Abwehrvorgänge (Immunologie)
 
T-Zellen und Zytokine
 
 
© H. Hinghofer-Szalkay

Apoptose: ἀποπίπτειν = abfallen
bursa Fabricii: Girolamo Fabrizio

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, Differenzierung und Proliferation zu Helfer-, Suppressor- und zytotoxischen 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.

"Positive Selektion": Nur jene T-Zellen, die peptidbeladene MHC-I und MHC-II-Moleküle an Thymuszellen erkennen, bleiben intakt - sie sind immunkompetent. Dann stellen sie die Produktion eines der beiden Korezeptoren (CD4 oder CD8) ein ("einfach positiv") und stellen sich 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, etc); im Kreislauf halten sie sich jeweils nur für kurze Zeit auf.

    -- Helferzellen sezernieren Zytokine, hormonartige Substanzen, die über Wirkung spezifischer Rezeptoren die Funktionen des Immunsystems koordinieren (Interleukine, Interferone, koloniestimulierende Faktoren u.a.);
    -- 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 u.a. Zellen vor Virusbefall schützen, Interleukine spezifisch Zellgruppen anregen bzw. inhibieren, Tumornekrosefaktor natürliche Killerzellen und Makrophagen aktivieren usw. Zytokine werden nicht nur von Blutkörperchen, sondern auch anderen Zellen gebildet (Fibroblasten, Endothel, Epithelzellen u.a.).


Übersicht
Thymus: Positive & negative Selektion  T-Zellen und ihre Rezeptoren Zytokine Arten von T-Zellen


>Abbildung: Lymphozytenklassen und deren Funktionen
Nach einer Vorlage in Abbas AK, Lichtman AH, Pillai S, Cellular and Molecular Immunology, 8th ed Saunders Elsevier

Die verschiedenen Lymphozytenklassen erkennen unterschiedliche Antigenarten und differenzieren sich in Effektorzellen, deren Funktion es ist, Antigene zu eliminieren

B-Zellen
erkennen lösliche oder Oberflächenantigene und entwickeln sich zu antikörpersezernierenden Zellen

Helfer-T-Zellen erkennen Antigene an der Oberfläche antigenpräsentierender Zellen und sondern Zytokine ab; diese regen diverse Immunmechanismen und Entzündungsvorgänge an

Zytotoxische T-Zellen erkennen MHC-gebundene Antigene und töten infizierte Zellen ab

Regulatorische T-Zellen (TReg) beschränken die Aktivierung anderer Lymphozyten - insbesondere T-Zellen - und verhindern Autoimmunität

Natürliche Killerzellen (NKC) erkennen veränderte Oberflächenmerkmale infizierter Zellen und töten diese ab; sie gehören zum angeborenen, alle anderen zum adaptiven Immunsystem
Nur 2% aller Lymphozyten befinden sich im Blut, wo ihre Transitzeit etwa 30 Minuten beträgt, bevor sie wieder in das Gewebe übertreten.

Jeden Tag patroulliert der Großteil aller Lymphozyten (≈500 Milliarden) durch Blutbahn, Gewebe und Lymphsystem. So ist eine ausreichende “Trefferwahrscheinlichkeit” gegeben, dass passende T-Zellen auf die Antigene eingedrungener Krankheitserreger reagieren.


Die Buchstaben “B” und “T” bei der Bezeichnung von Lymphozyten deuten auf Organe hin, die mit der Prägung der Lymphozyten für eine bestimmte Aufgabe in Zusammenhang stehen:

  B: Rotes Knochenmark (Bone marrow - bei Vögeln Bursa Fabricii )

  T: Thymusdrüse (im Blut überwiegen T-Zellen mit ca. 80% der Lymphozyten)

 
Die Vorläufer der T-Zellen entstehen im Knochenmark und wandern dann in die Thymusdrüse, wo Thymosine - Thymushormone, insbesondere das Thymosin β4 (Tβ4) - und die spezifische Umgebung (microenvironment) Reifung, Differenzierung und Proliferation der T-Zellen steuern.

Hier 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.


 
Zu den Organen, die Lymphozyten in großer Zahl beherbergen und beeinflussen, gehören Milz und Thymusdrüse (Bries).

  Die Thymusdrüse ist cholinerg innerviert und wird aus Hypophysenvorderlappen, Nebennieren, Schilddrüse und Gonaden hormonell beeinflusst; umgekehrt steuern Zytokine das neuroendokrine System (Wirkungen über Hypothalamus und Hypophyse).

Der Thymus produziert mehr als zwei Dutzend Peptide, die als Thymosine zusammengefasst werden - 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.
 
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 (positiv in der Rinde, negativ im Mark) 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


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.
 



Auch 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 oder CD86 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 (gamma bis theta), die das intrazelluläre Signal generieren und als CD3 zusammengefasst werden (>Abbildung). Durch Clustering all dieser Komponenten verstärkt sich das Signal. Dieses kann - je nach Umständen - Aktivierung, aber auch Apoptose bedeuten.

Zum Vergleich: B-Zell-Rezeptoren (BCR) binden "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.

"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.

  Beim Menschen seltener (2%?) 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.

  NKT-Zellen (natürliche Killer-T-Zellen) erkennen mit ihren T-Rezeptoren (die eng begrenzte Diversität aufweisen) fremde Glykolipide (z. B. von intrazellulären Bakterien) auf CD1, einem MHC-ähnlichen Molekül. 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.
   

<Abbildung: CD8 bindet an α3-Domäne eines HMC I

CD8-positive T-Zellen werden mittels ihres Rezeptors (blau) über die Anwesenheit intrazellulärer Antigene (rot) informiert, die von Zielzellen prozessiert wurden. Die Antigene sind an MHC I (gelb) angelager

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: supramolecular activation cluster - 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
 
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.


>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

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 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.

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.



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

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.





<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"

  Zytokinrezeptoren. 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.

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

  Typ-I-Rezeptoren (z.B. für IL-2, IL-6, GM-CSF, G-CSF)

  Typ-II-Rezeptoren (z.B. für Interferone)

  TNF-Rezeptoren

  Immunglobulin-Superfamilie-Rezeptoren

  Chemokinrezeptoren (besonders vielfältig an T-Lymphozyten ausgeprägt)




  Interleukine: Diese 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
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
Fieber
leptinähnliche Wirkung
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.




  Tumornekrosefaktor (TNF, 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.

TNF
übt unterschiedliche Effekte aus, wie Aktivierung von Makrophagen und NK-Zellen, Bildung von Akutphasenproteinen in der Leber, Osteoklastenaktivierung oder modifizierte synaptische Transmission über Gliazellen. TNF zerstört Infektionserreger und Tumorzellen, hemmt die Nahrungsaufnahme (wirkt kachexiefördernd) und zerstört Tumorzellen (daher der Name).

Die Tumornekrosefaktor-Superfamilie ist ein apoptoseförderndes System von über 40 Rezeptor-Ligand-Paaren. Dazu gehören (außer TNF) Faktoren wie Lymphotoxine, diverse CD-Liganden etc.





 
>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 (chemotaktische Zytokine) aus Leukozyten, Endothel-, Epithelzellen und Fibroblasten sind vorwiegend in der unspezifischen Abwehr tätig, sie locken Abwehrzellen zu Entzündungsorten und koordinieren wahrscheinlich die Rezirkulation von Lymphozyten. Es handelt sich um (etwa 50) kleine Proteine aus Immun- und Gewebezellen, die Chemotaxis auslösen. Sie helfen bei der Steuerung des Austritts von Immunzellen aus dem Blut und ihrer Bewegung durch das Gewebe. Chemokine wirken über metabotrope Rezeptoren, d.h. den G-Protein-Mechanismus.


 
 
<Abbildung: Hämatopoese
Nach einer Vorlage in Rassow / Deutzmann / Hauser, Duale Reihe: Biochemie, Thieme 2008


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.
 


Arten von T-Lymphozyten

 
Zytotoxische (CD8+) Zellen TReg-Zellen Helfer (CD4+)-Zellen TGF TH17-Helferzellen NKT-Zellen

Die erste Phase einer adaptiven Immunantwort besteht in der Induktion. Diese bezieht sich auf Helferzellen (CD4+) und / oder Killerzellen (CD8+).


  Naive T-Zellen, welchen Antigene präsentiert werden (dendritische Zellen), entwickeln sich zu zytotoxischen ("Killer"-) T-Zellen, wenn sie den Rezeptor CD8 tragen (sie töten infizierte Zellen). Der Mechanismus der Aktivierung von T-Killerzellen ist noch nicht klar; aktivierte dendritische Zellen und Helferzellen beeinflussen die Intensität der Killerzellfunktion.


>Abbildung: Perforinmechanismus
Kombiniert nach Vorlagen in 78stepshealth.us und meddic.jp

Perforinmonomere werden auf entsprechende Reize hin - Ca++-getriggert - von zytotoxischen T-Zellen freigesetzt, nachdem sie die Angriffsstelle vom übrigen Extrazellulärraum durch Membrananlagerung abgedichtet haben (selektive Attacke, Schutz benachbarter Zellen - oben)

Begleitet wird Perforin von Granzymen (nicht gezeigt). Die Monomere aggregieren in der Membran der Zielzelle - ebenfalls Ca++-getriggert - zu röhrenförmigen "Angriffskomplexen" (ähnlich dem Komplement-MAC), durch die u.a. Granzyme in die Zelle eindringen (unten)

Einmal aktiviert, proliferieren die Killerzellen, bilden einen Klon, wandern aus dem Lymphknoten ins Blut und von dort an die Stelle, wo sich infizierte Zellen befinden. Dort greifen sie die Membran der Zellen an (>Abbildung):

     Perforin-Granzym-Mechanismus:

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.

Granzyme sind apoptoseauslösende Proteasen aus Granula zytotoxischer T-Zellen, sie dringen durch Perforinporen in die angegriffene Zelle ein.
 
Innerhalb einer halben Stunde kommt es zur Apoptose der Zielzellen, die Bruchstücke werden von Makrophagen abgeräumt. Dabei wird auch virale DNS / RNS zerstört.




  TReg-Zellen (regulatorische Lymphozyten, früher Suppressor-T-Zellen) modulieren das Immunsystem und erhalten die Autoimmuntoleranz. Sie exprimieren die Biomarker CD4, CD25 und FOXP3 und sind über deren Nachweis identifizierbar.

TReg-Zellen bremsen effektorische T-Zellen z.B. durch

  
   Bildung von Faktoren wie IL-10 und TGF-ß

      Kompetition um Wachstumsfaktoren, Antigene u.a.

      Limitierung klonaler Expansion

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).




  CD4-tragende T-Helferzellen entwickeln sich infolge Anregung durch antigenpräsentierende Zellen zu Spezialisten, die für die jeweilige Situation optimierte "Zytokin-Cocktails" bilden.

Proliferierende Helfer-T-Zellen entwickeln sich zu Effektor-T-Zellen, bei denen man nach einem
"bipolaren" Einteilungskonzept zwei Subtypen unterscheidet: TH1- und TH2-Zellen, auch unter der Bezeichnung Typ 1- und Typ 2-Helferzellen bekannt.

      TH1-Helferzellen werden von dendritischen Zellen mittels IL-12 angeregt, hemmen die TH2-Zell-Reifung und setzen Zytokine frei, die Viren oder Bakterien bekämpfen helfen, welche körpereigene Zellen infiziert haben:

  γ- Interferon stimuliert Gewebsmakrophagen zur Phagozytose intrazellulärer Bakterien / Protozoen, aktiviert die NO-Bildung (iNOS) zur Abtötung von Bakterien / Protozoen

  Interleukin 2 regt NK-Zellen an

  TNF-α aktiviert Makrophagen und NK-Zellen.

Die wichtigsten Effektorzellen der Th1-Immunität sind Makrophagen, CD8 T-Zellen, IgG B-Zellen, Interferon-γ CD4 T-Zellen. Überaktivierung von TH1-Zellen kann Typ-4-Hypersensitivität hervorrufen.
  Insgesamt mobilisieren diese Zytokine spezifische Abwehr (zellulär und humoral) und unterstützen entzündliches Geschehen (proinflammatorische Wirkung).

      TH2-Helferzellen werden durch IL-4 aktiviert, regen B-Zellen zur Proliferation an und hemmen die TH1 / TH17-Funktion (antiinflammatorische Wirksamkeit). Sie bilden Interleukine und TGF-ß:

  IL-4 ist ein Schlüsselfaktor der adaptiven Abwehr. Es regt T-Zell-Proliferation, aktivierte B-Zellen und deren Differenzierung zu Plasmazellen und Bildung von IgE an - dieses ist z.B. für die Bekämpfung von Parasiten (Würmer!) besonders effektiv

  IL-5 stimuliert die Bildung von IgA und regt das B-Zell-Wachstum an

  IL-13 hat ähnliche Wirkungen wie IL-4 und fördert die Schleimsekretion; es "patrouilliert" den Darm




  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. 

  IL-10 reguliert u.a. andere Zytokine
  Insgesamt ist dieses Zytokinprofil z.B. gegen Infektionen im Darmbereich wirksam.
 

<Abbildung: Ein komplexes immunologisches Netzwerk. Signalwege, Zytokine und regulatorische Gleichgewichte
Nach einer Vorlage in Nature Reviews Immunology

Anthelminthikum: Medikament gegen Wurminfektion    APC, antigenpräsentierende Zelle    CTLA4, cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4, Rezeptor, der das Immunsystem herunterreguliert    IFN, Interferon (immunstimulierend)    IL-1Ra, IL-1-receptor antagonist, ein entzündungshemmendes Protein, das von mehreren Zellarten gebildet wird und Effekte von IL-1 hemmt    IL-12, interleukin 12, wirkt T-Zell-stimulierend    MSH, Melanozytenstimulierendes Hormon, begrenzt u.a. die Fieberreaktion     T-bet, Th1-cell-inducing transcription factor, hemmt Th2-Zell-Funktion bei Th1-Aktivierung    TCR, T-cell receptor    TNF, Tumornekrosefaktor    VIP, vasoaktives intestinales Peptid
     CD-Antigenliste


 
Zwischen TH-1 und TH-2-Zellen besteht eine reziproke Hemmung (TH1/TH2-Balance, <Abbildung).

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 haben regulatorische Eigenschaften im T-Zell-System und beteiligen sich an der adaptiven Immunität gegen Pathogene, wie Pilze und extrazellulär bleibende Bakterien. Sie werden u.a. durch IL-6 und TGF-ß aus dendritischen Zellen aktiviert und wirken ähnlich wie Th1. Sie bilden u.a. IL-17 und IL-21, das Neutrophile in das betreffende Gewebe lockt und B-Zellen zur Bildung passender Antikörper veranlasst. IL-17 veranlasst - über IL-17-Rezeptoren (A bis F) - verschiedene Zellen (Makrophagen, Endothel- und Epithelzellen, Fibroblasten) zur Bildung zahlreicher anderer Zytokine, Chemokine und Prostaglandine.

Überaktivierte T
H17-Zellen können an Autoimmunerkrankungen beteiligt sein (multiple Sklerose, rheumatoide Arthritis, Psoriasis).




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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