunantwort und Klonexpansion liegen etwa 10- bis 100-fach mehr spezifische Gedächtnis- als naive T-Zellen des Zellklons vor.

    Gedächtniszellen begeben sich in das Gewebe und antworten bei weiterem Antigenkontakt direkt am "Ort des Geschehens", und sind dort weniger abhängig von Kostimulierung als naive T-Zellen.

    Sie können replizieren, allerdings mit relativ niedriger Quote.

    Ihre Erhaltung hängt von der Anwesenheit von Zytokinen (vor allem IL-7), nicht aber von der Anwesenheit des Antigens, ab.

Nachdem das Antigen eliminiert ist, nimmt die Zahl entsprechend spezialisierter T-Zellen - hauptsächlich bedingt durch Apoptose antigenaktivierter T-Zellen - wieder ab (Homöostase: clonal contraction, <Abbildung). Das liegt daran, dass durch die Beseitigung der Antigene auch der anregende Reiz (durch Antigen, Kostimulatoren und Zytokine) wieder wegfällt. Dazu kommen inhibitorische Mechanismen (z.B. TReg-Lymphozyten), die im Rahmen der Antigenerkennung aktiv werden.
 
T-Zell-Rezeptoren
 
      Über Rezeptoren der Immunglobulin-Superfamilie s. auch dort

T-Lymphozyten verfügen über Rezeptoren, die aus zwei Proteinen bestehen - "traditionell" einer α- und einer β-Kette, bestehend jeweils aus zwei Domänen, einer (hyper-) variablen (Vα und Vβ) und einer konstanten  (Cα und Cβ) - ähnlich den Ästen eines Antikörpermoleküls - sowie einer transmembranalen Region zur Verankerung in der Zellmembran. Die V-Region hat drei hypervariable Regionen, die als CDRs (complementarity-determining regions) bezeichnet werden und die Spezifität der Epitoperkennung ausmachen.

T-Zell-Rezeptoren an CD4+- und CD8+-Lymphozyten erkennen ausschließlich auf MHC-Molekülen gebundene Peptid-Antigene. Dieser gegegseitige Erkennungsmechanismus ist komplex und zusätzlich abgesichert. T-Zellen könnten während ihrer Reifung unterschiedliche Merkmale ausprägen und daher zu unterschiedlichen Reaktionen neigen.
 

>Abbildung: T-Zell-Rezeptor-Aktivierung, CD4 bindet an MHC II
Nach einer Vorlage in Kumar / Abbas / Fausto / Aster, Robbin and Cotran's Pathological Basis of Disease, 8th ed. Saunders / Elsevier 2010
CD4-T-Zellen werden von antigenpräsentierenden Zellen über phagozytierte / verarbeitete Peptide vermittels MHC II-Moleküle informiert (MHC-Restriktion). Angelagerter CD3-Komplex sowie ζ-Ketten triggern aktivierende Signale, sie sind in allen T-Zellen ident. CD4 (oder stattdessen CD8 im Fall von MHC-I, s. unten) und CD28 sind an der T-Zell-Aktivierung beteiligt.
 
 Im Falle der Anwesenheit eines passenden Antigenpeptids führt die Anlagerung des MHC-II-Moleküls (antigenpräsentierende Zelle) an den T-Zell-Rezeptor-Komplex ("Signal 1") - ergänzt durch die Kopplung von CD80 (=B7-1) oder CD86 (=B7-2) an ein CD28 ("Signal 2") - zur Aktivierung des Lymphozyten.
 
Sowohl das MHC-II-Molekül als auch die meisten der T-Zell-Rezeptoren (≈95%) bestehen aus je einer α- und einer β-Kette

T-Zell-Rezeptoren (TCR) vermitteln bei ihrer Aktivierung ein Signal, das an den Zellkern adressiert ist. Dazu benötigen sie an ihrer intrazellulären (sehr kurz geratenen) Seite Hilfsfaktoren (γ, δ, ε, ζ), die das intrazelluläre Signal generieren und als CD3 zusammengefasst werden. Die CD3- und ζ-Proteine sind nicht kovalent mit dem αβ-Heterodimer des T-Zell-Rezeptore verbunden und bilden zusammen den TCR-Komplex (>Abbildung).

Durch Clustering mehrerer TCR bei Bindung von Liganden (Antigenen) verstärkt sich das Signal. Dieses kann - je nach Umständen - Aktivierung, aber auch Apoptose der T-Zelle bedeuten.

Zum Vergleich: B-Zell-Rezeptoren (BCR) binden extrazelluläre, "native" (nicht-prozessierte) Antigene - das können beliebige organische Moleküle sein (auch Kohlenhydrate und Fette) - alleine, ohne MHC. In der Tiefe eines Antigens verborgene Epitope können auf diese Weise allerdings nicht erkannt werden. Und: BCR durchlaufen somatische Hypermutation - TCR tun dies nicht.
 

<Abbildung: Wichtigste Moleküle für die Aktivierung von CD4+-T-Zellen
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
CD8+-Zellen (sie erkennen MHC-I-assoziierte Peptide) nutzen die meisten der gezeigten Moleküle ebenfalls. ITAMs regen die Signaltransduktion an, ITIMs hemmen sie

Bei der Aktivierung von T-Lymphozyten spielen neben TCR-Komplex einerseits und peptidbeladenem MHC andererseits noch weitere Moleküle eine wichtige Rolle (<Abbildung).

So beteiligen sich
 
    auf der Seite des CD4+-Lymphozyten CD4, CD3, ζ-Proteine, CTLA-4 (cytotoxic T lymphocyte antigen-4) und PD-1 (programmed death 1) an der Signaltransduktion,
 
    auf der Seite der antigenpräsentierenden Zelle  B7 (für CD28 und CTLA-4) und PD-L (programmed death ligand) für PD-1 an der Signalübertragung auf die T-Zelle.

Dabei tragen CD3 und ζ-Proteine mit ITAMs (Immunoreceptor Tyrosin-based Activation Motifs) zur Aktivierung, PD-1 mit ITIMs (Immunoreceptor Tyrosin-based Inhibitory Motifs) zur Inhibierung der Signalwege bei.

LFA-1 (leukocyte function-associated antigen 1) auf lymphozytärer, ICAM-1 (intercellular adhesion molecule 1) auf der Seite der antigenpräsentierenden Zelle dienen der Anhaftung.
T-Zell-Molekül
 Funktion
 Ligand
 exprimiert von
CD3
 Signaltransduktion
 -
 -
ζ Signaltransduktion durch TCR-Komplex
 -
 -
CD4
 Signaltransduktion MHC-II
 Antigenpräsentierende Zellen
CD8
 Signaltransduktion MHC-I
 Alle kernhaltigen Zellen
CD28
 Signaltransduktion (Kostimulation)
 B7
 Antigenpräsentierende Zellen
CTLA-4
 Inhibition
 B7
 Antigenpräsentierende Zellen
PD-1
 Inhibition PD-L
 Antigenpräsentierende Zellen, Gewebezellen  (Tumorzellen)
LFA-1
 Inhibition ICAM-1
 Antigenpräsentierende Zellen, Endothelzellen
 

CD4 und CD8 sind Korezeptoren, sie binden an nichtpolymorphe Regionen des HMC-Moleküls und erleichtern dadurch die Signalwirkung aktivierter T-Zell-Rezeptorkomplexe während der T-Zell-Aktivierung. Sie sind für die Klassenrestriktion (MHC-I / HMC-II) der T-Zellen verantwortlich. CD4 ist monomer und bindet an MHC-II und wird von Lymphozyten, Thymozyten und (mit niedriger Dichte) mononukleären Phagozyten sowie einigen dendritischen Zellen exprimiert. HIV nützen CD4 für den Eintritt in Zellen. CD8 liegt meist als Dimer vor, es bindet an MHC-I.
 

>Abbildung: T-Zell-Aktivierung, Schritte der Tyrosinphosphorylierung
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Oben: Erkennung des Antigens durch den T-Zell-Rezeptor (rot) führt zu Gruppierung (Clustering) von T-Zell-Rezeptorkomplexen mit Korezeptoren (hier: CD4). Mit diesem assoziiertes Lck (Lymphocyte-specific protein tyrosine kinase) phosphoryliert daraufhin Tyrosinreste in ITAMs von CD3 und ζ-Proteinen. Der Spaltraum zwischen APC und T-Zelle beträgt im zentralen Bereich etwa 15 nm (Zellmembran: 4-10 nm).

Mitte: ZAP-70 (ζ-associated protein of 70 kD) bindet an Phosphotyrosinreste an ζ-Ketten und wird selbst phosphoryliert und aktiviert. Dann phosphoryliert es Tyrosinreste an verschiedenen Proteinen, u.a. LAT (Linker for activation of T cells).

Unten: Phosphorylierte Adapterproteine binden Signalmoleküle und bilden Zentren für die Anlagerung verschiedener Enzyme, wie die Phospholipase GLCγ1 und Faktoren des MAP-Kinase-Weges. Die Enzyme aktivieren und koordinieren vielfache Reaktionen des T-Lymphozyten

Immunsynapse: Wenn der T-Zell-Rezeptor einen passenden Peptid-HMC-Komplex gebunden hat, versammeln sich an dieser interzellulären Kontaktstelle mehrere membranständige sowie intrazelluläre Signalmoleküle. Diese Immunsynapse (SMAC: Supramolecular activation cluster) ist Ausgangspunkt für die Signaltransduktion in angeregten T-Zellen (>Abbildung) und stellt die optimale Abfolge und Kombination der spezifischen (z.B. Zytokinsekretion), zum Teil aggressiven (z.B. Freisetzung von Perforin) Folgereaktionen sicher.

Metabolische Veränderungen in aktivierten Lymphozyten: Die Energiegewinnung ruhender T-Zellen erfolgt im Wesentlichen oxidativ, d.h. über den Zitratzyklus (aus 1 Mol Glukose werden 36 Mol ATP gewonnen, der Abbau erfolgt bis zum CO2). Bei Aktivierung und Proliferation schaltet die Zelle auf anaerobe Glykolyse um: Aus 1 M Glukose werden nur 4 Mol ATP gewonnen (es entsteht Laktat), Glukose wird für die Biosynthese von Aminosäuren und Proteinen, Nukleotiden und Lipiden genutzt.
 
  Paul Ehrlich gilt als Begründer der modernen Immunologie. 1897 publizierte er seine "Seitenkettentheorie", derzufolge Antikörper auf der Oberfläche von Immunzellen Antigene erkennen, und deren Anwesenheit die Zellen zur verstärkten Bildung von Antikörpern anregt - ein damals hypothetisches Konzept, solche Moleküle waren noch nicht nachweisbar. Ehrlich ging von einer chemischen Reaktion aus, indem zelluläre "Seitenketten" (Makromoleküle) in der Lage sind, Gifte zu binden, und von den Zellen auch sezerniert werden können (Antikörper). Auch nahm er weitere Immunmoleküle zwischen Antigen und Antikörper an (Komplement). Ehrlich erhielt 1908 zusammen mit Ilja Metschnikow den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.
 
Zelluläre Hormonrezeptoren wurden Jahrzente später entdeckt, Antigenrezeptoren auf Lymphozyten erst in den frühen 1980-er Jahren.
 
"Traditionelle" αβ- und "nicht-traditionelle" γδ-T-Lymphozyten
 
  Mehr als 95% der zirkulierenden T-Zellen tragen αβ-T-Rezeptoren (>Abbildung) und exprimieren Korezeptoren - CD4 für Peptide und MHC-II, CD8 für Peptide und MHC-I. Dies sind "traditionelle" T-Zellen.
 
  Seltener (2%? - im Darm ≈10%) sind γδ-T-Zellen; sie sind nicht MHC-restringiert und binden Peptide, Lipide und kleine Moleküle. Solche "nicht-traditionellen" T-Zellen ohne CD-Korezeptoren finden sich in Körpergegenden, die mit der Außenwelt Berührung haben (Haut, Zunge, Schleimhaut in Darm und Urogenitaltrakt). Vermutlich sind sie auf die Erkennung von Angreifern spezialisiert, die an diesen Stellen am ehesten zu erwarten sind.
 

<Abbildung: CD8 bindet an α3-Domäne eines HMC I
Nach einer Vorlage bei Parham P, The Immune System, 2nd ed, Garland Science 2005
CD8-positive T-Zellen töten mit Pathogenen infizierte oder Tumorzellen ab. Sie werden mittels ihres Rezeptors (blau) über die Anwesenheit intrazellulärer Antigene (rot) informiert, die von Zielzellen prozessiert wurden. Die Antigene sind an MHC I (gelb) angelagert

Zytotoxische T-Lymphozyten exprimieren im Allgemeinen den Kofaktor CD8, Helferzellen hingegen CD4. Dadurch wird adäquate Erkennung der entsprechenden Peptide (intra- oder extrazellulär?) ermöglicht. Dabei binden
     CD4-Rezeptoren an CD3-TCR-(Helferzelle)-HMC-II-Peptid-Komplexe
 
     CD8-Rezeptoren an CD3-TCR-(Killerzelle)-MHC-I-Peptid-Komplexe.
 
Auch CD-Korezeptoren haben intrazelluläre Signalwirkungen, welche diejenigen der TCR verstärken. "immunologische Synapsen" - auch SMAC (s. oben) - sind das Interface zwischen antigenpräeantierender Zelle und Lymphozyt (z.B. Effektor-T-Zelle oder NK-Zelle). Zu den Aufgaben immunologischer Synapsen gehören
 
     Regulierung der Lymphozytenaktivierung
 
     Übertragung von Peptid-MHC-Komplexen von antigenpräsentierenden Zellen auf Lymphozyten
 
     Sekretion von Zytokinen / lytischen Granula
  
 
>Abbildung: CD4 bindet an MHC II in Kombination mit TCR
Nach einer Vorlage bei Parham P, The Immune System, 2nd ed, Garland Science 2005
CD4-positive Lymphozyten regulieren die Antwort anderer Immunzellen auf die Anwesenheit von Pathogenen (Antigen: rot)

Helfer-T-Zellen werden in mehreren Schritten aktiviert. Zuerst erfolgt die Anlagerung von antigenpräsentierenden Zellen über deren MHC-II-Rezeptor an den TCR. Dann erfolgt eine Bindung von Kofaktoren. Bei der Aktivierung von B-Zellen sind dies CD40 - CD40L, bei der Aktivierung von T-Zellen CD28 - B7.

Aktivierte Helferzellen produzieren zahlreiche Zytokine. Auf diese Weise kommunizieren sie mit dem gesamten Immunsystem. Dabei produziert eine T-Zelle nicht alle Zytokine gleichzeitig, sondern jeweils eine Gruppe davon für verschiedene Schwerpunkte der Funktion. Dementsprechend unterscheidet man Th1-, Th2- und Th17- Lymphozyten ( s. unten).

Diese Einteilung ist bis zu einem gewissen Grad willkürlich, denn die Flexibilität ist viel größer: Helferzellen verhalten sich sozusagen situationslogisch. Dabei entscheiden dendritische Zellen darüber, genau welches Zytokinprofil die Helferzelle in welcher Situation produzieren soll.
 

Zytokine sind Hormone des Immunsystems
 
Zytokine übernehmen den Großteil der Kommunikation und Koordination innerhalb des Immunsystems sowie mit anderen an der Abwehr beteiligten Zellen des Körpers. Sie aktivieren Leukozyten, regen die Blutbildung an, töten Tumorzellen und inaktivieren Infektionserreger.
 

<Abbildung: Zelluläre Abwehr
Nach einer Vorlage in Kumar / Abbas / Fausto / Aster, Robbin and Cotran's Pathological Basis of Disease, 8th ed. Saunders / Elsevier 2010
Dendritische Zellen (inder  Haut: Langerhans-Zellen) fangen Antikörper ab und transportieren sie zu Lymphknoten, wobei sie reifen und MHC exprimieren.
 
Naive T-Zellen erkennen von dendritischen Zellen präsentierte MHC-assoziierte Peptide, proliferieren und reifen zu Effektor- und Gedächtniszellen heran; diese gelangen zum Infektionsort und wirken abwehrend.
 
CD4-positive T-Lymphoyten erkennen mikrobielle Antigene und regen Phagozyten zu deren Abtötung an. Zytotoxische CD8-positive Lymphozyten töten infizierte Zellen ab

Zytokine sind regulatorische Peptide oder (Glyko-) Proteine, die von angeregten Immunzellen, aber auch anderen Zellen, freigesetzt werden und steuernd auf das Immunsystem zurückwirken. Auch für Wachstum (GF = growth factors, Wachstumsfaktoren) und Differenzierung spielen sie eine wichtige Rolle.

Alle Zytokine werden rasch wieder abgebaut, ihre Halbwertszeit liegt im Minutenbereich; je nachdem, ob sie überhaupt den Kreislauf erreichen, wirken sie daher nur lokal (autokrin, parakrin) oder auch endokrin.

Zytokine beeinflussen ihre Bildung (und Expression ihrer Rezeptoren) gegenseitig und werden weiters auch durch Signale aus dem vegetativen Nervensystem reguliert (z.B. über muskarinische Rezeptoren).

Sowohl Zytokinfreisetzung als auch Rezeptorexprimierung nehmen bei entzündlichen Vorgängen enorm zu. Zytokine wirken auch auf das Gehirn und lösen so Krankheitsverhalten aus (Unwohlsein, Sich-Zurückziehen etc).

  Über Wechselwirkungen zwischen Immunsystem und Glukokortikoiden s. dort



  Interleukine (IL)  Interferone (IFN)  Chemokine Tumornekrosefaktor (TNF) Koloniestimulierende Faktoren (CSF) TGF  Zytokinrezeptoren

Zytokine wirken
  über das unspezifische Immunsystem (z.B. Interferon-α, Interferon-β, TNF-α, IL-1, IL-6, IL-10, Chemokine) sowie auch

  über das spezifische Immunsystem (z.B. IL-2, IL-4, Interferon-γ, TGF-β, Lymphotoxin - früher TNF-β);

  einige steuern auch die Blutbildung (CSF - s. unten).

Komplexes System. Zytokine können auf die Senderzellen zurückwirken (autokrin), im benachbarten Gewebe (parakrin) oder über die Blutbahn an entfernten Teilen des Organismus (endokrin) aktiv werden. Sie wirken nicht singulär, sondern in Mustern - teils synergistisch, teils antagonistisch. So können einige Zytokine proliferativ (z.B. IL-2), andere wachstumshemmend tätig sein (z.B. TNF-α, TGF-ß). Außerdem können sie von verschiedenen Zellarten gebildet werden, und bestimmte Effekte können von verschiedenen Zytokinen ausgeübt werden (Redundanz).

Schließlich kann jedes Zytokin je nach Zielzelle (und Rezeptorbesatz) unterschiedliche Wirkungen haben (Pleiotropie ). Dazu kommt, dass die Untersuchung einzelner Zytokine in vitro nicht schlüssig ihre Rolle und Wirkungsstärke im Gesamtsystem des Organismus erhellt. All das macht das Verständnis der Zytokinwirkungen nicht gerade einfach; die Nomenklatur ist aufgrund der großen Dynamik der immunologischen Forschung noch ziemlich uneinheitlich.
 
Interleukine
 
Interleukine machen einen großen Anteil der Zytokine aus. Sie wurden so benannt, weil sie Signale zwischen (inter) Leukozyten vermitteln, obwohl sie auch andere Zellen betreffen und neben Makrophagen, Monozyten und Lymphozyten auch von Endothelzellen gebildet werden. Mittlerweile sind über 30 Interleukine bekannt. Sie wirken spezifisch fördernd oder hemmend auf Wachstum, Reifung und Teilung bestimmter Immunzellen (s. Tabelle). Ihre biologische Halbwertszeit liegt im Bereich von Minuten, sie sind also ziemlich kurzlebig.
 
 
Bildungsort und Wirkung einiger Interleukine
 
Modifiziert nach Wilkinson / Brown: An Introduction to Neuroendocrinology, 2nd ed. 2015. Cambridge University Press; und Abbas / Lichtman / Pillai, Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Interleukin
 Bildungsort
 Wirkung
IL-1
 Makrophagen, Monozyten, B-Zellen, NK-Zellen, dendritische Zellen, Fibroblasten, Osteoblasten, Epithelzellen
 Anregung T- und B-Zellen
Anregung Prostaglandinsynthese (Gehirn, Knochen, Knorpel)
Anregung Synthese IL-2, IL-3, IL-4 etc
Modulierung von Hormonfreisetzung
Förderung der Blutbildung
Anregung der Proteinsynthese im Muskel
Wundheilung
Fieber
Schlafinduzierend
IL-2
 aktivierte T-Zellen
 Wachstumsanregung T- und B-Zellen
Aktivierung von NK-Zellen
IL-4
 Makrophagen, aktivierte T-Zellen, NK-Zellen, Muskelzellen
 B-Zell-Differenzierung
Wachstumsanregung T- und B-Zellen, Mastzellen, Blutbildung
Aktivierung von Makrophagen
Förderung des Muskelwachstums
IL-6
 Monozyten, aktivierte T-Zellen, Fibroblasten, Makrophagen, Muskelzellen
 Anregung B-Zellen (Proliferation, Differenzierung) und T-Zellen
IL-2-Rezeptor-Hinaufregulierung an T-Zellen
Knochenstoffwechsel
Fieber
leptinähnliche Wirkung
IL-7
 Fibroblasten, Stromazellen im Knochenmark
 Überleben von naiven und Gedächtnis-T-Zellen
IL-10
 Dendritische Zellen, aktivierte Makrophagen, T-Lymphozyten
 Inhibition aktivierter Makrophagen und dendritischer Zellen
IL-12
 Makrophagen
Dendritische Zellen
 Bildung von IFN-γ (NK- und T-Zellen)
TH1-Differenzierung (T-Zellen)
IL-15
 T-Zellen, Makrophagen. Muskelzellen
 Anregung NK-Zellen, B-Zell-Proliferation, Muskelfaseraufbau, antiadipöse Wirkung
IL-17
 T-Zellen, NK-Zellen, Epithelzellen
 Anregung Makrophagen, Entzündung
Infektionsschutz (gegen Bakterien, Pilze)
IL-37
 Erythrozyten
 antiinflammatorisch
Hemmung Makrophagen, T-Zell-Zahl

 
      Initiierung der akuten Phase: Auf bakterielle Reize hin (LPS: Lipopolysaccharid) werden Zytokine der frühen Abwehr freigesetzt - hauptsächlich von Makrophagen und Monozyten, aber auch von Endothelzellen, Fibroblasten u.a.: IL-1 und IL-6 lösen zusammen mit TNF-α lokale Entzündung aus (Ausbildung von Adhäsionsmolekülen an Endothelzellen) und rekrutieren Leukozyten. In moderatem Ausmaß gebildet, bewirken diese Zytokine Fieber (Hypothalamus), die Produktion von Akutphasen-Proteinen (Leber) und Mobilisierung von Leukozyten (Knochenmark). Diagnostisch äußert sich dies in Temperaturanstieg, Entzündungsparametern (Blutsenkung, CRP) und Leukozytenzahl. Wegen der fieberinduzierenden Wirkung von IL-1, IL-6 und TNF-α spricht man von endogenen Pyrogenen.
 
In höherer Konzentration üben sie systemische (Kreislauf-)Effekte aus (übermäßige Produktion von TNF-α kann zu septischem Schock führen: TNF-α kann die Kontraktilität des Herzmuskels und den Gefäßtonus reduzieren).
  
      Spezifische Abwehrphase: Nach der Erkennung antigener Eigenschaften proliferieren und differenzieren sich Lymphozyten - geregelt durch Zytokine, die vorwiegend aus CD4+-T-Zellen stammen.
 
Sobald T-Zellen "ihr" Antigen erkannt haben, bilden sie IL-2 und IL2-Rezeptoren. IL-2 beschleunigt die Proliferation (klonale Expansion) von T-Zellen (autokrin), NK-Zellen (parakrin: zytolytische Aktivität) und B-Zellen (Antikörperbildung). Darüber hinaus bilden IL-2-stimulierte Zellen weitere Zytokine wie IL-4 und Interferon-γ. IL-4 beeinflusst den Antikörper-Klassenwechsel zu IgE und hat proliferierende Wirkung u.a. auf Mastzellen.
 
 
>Abbildung: Signalstoffe zur Interaktion zwischen endokrinem, Immun- und Nervensystem
Zwischen Immun- und Zentralnervensystem wirken Interleukine 1, 2 und 6, Interferone, TNF-α, β-Endorphine; Somatostatin, GH, ACTH, Prolaktin, VIP, Substanz P wirken auf das Immunsystem.
  
Zwischen Immun- und endokrinem System wirken ACTH, β-Endorphine; auf das endokrine System wirken Interleukine 1 und 6, Interferone, TNF-α.
  
Zwischen endokrinem und Zentralnervensystem wirken CRH, ACTH, β-Endorphine.
  
  Vgl. dort     

Zentralnervensystem: Interleukine haben - wie auch andere Zytokine - zahlreiche neuromodulatorische Effekte, können zu zirkumventrikulären Organen vordringen und über spezifische Transportmechanismen die Blut-Hirn-Schranke überwinden, und finden an den Zellen des Nervengewebes entsprechende Rezeptoren vor.

Damit beeinflussen sie z.B. Transmitterfreisetzung, Körpertemperatur, Schlaf, verschiedene Verhaltensweisen. Sie können neuroprotektiv (Verhinderung von Apoptose) und erregungsdämpfend wirken. Auf das neuroendokrine System (Hypothalamus) haben sie ebenfalls zahlreiche Effekte und beeinflussen so die Sekretion mehrerer hypophysärer Vorderlappenhormone.


Interferone
 
 
<Abbildung: Typ-I-Interferon schützt Zellen vor Virenbefall
Nach einer Vorlage bei Pearson Education 2012
Von Viren infizierte Zellen (links) sezernieren Interferon, das in Nachbarzellen die Synthese antiviraler Proteine induziert (rechts)

  Interferone (IFN) sind (Glyko-)Proteine, die anregend auf das Immunsystem wirken, vor allem antiviral (>Abbildung) und tumorbremsend.
 
  Typ-I-Interferone (IFN-α und IFN-β) gehören zum unspezifischen System und schützen Nachbarzellen vor Viren (antiviraler Zustand)
         α-Interferone werden nach Kontakt mit Nukleinsäure (bakteriell, viral) von Leukozyten freigesetzt und regen über spezifische Rezeptoren an benachbarten Zellen die Expression von Genen an, die einerseits die Synthese fremder Proteine hemmen (>Abbildung) und andererseits den Abbau fremder RNA fördern. Auch aktivieren sie natürliche Killerzellen

         β-Interferone stammen hauptsächlich aus virusinfizierten Fibroblasten und haben ebenfalls antivirale Wirkung
    
  Typ-II-Interferon (IFN-γ) zählt zum spezifischen System. Es unterstützt die zelluläre Abwehr durch Aktivierung von Makrophagen (Produktion von Radikalen) und zytotoxischen T-Zellen sowie Anregung von NK-Zellen. Interferon-γ stammt aus T-Helferzellen, die bakterien-phagozytierende Makrophagen erkennen und deren Bakterienabbau unterstützen.
 
Chemokine
 

>Abbildung: Beteiligung von Chemokinen an der Verlagerung von Leukozyten in entzündetes Gewebe
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Chemokine werden bei entzündlicher Irritation von Gewebs- und Endothelzellen gebildet. Sie werden an der inneren Oberfläche - an Proteoglykane ixiert - "präsentiert" und binden an leukozytäre Chemokinrezeptoren.
 
Das aktiviert Integrine auf den Leukozyten (Konformationswechsel von niedriger zu hoher Affinität für den Integrinliganden auf Endothelzellen), sodass diese stabil an das Endothel binden können - mit der Folge der Diapedese in das entzündete Gewebe

  vgl. auch dort   

Chemokine (chemoattractant cytokines) sind (etwa 50) kleine (8-10-kD) Zytokine aus Leukozyten, Endothel-, Epithelzellen und Fibroblasten, die über CCR (Chemokinrezeptoren - metabotrope Rezeptoren) auf Lymphozyten wirken und Chemotaxis auslösen. Sie spielen für Zellentwicklung und -bewegung, Erhaltung der Zytoarchitektur, sowie immunologische Vorgänge eine Rollle. Sie kontrollieren die Entwicklung lymphatischer Organe, und sie steuern die Bewegung von Leukozyten durch deren spezialisierte Zonen.

Chemokine locken Abwehrzellen zu Entzündungsorten - sie erhöhen die Adhäsion an das Endothel, helfen bei der Steuerung des Austritts von Immunzellen aus dem Blut (z.B. über hochendotheliale Venolen) und ihrer Bewegung durch das Gewebe. Zusammen mit anderen Zytokinen steuern sie auch die Organisation lymphatischer Organe, z.B. in T- und B-Zell-reiche Zonen. Dadurch helfen sie bei der korrekten Kontaktnahme von Immunzellen, z.B. von B-Lymphozyten an dendritische, und T-Lymphozyten an antigenpräsentierende Zellen.

Nach antigener Stimulation ändern Lymphozyten die Expression ihrer Chemokinrezeptoren - je nach spezifischer Aufgabe. Die Ausstattung von B- und T-Zellen mit CCR ist ein dynamischer, situationsabhängiger Prozess.
 
Tumornekrosefaktor
 

<Abbildung: TNF und andere Zytokine bei entzündlichen Reaktionen
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
TNF ruft mit anderen Zytokinen (IL-1, IL-6) lokale (erhöhte Gefäßpermeabilität) und systemische Entzündungserscheinungen hervor. Dazu gehören die Entstehung von Fieber, die Bildung von Akutphasenproteinen und gesteigerter Output von Leukozyten aus dem roten Knochenmark.
 
Zu pathologischen Reaktionen gehören geschwächte Herzfunktion, Thrombose und erniedrigte Insulinwirkung, sowie septischer Schock

Die Tumornekrosefaktor (TNF)- und TNF-Rezeptor-Superfamilien umfassen 19 verschiedene Liganden sowie 29 Rezeptoren. (der TNF-Rezeptor ist trimer, so wie TNF selber.) Sie modulieren zelluläre Homöostase, Entwicklung sowie Reizantwort, und sichern teils das Überleben der Zelle, teils sind sie apoptosefördernd. Vor allem wirken sie im Immunsystem - sowohl im adaptiven als auch im angeborenen - kostimulatorisch und koinhibierend.

Tumornekrosefaktor-α ist ein hauptsächlich von Makrophagen, aber auch von T-Lymphozyten, dendritischen Zellen, Adipozyten und Fibroblasten gebildetes Protein. TNF wirkt auf Immunzellen, Endothelien und andere Zellen regulierend ein; er beeinflusst Proliferation, Differenzierung und Apoptose von Zielzellen, Aktivierung von Makrophagen und NK-Zellen, Bildung von Akutphasenproteinen in der Leber, Osteoklastenaktivierung oder modifizierte synaptische Transmission über Gliazellen.

TNF zerstört Infektionserreger und Tumorzellen (daher der Name), und es hemmt die Nahrungsaufnahme (wirkt kachexiefördernd).

Fehlregulation involvierter Signalwege kann entzündliche und Autoimmunprozesse bewirken. 
  
Koloniestimulierende Faktoren
 
 
>Abbildung: Hämatopoese
Nach einer Vorlage in Rassow / Deutzmann / Hauser, Duale Reihe: Biochemie, Thieme 2008
Die Steuerung der Blutbildung erfolgt durch Wachstumsfaktoren / Zytokine (blaue Felder)

    CSF, koloniestimulierende Faktoren - Wachstumsfaktoren, Zytokine, bewirken  Multiplikation und Reifung von Knochenmarkstammzellen    CFU, kolonienbildende Einheiten (colony forming units) hämatopoetischer Zellinien    G, Granulozyt    IL, Interleukin    M, Monozyt

  Koloniestimulierende Faktoren (CSF = colony stimulating factors). Dies sind Wachstumsfaktoren, welche Stammzellen im Knochenmark wachsen und reifen lassen:

      Granulozyten: G-CSF ist für Überleben und Proliferation unreifer Vorläuferzellen notwendig, wirkt aber auch auf reife neutrophile Granulozyten (diese verfügen ebenfalls über G-CSF-Rezeptoren), was sie z.B. zu Chemotaxis anregt

      Makrophagen /Monozyten: M-CSF läßt aus Blutstammzellen Makrophagen, Monozyten und andere mononukleäre Phagozyten reifen (CSF1-Rezeptoren haben alle Zellen mononukleärer Herkunft, inlusive Monozyten, Makrophagen, Osteoklasten und Mikroglia)

      Granulozyten und Makrophagen: GM-CSF hilft bei der Differenzierung von Vorläuferzellen in Granulozyten und Makrophagen

      Megakaryozyten: Thrombopoetin

      Stammzellen: S-CSF tritt in einer freien und einer membrangebundenen Variante auf; Bindung an der Rezeptor führt zu Tyrosinkinaseaktivität

      Auch Erythropoetin und einige Interleukine werden zu dieser Gruppe gezählt
 
        Über zytokinartige Botenstoffe aus Muskel- oder Fettgewebe (z.B. Irisin, Leptin) s. dort



Transformierende Wachstumsfaktoren
 
Zu den Transformierenden Wachstumsfaktoren (Transforming growth factors TGF) werden zwei Peptidklassen gezählt: TGF-α und TGF-β; diese sind unterschiedlich aufgebaut und wirken über verschiedene Rezeptoren.
 
      TGF-α wird von Makrophagen, Gehirn- und Hautzellen gebildet und fördert das Epithelwachstum;
  
      TGF-β (3 Subtypen: 1-3) regulieren den Zellzyklus und induzieren Apoptose, beeinflussen Zelldifferenzierung, Entwicklung, Wachstum und Regeneration, sowie das Immunsystem. Zur TGF-ß-Familie gehören weiters - von verschiedensten Geweben gebildet - als Aktivine (A, B) bezeichnete Glykoproteine, die neben wachstumsfördernden und morphogenetischen auch endokrine Wirkungen ausüben, u.a. die Aktivierung von FSH.

TGFs wirken über TGF-Rezeptoren, die als dissoziierte Heterodimere (RI und RII) vorliegen. Bindet RII das Hormon, dimerisieren die beiden, RII aktiviert RI, und dieses aktiviert einen Transkriptionsfaktor (genannt Smads). Dieser wiederum tut sich mit einem Co-Smads zusammen, das Dimer wandert in den Zellkern und reguliert hier die Expression spezifischer Gene.
 
Zytokinrezeptoren
 
Zur Zytokinrezeptor-Familie gehören Rezeptoren für Zytokine, aber auch solche für GH, Prolaktin, Erythropoetin und Leptin. Diese Rezeptoren liegen in dimerer Form vor, haben keine intrinsische Proteinkinaseaktivität, aber ihre zytoplasmatische Domäne ist mit JAK-Kinase-Molekülen assoziiert. Dadurch haben sie Zugriff auf die Genexpression der Zielzelle.
 

<Abbildung: Zytokinrezeptoren, JAK-STAT-Mechanismus
Modifiziert nach einer Vorlage bei clinicalgate.com
Die hier dargestellten Rezeptoren haben keine eigene enzymatische Aktivität; bei Bindung ihres Signalstoffs (extrazellulär) dimerisieren sie und aktivieren Janus-Kinase (JAK; intrazellulär). JAK phosphoryliert STAT (signal transducers and activators of transcription).
  
STAT-Moleküle verfügen u.a. über eine DNS-bindende Domäne und wandern nach ihrer Aktivierung in den Zellkern, wo sie ihre Zielgene "einschalten"

Zytokine wirken - wie Hormone - über eigene Rezeptoren (<Abbildung), die unterschiedliche intrazelluläre Mechanismen benützen. Sie steuern und koordinieren Funktionen des Immunsystems; so regen z.B. aktivierte T-Zellen B-Lymphozyten, die über passende Rezeptoren für das erkannte Antigen verfügen, zu Teilung und Wachstum an.

Beispiel: Bei entzündlichen Prozessen hat Interleukin 6 eine strategische Position beim Übertragen angeborener (Konzentration von Granulozyten) zu adaptiver Immunität (Attraktion von T-Zellen). Es ist dabei dem (vor allem aus Makrophagen stammenden) Tumornekrosefaktor untergeordnet, der mit entsprechenden Rezeptoren ausgestattete Zellen aktivieren oder zerstören kann.

Alle Zytokinrezeptoren bestehen aus einer oder mehreren Transmembranproteinen; ihre extrazelluläre Domäne bindet ein Zytokin, die zytoplasmatische startet draufhin intrazelluläre Signalkaskaden. Meist werden dabei aktivierte Rezeptoren in der Membran zu Gruppen versammelt (Clustering) - das aktiviert Tyrosinkinasen und schaltet entsprechende zelluläre Reaktionen ein.

Je nach der Struktur der extrazellulären Rezeptordomäne unterscheidet man verschiedene Zytokin-Rezeptorfamilien:

  Typ-I-Zytokinrezeptoren (Hämatopoetin-Rezeptorfamilie) - z.B. für Interleukine 2, 4, 6, 7, 9, 11, 15, 21, 27; GM-CSF, G-CSF. Sie nützen den JAK-STAT-Signalweg.


  Typ-II-Zytokinrezeptoren (Interferon-Rezeptorfamilie) - z.B. für Interleukine 10, 20, 22; Interferone vom Typ I und II. Auch diese Rezeptoren nützen den JAK-STAT-Signalweg.


  TNF-Rezeptorfamilie - z.B. TNF-Rezeptoren, CD40-Protein, Fas u.a. Diese Rezeptoren können Genexpression und auch (über Caspasen) Apoptose anregen.

 
Arten von T-Lymphozyten
 
Zytotoxische (CD8+) Zellen Helfer (CD4+)-Zellen Treg-Zellen NKT-Zellen  MAIT-Zellen
  
Zytotoxische (CD8+) T-Zellen (CTLs)
 

>Abbildung: Abfolge der CTL-vermittelten Lyse einer Zielzelle
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Nachdem die CTL (Cytotoxic T-Lymphocyte, CD8+ zytotoxische T-Zelle) eine antigenpräsentierende Zielzelle (mit MHC-I) erkannt hat und aktiviert wurde, exozytiert sie den Inhalt ihrer Granula im Bereich der Kontaktstelle (immunologische Synapse), in der weitere Kontaktmoleküle interagieren.
 
Die CTL kann sich anschließend wieder ablösen und weitere Zielzellen abtöten. Die Zielzelle stirbt durch Apoptose.

LFA = Leukocyte function-associated antigen, ICAM =  Intercellular Adhesion Molecule

Wie kann sich eine Zelle gegen Virenbefall wehren? Die meisten Körperzellen verfügen nicht über lysosomale mikrobizide Mechanismen, wie sie Phagozyten haben; aber auch diesen nützt das nichts, wenn die Viren im Zytoplasma und damit für die Lysosomen unerreichbar sind. Das gilt auch für phagozytierte Bakterien, die es schaffen, aus Phagosomen in das Zytoplasma - und dadurch der Lyse - zu entkommen.

Der einzige Ausweg ist das Abtöten der befallenen Zelle, denn damit verlieren die Viren ihre Replikationsgrundlage. Diese Aufgabe übernehmen CD8-positive Lymphozyten (zytotoxische oder "Killer"-T-Zellen, CTLs, Cytotoxic T Lymphocytes), die auch virusbefallebe Phagozyten eliminieren können. (Im Rahmen der angeborenen Abwehr übernehmen diese Aufgabe "natürliche Killerzellen").

    Wie werden naive CD8+-T-Lymphozyten zu Effektorzellen aktiviert? Aktivierte dendritische Zellen (über MHC-gekoppelte Antigene z.B. viraler Herkunft sowie Kostimulatoren) und CD4+-T-Helferzellen (diese regen die CD8+-Zelle bei passendem MHC-Kontakt mittels Zytokinen an) lassen CD8+-T-Zellen zu funktionsfähigen zytotoxischen T-Zellen werden. Die Differenzierungsschritte laufen ähnlich ab wie bei CD4+-T-Zellen.

    Dendritische Zellen sind meist nicht von Viren infiziert; woher nehmen sie das zu präsentierende Antigen? Spezialisierte dendritische Zellen endozytieren virusinfizierte Zellen oder Tumorzellen (oder Proteine), transportieren daraus gewonnene Antigene in ihr Zytosol und präsentieren sie über MHC-I an CD8+-Lymphozyten (Cross-presentation).

Zytokine (IL-2, IL-12, IL-15, IL-21 - gebildet von verschiedenen Lymphozyten und antigenpräsentierenden Zellen) unterstützen die Reifung der CD8+-T-Zellen. CD4+-T-Helferzellen verstärken weiters die Fähigkeit dendritischer Zellen, die Differenzierung zytotoxischer T-Zellen zu fördern. Das geschieht u.a. dadurch, dass dendritische Zellen Kostimulatormoleküle exprimieren, die dann mit Rezeptoren an den CD8+-T-Zellen interagieren. Dabei wird CD40 (auf antigenpräsentierenden Zellen) durch CD40-Liganden (auf Helferzellen) aktiviert. Und auch dendritische Zellen bilden Zytokine (IL-12, IL-15), die CD8+-T-Lymphozyten aktivieren.

  Einmal aktiviert, proliferieren die Killerzellen, bilden einen Klon, wandern aus dem Lymphknotenins Blut und von dort an die Stelle, wo sich infizierte Zellen befinden. Sie töten Zielzellen ab, die dieselben MHC-I-assoziierten Antigene exprimieren, welche die Proliferation des betreffenden CD8+-Lymphozytenklons ausgelöst hat.

Reife Effektor-CD8+-T-Zellen bilden Zytokine - vor allem γ-Interferon zur Anregung der Phagozytose. Weiters bilden und speichern sie in modifizierten Lysosomen - sogenannten Granula - Granzyme und Perforin. Mit diesen können sie virusinfizierte oder Tumorzellen abtöten. Auch bei der Abstoßung transplantierten Gewebes spielen diese Mechanismen eine Schlüsselrolle.

Bei der Erkennung und Abtötung der Zielzellen spielt der Aufbau sogenannter immunologischer Synapsen eine wichtige Rolle (>Abbildung): Der komplette Erkennungsvorgang involviert - außer der Bindung zwischen lymphozytärem Rezeptor einerseits, MHC-I und präsentiertem Peptid andererseits - CD8 (Bindung an MHC-I) sowie die stabilisierende Interaktion von Integrinen, insbesondere zwischen LFA-1 (Leukocyte function-associated antigen 1) des Lymphozyten und ICAM (Intercellular Adhesion Molecule) der Zielzelle. Die "immunologische Synapse" nimmt eine ringförmige Gestalt an, die es ermöglicht, aggressive Stoffe in den so entstandenen separierten Spaltraum abzusondern, ohne dass diese in den umgebenden Extrazellulärraum entweichen; stattdessen entfalten sie ihre konzentrierte Wirkung an der Kontaktstelle zur Zielzelle.
 

<Abbildung: Mechanismus der Abtötung von Zielzellen der CTL
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Die Eliminierung der Zielzellen erfolgt über zwei Hauptmechanismen:

Oben: Die CD8+-T-Zelle setzt Perforin-Granzym-Komplexe frei. Der Perforinmechanismus bewirkt die Aufnahme von Granzymen in das Zytoplasma der Zielzelle, was ihre Apoptose auslöst.

Unten: Aktivierte CD8+-T-Zellen exprimieren FasL (Fas-Ligand), der an Fas (fast apoptosis signal) der Zielzellen bindet

Der Mechanismus der Abtötung der Zielzellen besteht in erster Linie in der Freisetzung zytotoxischer Proteine aus der aktivierten T-Zelle und ihre Deponierung an der Membran der Zielzelle (<Abbildung).

Bindung des Antigens an den T-Zell-Rezeptor führt dabei zu Umstrukturierung des Zytoskeletts: Dessen Organisationszentrum rückt in die Nähe der Kontaktstelle mit der Zielzelle, die zytoplasmatischen Granula werden entlang von Mikrotubuli zur ringförmigen "immunologischen Synapse" transportiert, angereichert, und dort ihr Inhalt exozytotisch freigesetzt.

Es dauert wenige Minuten, bis dieser Mechanismus greift, und auch wenn die T-Zelle sich anschließend von der Kontaktstelle wieder löst, stirbt die Zielzelle innerhalb der nächsten 2-6 Stunden durch Apoptose.
 
     Perforin-Granzym-Mechanismus: Die führenden Wirkstoffe, welche die T-Zelle freisetzt, sind Granzyme und Perforin (das gilt auch für NK-Zellen). Die lymphozytären Granula enthalten auch Serglyzin, ein sulfatiertes Proteoglykan, das Granzyme und Perforin in einem inaktiven Zustand hält, solange sie in den Granula gespeichert sind (und wahrscheinlich nach Öffnung der Vesikel zum Rezeptor-Spaltraum hin die CD8+-T-Zelle schützt).
 
     Die Granzyme A, B und C sind apoptoseauslösende Serin-Proteasen, sie dringen durch Perforinporen in die angegriffene Zelle ein. Granzym B aktiviert Caspasen und leitet damit Apoptose ein.
 
     Perforin ist ein zytolytisches Protein aus Granula zytotoxischer (CD8+) T-Zellen und NK-Zellen, das nach deren Degranulation die Membran von Zielzellen perforiert und Poren bildet (>Abbildung). Es ist zum C9-Komplementfaktor homolog. Wie der Eintritt der Wirkstoffe in die Zielzelle genau erfolgt, ist noch unklar (2020). Vielleicht bewirkt die Einlagerung der Perforinporen einen Reparaturvorgang, über den dann die Enzyme letztlich in das Zytosol der Zielzelle gelangen.
 

>Abbildung: Perforinmechanismus
Kombiniert nach Vorlagen in 78stepshealth.us und meddic.jp
Oben: Zytotoxische T-Zellen setzen auf entsprechende Reize hin - Ca++-getriggert - aus Granula (modifizierten Lysosomen) Perforinmonomere frei, nachdem sie die Angriffsstelle vom übrigen Extrazellulärraum durch Membrananlagerung abgedichtet haben (selektive Attacke, Schutz benachbarter Zellen).
  
Unten: Die Monomere aggregieren in der Membran der Zielzelle - ebenfalls Ca++-getriggert - zu röhrenförmigen "Angriffskomplexen" (ähnlich dem Komplement-MAC), durch die u.a. Granzyme - kooperierende Proteasen aus den Granula zytotoxischer T-Zellen - in die Zelle eindringen (violetter Pfeil)

Jedenfalls aktivieren die Granzyme verschiedene Substratmoleküle, darunter Caspasen. Damit ist die Apoptose "eingeschaltet".

Es gibt noch einen zweiten Weg, die Apoptose zu aktivieren: Aktivierte CD8+-T-Zellen exprimieren Fas-Ligand, der an den - von vielen Zellen exprimierten - "Todesrezeptor" Fas (fast apoptosis signal) der Zielzellen bindet, was ebenfalls Caspase aktiviert.

Hat die CD8-positive T-Zelle den Angriff auf die Zielzelle vollbracht, kann sie sich wieder von ihr ablösen (sie bleibt bei diesem Vorgang unbeschädigt) und kann sich weiteren virusbefallenen oder Krebszellen zuwenden.

Nach erfolgter Apoptose der Zielzellen werden die Bruchstücke von Makrophagen abgeräumt. Dabei wird auch virale DNS / RNS zerstört.
 
T-Zell-Erschöpfung: Bleibt ein Antigen trotz Immunabwehr für längere Zeit im Körper präsent - wie bei chronischer viraler Infektion -, kann es zu Abnahme der Effektorfunktion zytotoxischer T-Zellen kommen (T cell exhaustion). Dabei nimmt die Proliferation der zytotoxischen Zellen ab, sie bilden weniger Interferon und zeigen sinkende Zytotoxizität. Das verringert die gewebeschädigenden Nebenwirkungen der zellulären Abwehrmechanismen, worin wahrscheinlich der evolutionäre Vorteil der T-Zell-Erschöpfung besteht.
 
CD4+-T-Lymphozyten
 
Th1-Helferzellen Th2-Helferzellen Th17-Helferzellen Tfh-Helferzellen

<Abbildung: Abfolge der Schritte CD4+-T-Zell-vermittelter Immunantworten
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
CD4+-T-Zellen erkennen in einem Lymphknoten mikrobielle Peptide, die von dendritischen Zellen präsentiert werden. Sie teilen sich und werden zu Effektorzellen. Diese gelangen in den Blutkreislauf und wandern in infiziertes Gewebe. Hier binden sie Antigen, sezernieren Zytokine und diese locken mehr Leukozyten an den Ort des Geschehens
Proliferierende CD4+- (Helfer-) T-Zellen entwickeln sich - angeregt durch antigenpräsentierende Zellen (hauptsächlich dendritische Zellen und Makrophagen) sowie andere Zellen (NK-Zellen, Mastzellen) - zu Spezialisten, die für die jeweilige Situation optimierte "Zytokin-Cocktails" bilden.

Helferzellen aktivieren B-Lymphozyten, Makrophagen und dendritische Zellen. Ein Teil von ihnen verbleibt in lymphatischem Gewebe und hilft B-Zellen bei der Produktion von Antikörpern.

Zellen in der Nachbarschaft antigenstimulierter CD4+-Zellen im lymphatischen Organ (wo die Immunantwort getriggert wird) beeinflussen deren schrittweise Reifung: Dendritische, NK- und Mastzellen präsentieren nicht nur Antigen, sondern sezernieren auch Zytokine und Kostimulatoren - in Abhängigkeit von den Mikroben, denen sie ausgesetzt sind. Mit anderen Worten: Mikroben steuern das Muster verschiedener Immunfaktoren, die von antigenerkennenden Zellen exprimiert werden.

CD4+- Effektor-T-Zellen entwickeln sich aus naiven CD4+-Lymphozyten und kommen als mehrere Subsets vor, die - auf Grund ihrer Expression von Chemokinrezeptoren und Adhäsionsmolekülen - jeweils unterschiedliche Muster der Migration in das Gewebe (homing) aufweisen.

Entsprechend dem Zytokinmuster, das sie erzeugen, unterscheidet man Th1-, Th2-, Th17-, follikuläre (Tfh) Helferzellen - all dies sind Effektorzellen - sowie regulatorische T-Lymphozyten (Treg-Zellen). Dabei gibt es Überlappungen, und die Zuordnung einer T-Helferzelle zu einem bestimmten Subset muss nicht eindeutig sein.

Die Kombination der von einer differenzierten Zelle erzeugten Zytokine hängt von Transkriptionsfaktoren sowie von epigenetischen Veränderungen (Modifikationen am Chromatin - Methylierung, Azetylierung u.a.) ab, welche die Zugänglichkeit zu den betreffenden Genorten beeinflussen. Die Transkriptionsfaktoren werden ihrerseits von Antigenrezeptoren, Kostimulatoren und Zytokinrezeptoren an der Oberfläche der Zelle aktiviert. Einmal festgelegt, bleibt der betreffende "Zytokin-Cocktail" für den Lymphozytenklon erhalten. Dieser fördert die Proliferation des eigenen Subsets, und kann die Entwicklung von Zellen eines anderen Subsets behindern - z.B. hemmen Th1-Zellen über Interferon Th2- und Th17-Zellen (>Abbildung).

Die Mikroben selbst induzieren die Ausbildung desjenigen Lymphozyten-Subsets, der zur Bekämpfung dieser Mikroben am besten geeignet ist.

Außer Zytokinen beeinflussen auch andere Faktoren die Lymphozytenentwicklung, wie genetische Ausstattung, Zugänglichkeit der DNS-Sequenzen (epigenetische Veränderungen), Antigenmenge, Rezeptoraffinität für das Antigen, Kostimulatoren, Art der antigenpräsentierenden Zelle.
 
Th1-Helferzellen
 

>Abbildung: Entwicklung von Th1-Lymphozyten
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Dendritisxche Zellen und Makrophagen bilden bei Mikrobenkontakt Interleukin 12, und NK-Zellen Interferon gamma. Beide Zytokine aktivieren Transkriptionsfaktoren (T-bet, STAT1, STAT4), diese fördern die Verwandlung naiver CD4-positiver T-Zellen zu Th1-Zellen.
 
Th1-Zellen bilden Interferon-γ, das wiederum die Entwicklung von Th2- und Th17-Zellen hemmt
Th1-Helferzellen bekämpfen intrazelluläre Pathogene, indem sie Phagozyten anregen. Sie werden aktiv, wenn Mikroben von dendritischen Zellen, Makrophagen oder NK-Zellen phagozytiert wurden, und regen Makrophagen zur Abtötung der Mikroben an. Ihre Entwicklung wird von dendritischen Zellen mittels IL-12 und γ- Interferon angeregt, welche Transkriptionsfaktoren (T-bet, STAT1 und STAT4) induzieren und aktivieren (>Abbildung).

Th1-Zellen hemmen die Th2-Zellreifung und setzen Zytokine frei: Typ-I-Interferon, IL12, IL-18. Diese unterstützen sie Bekämpfung von Viren oder Bakterien, die körpereigene Zellen infiziert haben. Insgesamt mobilisieren diese Zytokine spezifische Abwehr (zellulär und humoral) und unterstützen entzündliches Geschehen (proinflammatorische Wirkung).

Ein Kennzeichen von Th1-Zellen ist die Produktion von γ- Interferon, das außer Makrophagen auch die Entwicklung von Th1-Zellen stimuliert und diejenige von Th2- und Th17-Zellen hemmt). Ziel der Th1-Wirkung ist die Phagozytose und Abtötung von Mikroben durch Makrophagen, CD8+ T-Zellen, IgG+ B-Zellen und CD4+ T-Zellen.

γ-Interferon hat folgende Funktionen:
 
    Es stimuliert Gewebsmakrophagen zur Phagozytose intrazellulärer Bakterien / Protozoen, aktiviert die NO-Bildung (iNOS) zur Abtötung von Bakterien / Protozoen.
 
    Es regt die Differenzierung naiver CD4+-Zellen zu Th1-Zellen an und hemmt gleichzeitig diejenige von Th2- und Th17-Zellen.
 
  Es regt die Expresison von Proteinen (u.a. MHC) an, welche Antigenpräsentation und T-Zell-Aktivierung stimulieren.
 
    Es beeinflusst den Immunglobulin-Switch von B-Lymphozyten.

Für die Aktivierung von Makrophagen ist außerdem eine Interaktion von CD40 (Makrophage) und CD40Ligand (T-Zelle) notwendig. Diese Interaktion kennzeichnet die "klassische" Makrophagenaktivierung. Dabei kommt es zur Abtötung intrazellulärer Mikroben dutch lysosomale Enzyme und Radikale (NO, ROS).

Defekte an Interferon-γ- oder IL-12-Rezeptoren erhöhen die Infektanfälligkeit gegenüber intrazellulären Mikroben, z.B. Mykobakterien.

Überaktivierung von Th1-Zellen kann Typ-4-Hypersensitivität hervorrufen.  
 
Th2-Helferzellen
 

<Abbildung: Funktion der Th2-Lymphozyten
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Naive CD4+-T-Zellen differenzieren - vermittelt über die Wirkung antigenpräsentierender Zellen - zu Th2- und Tfh-Zellen. Interleukine stimulieren B-Zellen ((IgG-, IgE-Produktion), eosinophile Granulozyten (IgE), Makrophagen (alternative Makrophagenaktivierung) und regen die Peristaltik und Schleimproduktion im Darm an, was Würmern das Leben schwermacht
Th2-Helferzellen vermitteln Abwehrvorgänge durch eosinophile Granulozyten (Produktion von IgE) und Mastzellen, was Makrophagen triggert ("alternative" Makrophagenaktivierung im Gegensatz zur durch Interferon angeregten, <Abbildung) und der Bekämpfung von Würmern (Helminthen) und auch von Mikroben auf Schleimhäuten dient - unter anderem durch Erhöhung muköser Schleimbildung. Auch wird die Gewebeheilung angeregt.

Würmer sind zu groß, um von Neutrophilen und Makrophagen aufgenommen zu werden. Spezielle Wege sind zu ihrer Bekämpfung vonnöten.
 
    So regen Interleukin 4 (das kennzeichnende Zytokin für Th2-Zellen) und IL-13 die Darmmotorik und Schleimsekretion an;
 
    B-Zellen werden durch IL-4 zur Bildung von IgE veranlasst, das Mastzellen zur Degranulierung bringt;
 
    IL-5 aktiviert eosinophile Granulozyten, die IgE-spezifische Fc-Rezeptoren exprimieren.
 
Auf diese Weise kommt es zu Degranulation und Freisetzung von sauren und basischen Proteinen, welche die Außenwand von Würmern zerstören.

Die phagozytäre Antwort auf Th2-Zytokine nennt man "alternative" Makrophagenaktivierung. Dabei erzeugen (sogenannte M2-) Makrophagen Zytokine, die entzündungahemmend wirken und Wundheilung einleiten - sie regen die Bildung von Wachstumsfaktoren, Kollagen und Blutgefäßen an.

Th2-Zellen werden durch IL-4 aktiviert, regen B-Zellen zur Proliferation an und hemmen die Th1 / Th17-Funktion (antiinflammatorische Wirksamkeit). Sie sind durch die Produktion von Interleukin 4, 5 und 13 gekennzeichnet:
 
     IL-4 ist ein Schlüsselfaktor der adaptiven Abwehr. Es regt die Entwicklung naiver Lymphozyten zu Th2-Effektorzellen und deren Wachstum, alternative Makrophagenaktivierung, die Darmperistaltik, sowie aktivierte B-Zellen und deren Differenzierung zu Plasmazellen und auch Bildung von IgE (Isotypen-Switch) an. Auch kann es Eosinophile an den Ort des Geschehens locken. Das alles unterstützt die Bekämpfung von Parasiten.
 
     IL-5 stimuliert die Bildung von IgA und regt das B-Zell-Wachstum an, es aktiviert eosinophile Granulozyten und fördert deren Wachstum.
 
     IL-13 hat ähnliche Wirkungen wie IL-4, verstärkt dessen Wirkungen und fördert die Schleimsekretion.
 
Die Entwicklung von Th2-Lymphozyten wird durch Helminthiasis (Wurmerkrankung) und Allergene angeregt, verstärkt durch Interleukin 4 (das auch die Entwicklung von Th1- und Th17-Zellen hemmt) aus Mastzellen, Eosinophilen und T-Zellen selbst. Dies läuft über die Wirkung von Transkriptionsfaktoren (STAT6, GATA-3), dadurch wird die naive T-Zelle zum Th2-Lymphozyt. GATA-3 stellt nicht nur die Weiche in Richtung Th2, sondern regt auch die Expression von IL-4, IL-5 und IL-13 an.
 

Zwischen Th-1 und Th-2-Zellen besteht eine reziproke Hemmung (Th1/Th2-Balance). Da diese Hemmung durch Zytokine erfolgt und Zytokine nur auf kurze Distanz wirksam sind, besteht diese wechselseitige Beeinflussung jeweils für ein eng umschriebenes Gewebeareal. Das verleiht dem Immunsystem hohe Flexibilität: Gleichzeitig können verschiedene Erreger mit dem jeweils notwendigen spezifischen Apparat angegangen werden.
  
Th17-Helferzellen
 

>Abbildung: Funktion der Th17-Lymphozyten
Nach einer Vorlage in Abbas / Lichtman / Pillai: Cellular and Molecular Immunology, 9th ed. 2018
Naive CD4+-T-Zellen werden von antigenpräsentierenden Zellen (APC) nach Kontakt mit Bakterien oder Pilzen zur Ausbildung von Th17-Klonen angeregt. Th17-Zellen produzieren Chemokine, die Neutrophile und andere Leukozyten an Orte locken, wo Schleimhäute vor Mikroben geschützt werden sollen
Th17-Helferzellen mobilisieren Leukozyten - hauptsächlich neutrophile Granulozyten, weniger stark auch Monozyten - zu Orten von Entzündungen ("neutrophile Entzündung" durch IL-17), insbesondere an Schleimhäuten, und veranlassen B-Zellen zur Bildung passender Antikörper. So helfen sie, extrazelluläre Bakterien und Pilze zu zerstören, und die Unversehrtheit epithelialer Barrieren - z.B. im Darm - zu erhalten.

Aktiviert werden Th17-Zellen durch Zytokine wie IL-6 und TGF-ß aus dendritischen Zellen; sie wirken ähnlich wie Th1. Der Großteil der Entzündungsvorgänge wird durch IL-17 mediiert und dient der Abwehr von Pathogenen, insbesondere extrazelluläre Bakterien und Pilze.

Th17-Zellen sind durch die Produktion von IL-17, IL-21 und IL-22 gekennzeichnet (>Abbildung). Sie limitieren das Eindringen von Mikroben über epitheliale Barrieren (z.B. Darmmukosa), regen die Produktion antimikrobieller Peptide (z.B. Defensine) an und unterstützen die Regeneration der Schleimhäute (über IL-22). Ferner haben regulatorische Eigenschaften im T-Zell-System.
 
     IL-17 stimuliert - über IL-17-Rezeptoren (A bis F), die von zahlreichen verschiedenen Zellen exprimiert werden (Neutrophile, Makrophagen, Endothel- und Epithelzellen, Fibroblasten) - die Bildung antimikrobieller Stoffe (z.B. Defensine) und zahlreicher anderer Zytokine, Chemokine und Prostaglandine.
 
     IL-21 - aus aktivierten CD4+-Zellen - regt die Differenzierung von Th17-Zellen sowie B-Zellen zur Antikörperproduktion an.
 
     IL-22 - gebildet von aktivierten T-Zellen, einigen NK- und lymphoiden Zellen der angeborenen Immunabwehr - verstärkt die Barrierefunktion der Schleimhäute, produziert antimikrobielle Peptide und stimuliert die Bildung von Chemokinen, die zu entzündlichen Prozessen beitragen.

Überaktivierte Th17-Zellen können an zahlreichen Autoimmunerkrankungen beteiligt sein (multiple Sklerose, rheumatoide Arthritis, Psoriasis).
 
Die Entwicklung von Th17-Lymphozyten wird durch proinflammatorische Zytokine(IL-1, IL-6 und IL-23) angeregt, produziert von antigenpräsentierenden Zellen, die durch Anwesenheit und Phagozytose von Bakterien und Pilzen dazu angeregt werden. IL-6 (aus dendritischen Zellen) und TGF-ß (aus verschiedenen anderen Zellen) wirken auf Transkriptionsfaktoren (STAT3, RORγt), dadurch werden naive CD4+- zu Th17-Lymphozyten. TGF-ß supprimiert auch Th1- und Th2-Zellen.
 
 Tfh-Helferzellen
 
Tfh-Helferzellen (follikuläre Helferzellen) beteiligen sich an der Bildung und Funktion von Keimzentren in Lymphfollikeln. Sie sind durch die Produktion von Interleukin 21 gekennzeichnet, bilden auch IL-4 und γ-Interferon. Sie aktivieren B-Lymphozyten zur Antikörperproduktion und bekämpfen extrazelluläre Pathogene. IL-4 regt die Entwicklung zu Th2-Effektorzellen sowie deren Wachstum, sowie den Isotypen-Switch zu IgE an.
   
          CD-Antigenliste
 
Treg-Zellen
 
<Abbildung: Regulatorisches Gleichgewichte im Immunsystem
Nach Larché M, Wraith DC. Peptide-based therapeutic vaccines for allergic and autoimmune diseases. Nature Med 2005; 11: S69–S76
Das Immunsystem schützt den Organismus vor mikrobiellen Angriffen, muss aber gleichzeitig die eigenen Gewebe schonen. Die Maßnahmen müssen daher ausgewogen und gezielt erfolgen.
  
Regulatorische Gleichgewichte bestehen z.B. zwischen T-Helferzellen, Helferzellen und regulatorischen T-Zellen,  sowie zwischen pro- vs. anti-inflammatorischen Faktoren. Suppressorzellen sollen fehlgeleitete Antworten (Autoaggression, Hypersensitivität) verhindern bzw. begrenzen
Treg-Zellen (regulatorische Lymphozyten, früher Suppressor-T-Zellen) unterdrücken Immunreaktionen und erhalten die Autoimmuntoleranz. Sie exprimieren CD4, CD25 und FoxP3 und sind über deren Nachweis identifizierbar. Gebildet werden Tregs vorwiegend durch Erkennung von Selbst-Antigenen im Thymus (tTreg-Zellen); und durch Antigenerkennung (selbst und fremd) in peripherem lymphatischem Gewebe (pTreg-Zellen).

Treg-Zellen bremsen Effektor-T-Zellen z.B. durch
 
     Produktion von IL-10 und TGF-ß
 
      Bildung von Faktoren wie CD25 (Teil des IL-2-Rezeptors; Treg-Zellen brauchen zum Überleben IL-2) und des Transkriptionsfaktors FoxP3
 
      Limitierung klonaler Expansion
 
      Verbrauch von IL-2

Viele von ihnen sind "induzierbar" (iTreg): Dendritische Zellen präsentieren den Treg-Rezeptoren Antigene (über MHC-II), und wenn dabei nicht auch IL-6 gebildet wird, hat die dendritische Zelle die Pathogenität als gering eingestuft und bremst die Immunantwort ein (andernfalls würden Th17-Zellen aktiviert).
 
NKT-Zellen
 
NKT-Zellen (natürliche Killer-T-Zellen) - eine kleine Untergruppe der T-Zellen - exprimieren Marker, die auch auf NK-Zellen zu finden sind (z.B. CD56). Sie erkennen mit ihren T-Rezeptoren (die eng begrenzte Diversität aufweisen) fremde Glykolipide (z. B. von intrazellulären Bakterien) auf CD1, einem MHC-ähnlichen Molekül.

Neu gebildetes CD1 bindet Lipide aus der Zelle, bringt sie an die Zelloberfläche, tauscht sie gegen exogene Lipide aus, wird wieder endozytiert und gelangt in den endo- / lysosomalen Apparat, um schließlich die aufgenommenen Fremdlipide zu präsentieren (Abwehr lipidreicher Bakterien, z.B. Mykobakterien).

NKT-Zellen können auch virusinfizierte oder Tumorzellen vernichten (dazu werden Perforin und Granzyme ausgeschüttet). NKT-Zellen bilden zahlreiche Zytokine, ihre Auswirkungen können sowohl stimulierend als auch inhibierend sein.
 
MAIT-Zellen
 
Eine andere Untergruppe der T-Zellen finden sich vor allem in der Leber (≈50% aller hepatischen T-Zellen). Man nennt sie mukosa-assoziierte invariante T-Tellen (MAIT: Mucosa-associated invariant T cells), weil sie über invariante T-Zell-Rezeptoren verfügen (ähnlich wie NKT-Zellen). Sie erkennen Metabolite des Riboflavin-Syntheseweges von Pilzen und Bakterien, die über ein MHC-I-ähnliches Protein (MR1) präsentiert werden.

MAIT-Zellen sind meist CD8-positiv und werden über MR1 oder Zytokine (IL-12, IL-18) aktiviert. Sie selbst sezernieren entzündungsfördernde Zytokine (TNF, Inferferon-γ) und wirken zytotoxisch auf infizierte Zellen. Vermutlich wirkt diese Zellgruppe als zweite Abwehrlinie gegen Mikroben, welche die Darmbarriere überwunden und über den Pfortaderkreislauf bis zur Leber vorgedrungen sind.

 
Bei zahlreichen Erkrankungen ist es wünschnswert, die Funktionsketten im Immunsystem zu modulieren. Dies kann mit einer Zytokintherapie erfolgen. So stärkt man z.B. bei Infektionskrankheiten oder Tumoren die Abwehr, oder man bremst sie bei Autoimmun- oder allergischen Erkrankungen. Oder man verabreicht koloniestimulierende Faktoren (CSF) nach Knochenmarkstransplantationen und regt so die Blutbildung an.

Ist die immunologische Selbsttoleranz (s. oben: Auslese im Thymus) gestört, kann es zu Autoimmunkrankheiten kommen. Solche Erkrankungen sind oft mit spezifischen HLA-Mustern assoziiert.

Helferzellen sind das bevorzugte Ziel der AIDS-Erreger, HIV = human immunodeficiency virus. Hier nimmt die Abwehrkraft auch gegenüber sonst harmlosen Erregern - Bakterien, Pilzen - in lebensbedrohlicher Weise ab. Man erkennt daran die Abwehrbedeutung der T-Zellen: Ohne sie ist das Immunsystem nicht in der Lage, den Körper ausreichend vor Infektionen zu schützen.

Zur T-Zell-Proliferation ist Interleukin 2 (IL-2) notwendig. Blockade des IL-2-Signalweges wird genützt, um die Abstoßung transplantierter Organe zu verhindern. Zu den Medikamenten, die auf diesem Weg wirksam sind, gehören Cyclosporin und Rapamycin.



Eine Reise durch die Physiologie


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