Abwehrvorgänge (Immunologie)

Lymphoidale Organe und Lymphozyten-'trafficking'


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© H. Hinghofer-Szalkay

Chemokin: χημεία = Gießerei (im Sinne von „Umwandlung“), κίνἔω = antreiben, bewegen
Dendritische Zelle: δένδρον = Baum (baumartige Zellfortsätze)
Diapedese: δια = (hin)durch, pes = Fuß
Lymphe: lympha = klares Wasser





Im Rahmen der Diapedese verlassen Leukozyten die Blutbahn - parazellulär oder auch transzellulär - als Antwort auf immunologische Stimuli, zuerst in lymphatischen Organen (Homing: 'Erfahrene' T-Zellen konzentrieren sich auf Orte, wo das betreffende Antigen schon präsentiert wurde) und dann allgemein im Gewebe, wobei das Endothel die zur Diapedese notwendigen Kontaktfaktoren exprimiert (ICAM, Selektin).

In Lymphknoten treffen sich aus dem Gewebe eingespülte Antigene (bzw. deren Abbauprodukte auf antigenpräsentierenden Zellen) und Lymphozyten mit (gelegentlich passenden) Erkennungsmolekülen (Rezeptoren): Im äußersten Eintrittsbereich überwiegen Makrophagen, in der äußeren Rinde B-Zellen, in der inneren Rinde T-Zellen. Im Sinus sammelt sich Lymphe, die dann den Lymphknoten verlässt und in die Blutbahn gelangt.

Die stark durchblutete Milz kann mit ihrer weißen Pulpa in ≈30 Minuten das gesamte Blutvolumen auf Pathogene im Blut überprüfen (T-Zell-reiche periarterioläre lymphatische Scheiden mit dendritischen Zellen zur Antigenpräsentation). Wenn nötig, attackieren NK-Zellen infizierte Zellen, eosinophile Granulozyten eingedrungene Parasiten und Zytotoxine infizierte Zellen und Parasiten; Interferone blockieren das Eindringen von Viren, Komplementfaktoren verstärken allfällige Entzündungsprozesse.


Lymphknoten  Milz lymphocyte trafficking Diapedese


>Abbildung: Gliederung eines Lymphknotens
Nach einer Vorlage in clipart.dk.co.uk

Der Mensch verfügt über ≈600 Lymphknoten. Primäre Lymphe strömt über afferente Lymphgefäße zu, Flüssigkeit wird im Lymphknoten rückresorbiert, proteinreichere sekundäre Lymphe fließt über das efferente Lymphgefäß in Richtung Blutkreislauf ab
Das Lymphsystem dient dem Transport extrazellulärer Flüssigkeit in den Venenwinkel. Es wird auch vom Immunsystem als "Transporter" genützt: Potentielle Schädlinge werden auf dem Weg vom Interstitium zum Blutkreislauf in Lymphknoten überprüft, gefiltert, abgetötet, abgebaut. Auf diese Weise kann z.B. eine Bakteriämie eingedämmt oder ganz verhindert werden.

Zeitweiliges Vorhandensein von Bakterien im Blut ohne Vermehrung ist physiologisch, tritt nach kleinen Verletzungen - z.B. Zähneputzen - häufig auf und ist normalerweise folgenlos.

Werden Bakterien direkt in das Blut eingebracht (z.B. über kontaminierte Katheter) und vermehren sich dort, spricht man von primärer, gelangen sie über infiziertes Gewebe in die Blutbahn, von sekundärer Bakteriämie.

  Lymphknoten sind Orte, wo antigenpräsentierende Zellen und Lymphozyten zusammentreffen und immunologische Information austauschen. Die Bewegung der Zellen innerhalb des Lymphknotens ist durch Zytokine koordiniert, die man als Chemokine bezeichnet. Diese werden lokal unterschiedlich freigesetzt, und die Zahl der Chemokinrezeptoren in der Wand der Immunzellen wird je nach Erfordernis hinauf- oder hinunterreguliert.

Lymphozyten können Lymphknoten über das Blut (hochendotheliale Venolen) oder, dem Drainageweg folgend, über afferente Lymphgefäße betreten (auf diesem Weg gelangen auch antigenbeladene dendritische Zellen
in den Lymphknoten). Der Lymphknoten selbst hat eine funktionelle Gliederung in Zonen:
 
  Ganz außen - am Rand des Knotens, im Bereich des subkapsulären Sinus - tritt primäre Lymphe ein. Hier befinden sich zahlreiche Makrophagen, was der Bekämpfung aus dem Gewebe eingelangter Erreger dient
 
  Die Rinde ist reich an B-Zellen und enthält Follikel, wo follikuläre dendritische Zellen (diese präsentieren opsonisiertes Antigen) die Proliferation von B-Zellen befördern
 
  Die innere Rinde (Parakortex) ist die T-Zell-Zone, die auch das hochendotheliale Endothel enthält. In dieser Zone werden T-Zellen durch Adhäsionsmoleküle zurückgehalten und treffen mit hier ebenfalls angereicherten dendritischen Zellen zusammen
 
  In der innersten Zone, dem Sinus, sammelt sich die Lymphe, die über das efferente Lymphgefäß den Knoten Richtung Blut verlässt.
  Die Anreicherung von B-Zellen in den Follikeln, und der T-Zellen im Parakortex ist durch Zytokine gesteuert. Treffen die Lymphozyten auf "ihre" Antigene, ändern sie ihre Zytokinrezeptor-Expression, wandern aufeinander zu und treffen sich am Rand der Follikel, wo Helfer-T-Zellen B-Zellen bei ihrer Differenzierung zu Plasmazellen unterstützen.

So wird das Gesamtsystem sehr effizient aktiviert, abhängig von der immunologischen Herausforderung in dem Gewebe, das die Lymphgefäße des betreffenden Knotens drainieren. Aktivierte ('erfahrene') Helferzellen gelangen ins Blut, von dort ins lymphatische System und triggern / koordinieren die spezifische Abwehr (Aktivierung von B-Zellen, Zytokinproduktion).

 

Über Lymphproduktion und -transport s. dort.

Über Peyer-Plaques s. dort.
 

<Abbildung: Milz
Nach einer Vorlage in www2.nau.edu

In der roten Pulpa wird Hämoglobin abgebaut und Eisen wiedergewonnen; in der weißen Pulpa erfolgen Antigenpräsentation und Immunabwehr

  Die Milz ist stark durchblutet (≈250 ml/min) und "filtert" so das gesamte Blutvolumen in etwa einer halben Stunde. Auf diese Weise überprüft sie hocheffizient auf die mögliche Anwesenheit von Pathogenen im Blut (dies geschieht in der weißen Pulpa).

In der roten Pulpa prüfen Zellen des mononukleären Phagozytensystems Erythrozyten auf Alter und Zustand; "abgelaufenes" Hämoglobin wird in seine Bestandteile zerlegt (Globin
Aminosäuren, Häm Eisen und Biliverdin). Die dabei gewonnenen Eisenatome werden wiederverwertet: Innerhalb von Minuten tauchen sie an der Oberfläche der Makrophagen auf und werden dort von Transferrin zum Weitertransport (vor allem in das rote Knochenmark) übernommen.

Zurück zur weißen Pulpa: Anders als bei Lymphknoten und Peyer-Plaques sind für den Eintritt von Leukozyten keine hochendothelialen Venolen nötig; die Milz ist ein "offenes" Organ mit diskontinuierlichem Endothel. Um die Arteriolen sitzen periarterioläre lymphatische Scheiden (PALS) mit zahlreichen T-Zellen; darum herum verzweigen sich marginale Sinus mit B-Zellen und Lymphfollikeln (<Abbildung).

Hier befinden sich auch (residente, d.h. in der Milz verbleibende) dendritische Zellen, welche die Antigenpräsentation übernehmen (über MHC-II bei extrazellulären, MHC-I bei intrazellulären Antigenen).

Gelangen Mikroorganismen über die Haut-Schleimhaut-Barriere - bei Verletzungen, Vitaminmangel, durch enzymatische Aktivität von Bakterien u.a. -, wird die zweite Abwehrfront des Immunsystems aktiviert:

 
  Interferone blockieren den Virusbefall von Zellen

  Komplementfaktoren wirken u.a. entzündungsfördernd


>Abbildung: Regulierung von NK-Zellen
Nach: ikcells.com

Um den Körper gegen Viren und andere Pathogene verteidigen zu können, müssen NK-Zellen erkennen, welche (körpereigenen) Zellen von diesen befallen sind und welche nicht. Wie das geht, ist noch nicht ganz klar; aber man weiss, dass NK-Zellen über zwei Rezeptortypen verfügen: Aktivierende und inhibierende (>Abbildung). Letztere erkennen MHC-I-Moleküle; fehlen diese an der Zielzelle ("missing self recognition"), ist wahrscheinlich der molekulare Check gestört (Virusbefall?), und die NK-Zelle startet über den Perforin-Granzyme-Mechanismus eine "Kill"-Attacke auf die vermutlich befallene Zelle

  Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) greifen infizierte Zellen an (>Abbildung)

  Eingedrungene Parasiten werden von eosinophilen Granulozyten attackiert (s. auch dort)

  Zytotoxine greifen infizierte Zellen und Parasiten an
 
Signalstoffe werden in Gewebe und Blut abgegeben, um die Abwehr zu koordinieren. Das Immunsystem erkennt und zerstört eingedrungene Fremdstoffe und Mikroorganismen.

Mikroorganismen werden von Phagozyten aufgenommen und die entstandenen Bruchstücke über MHC-II den T-Lymphozyten “präsentiert”. T-Zellen mit passenden Rezeptoren reagieren auf die präsentierten Antigene und aktivieren die Bildung von Antikörpern.
 
 
<Abbildung: Fixierung von Leukozyten - hier: neutrophilen Granulozyten - am Endothel, Ablauf der Diapedese ("roll, sniff, stop, exit")
Nach einer Vorlage in Kumar / Abbas / Fausto / Aster, Robbin and Cotran's Pathological Basis of Disease, 8th ed. Saunders / Elsevier 2010

Endothelzellen verfügen auf ihrer luminalen Oberfläche über eine "Haut" (Glycocalyx), welche die Anlagerung von Leukozyten behindert. Ein Verlust der Glycocalyx induziert Leukozytenanhaftung (vermittels Adhäsionsmolekülen: leukozytäres Integrin bindet an endotheliales ICAM, VCAM u.a.)

Als Antwort auf Entzündungsreize exprimieren Endothelzellen Selektine, Leukozyten Integrin. PECAM-1 (Platelet endothelial cell adhesion molecule, CD31) ist ein Rezeptor, den Endothelzellen in entzündetem Gewebe vermehrt exprimieren. Granulozyten heften sich an und können die Blutbahn verlassen (Diapedese)

Angelagerte Leukozyten können entscheiden, ob sie parazellulär (zwischen Endothelzellen) oder transzellulär (durch Endothelzellen: Bildung eines 'transmigratory cup', Aufnahme in Endothelzelle, Exozytose auf Gewebeseite) in das Interstitium gelangen

IL-1, Interleukin 1  
  TNF, Tumornekrosefaktor

      Unter lymphocyte trafficking versteht man das 'routing' von Lymphozyten, sodass sie die Blutbahn an der richtigen Stelle und zur richtigen Zeit verlassen, und ihre Abwehraufgaben entsprechend wahrnehmen können. Dazu werden Merkmale sowohl an der Zellmembran als auch im umgebenden Gewebe dynamisch exprimiert.

T-Lymphozyten (T-cells, TC) können in der Mikrozirkulation die Blutbahn verlassen (Diapedese ). Dabei nehmen 'unerfahrene' ('naive') TC andere Wege als 'erfahrene':

   Naive T-Zellen haben noch keinen Kontakt mit 'ihrem' Antigen gehabt, d.h. es ist zu keiner Bindung mit ihren spezifischen TC-Rezeptoren gekommen.

   Erfahrene (aktivierte), kampfbereite T-Zellen verlassen die Blutbahn hingegen gezielt dort, wo sie gebraucht werden.

Antigene werden von antigenpräsentierenden Zellen phagozytiert, prozessiert und ihre Peptide mittels MHC-II-Molekülen an der Oberfläche präsentiert. 'Unerfahrene' T-Zellen halten nach 'ihrem' Antigen Ausschau und gelangen dann über Lymphgefäße und ductus thoracicus, oder direkt (Milz) wieder in die Blutbahn.

Durch Interaktion von Adhäsionsmolekülen wird der gezielte Austritt von Lymphozyten (lymphocyte trafficking) gesteuert. Diese werden von Lymphozyten und Endothelzellen je nach ihrem Zustand unterschiedlich exprimiert bzw. präsentiert.
 

>Abbildung: Transmigration
Nach Ley K, Laudanna C, Cybulsky MI, Nourshargh S. Getting to the site of inflammation: the leukocyte adhesion cascade updated. Nature Rev Immunol 2007; 7: 678-89

Die Migration von Leukozyten durch die Wand von Venolen erfordert die Penetration mehrerer Schichten: Endothelzellen, Basalmembran und Perizyten

Links oben: Der Leukozyt haftet an der Gefäßwand und "kriecht" an ihr entlang (Crawling). Bindung von MAC1 (macrophage antigen 1) an ICAM1 (intercellular adhesion molecule 1) triggert den Leukozyten: Er bildet Protrusionen in und zwischen die Endothelzellen

Links unten: Der Weg zwischen Endothelzellen (parazellulär). ESAM = endothelial cell-selective adhesion molecule 
  JAM = junctional adhesion molecule    LFA1 = lymphocyte function-associated antigen 1    PECAM1 = platelet/endothelial-cell adhesion molecule 1    VE-Cadherin = endothelial-expressed vascular endothelial cadherin

Rechts unten: Der Weg durch die Endothelzelle (transzellulär). Aktivierte ICAM1-Moleküle wandern an Aktin- und Caveolae-reiche Stellen. Caveolae fließen zu vesiculo-vacuolar organelles (VVO) zusammen, diese bilden einen Kanal für den Durchtritt des Leukozyten. Zusätzliche Proteine unterstützen den Vorgang

Rechts oben: Der Weg durch Basalmembran und Perizytenschicht. Bevorzugte Orte sind Lücken zwischen den Perizyten sowie Stellen mit geringer Proteinanlagerung an der Matrix. MMPs, Matrix-Metalloproteinasen 
  NE, Neutrophile Elastase

  Leukozyten treten aus Kapillaren und Venolen aus (Diapedese). Dies erfolgt (>Abbildung)
 
   parazellulär, wobei der Leukozyt Lamellopodien zwischen die Endothelzellen steckt, interzelluläre Verbindungen (tight junctions) auflöst (dabei sind Moleküle wie Cadherin, ICAM und PECAM im Spiel) und durch den so entstandenen Spaltraum schlüpft; oder

   transzellulär, wobei der Leukozyt aktinreiche Podosomen bildet, mit denen er sich an die Oberfläche der Endothelzelle "einzapft" und diese zur Transzytose (Aufnahme in die Endothelzelle und Transfer auf die Gewebeseite) veranlasst. Stellen mit geringem Endotheldurchmesser werden bevorzugt. Nach Bindung wandern ICAM1-Moleküle an Stellen, die reich an Aktin und caveolae sind. Letztere fließen zu vesikulo-vakuolären Organellen zusammen, welche einen Kanal für den Durchtritt des Leukozyten bilden.

   Anschließend passieren sie die Basalmembran - in Venolen wandern sie auch zwischen Perizyten hindurch - und gelangen so in das Gewebe.
 
Eine Entzündungsreaktion erhöht die Durchlässigkeit der Kapillarwände und begünstigt den Übertritt von Antikörpern, Komplementfaktoren und anderen Plasmaeiweißen ins Gewebe. Diese Vorgänge der angeborenen Abwehr treten binnen Stunden nach dem Eindringen von Infektionserregern auf und können über Tage die einzige Verteidigung gegen ihr Vordringen darstellen.



Diapedese erfolgt im Körper als Antwort auf einen immunologischen Stimulus in zwei strategischen Schritten: Zuerst im lymphatischen Gewebe und dann allgemein im Gewebe.

 
  1. Diapedese in lymphatischem Gewebe:


<Abbildung:
T-Zellen verlassen den Blutstrom über hochendotheliale Venolen (HEV), wandern durch die T-Zell-Zone eines Lymphknotens und gelangen in ein Lymphgefäß
Nach: Takada K, Jameson SC. Naive T cell homeostasis: from awareness of space to a sense of place. Nature Rev Immunol 2009; 9: 823-32

Beim Austritt aus dem Blut exprimieren T-Lymphozyten viel Chemokinrezeptor 7 (CCR7), um durch die HEV gelangen zu können. Das Blut enthält viel Sphingosin-1-Phosphat (S1P), daher haben die T-Zellen die Expression des Sphingosin 1-Phosphat Rezeptor 1 (S1PR1) herunterreguliert. Einmal aus dem Kreislauf ausgetreten, bewegen sich naive Lymphozyten in der T-Zell-Zone an Fibroblasten entlang (fibroblastic reticular cell network, FRC), unterstützt durch Chemokinliganden (CCL19, CCL21). Dabei treffen sie auf zusammenwirkende Faktoren (CCR7-Liganden; IL-7, Interleukin 7; MHC-Komplexe)

IL7R, IL-7 Rezeptor
    TCR, T-Zell-Rezeptor

Lymphozyten betreten lymphatisches Gewebe durch hochendotheliale Venolen (<Abbildung), in dem sie zwischen den Endothelzellen leicht hindurchgelangen (betrifft jede Sekunde zehntausende Lymphozyten).

  'Unerfahrene' Lymphozyten (T und B) tun dies beliebig (eine Rezirkulation benötigt 12-24 Stunden - die Lebenserwartung der Zelle beträgt ≈6 Wochen), nur nicht in entzündetem Gewebe.

  Homing: 'Erfahrene' T-Zellen hingegen haben eine "Spezialpass" und konzentrieren sich auf Orte, wo 'ihr' Antigen schon präsentiert wurde und dabei ein Klon 'erfahrener' Lymphozyten entstanden ist. Auf diese Weise konzentrieren sich spezialisierte Helfer- und Killerzellen auf die Orte des "Kampfgeschehens".

Erfahrene B-Zellen siedeln sich in Knochenmark oder sekundärem lymphatischem Gewebe - vor allem in der Milz - an, werden zu Plasmazellen und produzieren Antikörper, die ohnehin mit dem Kreislauf überallhin gelangen.

 
Die 'unerfahrenen' T-Zellen exprimieren L-Selektin, welches an das Proteoglykan GlyCAM-1 (Glycosylation-dependent cell adhesion molecule-1) bindet, das vom HEV-Endothel aller sekundären lymphatischen Gewebe (z.B. Lymphknoten) exprimiert wird. Auf diese Weise besuchen 'unerfahrene' T-Zellen mittels ihres L-Selektin beliebige sekundäre lymphatische Organe und deren antigenpräsentierende Zellen (APC). Bleiben sie inaktiviert, wiederholen sie ihren Streifzug durch den Körper (eine Rezirkulation durch Kreislauf und Lymphsystem dauert 12-24 Stunden), bis sie nach einiger Zeit vergeblicher Suche nach 'ihrem' Antigen durch Apoptose absterben.

Findet eine T-Zelle hingegen 'ihr' Antigen auf antigenpräsentierenden Zellen, wird sie aktiviert und zur 'erfahrenen' ('reifen') T-Zelle. Sie stattet sich jetzt mit Adhäsionsmolekülen aus, die ihr vorzugsweise Zugang zum Gewebe verschaffen, in dem sie aktiviert wurde (die Expression anderer Adhäsionsmoleküle wird heruntergefahren).


>Abbildung: Lymphozyten-Homing
Nach Vestweber D, Wild MK. A new player in lymphocyte homing. Nature Immunol 2008; 9: 347-8

Das "Einfangen" (capture) der Lymphozyten wird durch L-Selektin und α4β7-Integrin eingeleitet, diese binden an PNAd (peripheral node addressin) und MAdCAM (s. Text)

Bindung des Chemokins CCL21 an seinen Rezeptor CCR7 (CC wegen 2 Cysteinresten, L = Ligand, R = Rezeptor) aktiviert das Integrin αLβ2 - dieses bewirkt das Festhalten (arrest) des Lymphozyten

Autotaxin (ATX) ist ein von hochendothelialen Venolen sezerniertes phospholipidproduzierendes Enzym, das den Austritt von Lymphozyten in sekundäre lymphatische Organe begünstigt. ICAMs (intercellular adhesion molecules) befördern diese Bindung. Die lymphozytäre Motilität wird durch Bindung an GPCR (G protein-coupled receptors) begünstigt

Wird z.B. eine T-Zelle in einem Peyer'schen Plaque aktiviert, exprimiert sie ein spezifisches Integrin (α4β7) und nur mehr wenig L-Selektin. α4β7-Integrin bindet Addressin (=MAdCAM-1, mucosal vascular addressin cell adhesion molecule 1 - >Abbildung), das sich vorwiegend auf Venolen-Endothelzellen von Peyer'schen Plaques und mesenterialen Lymphknoten findet. So kommt es zu einer Konzentrierung und zu effizienter Kooperation mit anderen (zytotoxischen, B-) aktivierten Zellen.

  2. Diapedese im Gewebe allgemein:

Aktivierte (zytotoxische und Helfer-) T-Zellen verlassen im nächsten Schritt auch 'gewöhnliche' Blutkapillaren in entzündlich verändertem Gewebe. Dazu ist die sequentielle Aktivierung von Faktoren notwendig, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip den Lymphozyten am Endothel 'festhalten' und seine Diapedese ermöglichen:

      Endothel exprimiert normalerweise nur ICAM, aber kein Selektin; erst wenn aktivierte Makrophagen im Gewebe Stoffe wie Interleukin-1 (IL-1) und Tumornekrosefaktor (TNF) abgeben, exprimieren die Endothelzellen Selektin (das braucht etwa 6 Stunden).

      Dann können Leukozyten vermittels ihres spezifischen Kohlenhydrats (dieser wird als Selektin-Ligand bezeichnet) an das Endothel fixiert werden, was sie zum "Rollen" entlang des Endothels veranlasst, also einbremst.

Der solchermaßen "entschleunigte" Leukozyt hat nun Zeit, die allfällige Anwesenheit entzündungsindizierender Stoffe (z.B. C5a) "auszuschnüffeln". Liegen solche vor, exprimiert er Integrin, dieses bindet an ICAM - diese Bindung ermöglicht nun eine Diapedese.

Die Aktivierung des Integrins erfolgt sehr schnell (es liegt bereits im Leukozyt gespeichert vor), da ansonsten der Leukozyt wieder aus der betreffenden Kapillare fortgespült würde, bevor die Integrin-ICAM-Bindung erfolgt. Nun folgt die Zelle dem chemischen Gradienten "attraktiver" Stoffe aus dem Entzündungsherd, wandert in das Gewebe und setzt sein Kampfpotential ein.




Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.