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Das Immunsystem
• Grundlagen nativ/adaptiv; humoral/zellulär• Klonale Selektionstheorie• Basis der Antikörpervielfalt• Die Jernesche Netzwerktheorie
Künstliche Immunsysteme (AIS)
Vorlesung System-Biophysik 21. Jan. 2008
LiteraturSkript H. Gaub: ImmunologieN.A. Campbell: Biologie
Es gibt eine Vielfalt von „Krankheitserregern“
Phatogene:•Bakterien•Viren•Phatogene Pilze•Parasiten
Ebola Virus
Immunsystem & Systembiophysik
• Mustererkennung (kognitiv)• Lernfähigkeit, anpassungsfähig (adaptiv) • Gedächtnis• kann zwischen „selbst“ und „fremd“ unterscheiden• robust, autonom• delokalisiert & vielschichtig
Das Immunsystem ist in seiner Funktion dem Nervensystem und demendokrinen System verwandt: =>Psychoneuroimmunologie
Aufrechterhaltung des internen Körperzustandes(Homöostase)
Eigenschaften des Immunsystems
Das Immunsystem verteidigt den Körper gegen Eindringlingeund falsch funktionierende Zellen
• Plagues & pandemics, esp. bubonic plague (Pasteurella pestis) &smallpox.
• Thucydides (430 B.C.) observed people who recovered were protectedfrom reinfection.
• Causes of disease were unknown until 19th C. (Pasteur). Thought tobe caused by poisons = “virus” (latin).
• Mithridates VI (Roman King) took increasing daily doses of poisons.• Immunisation against Smallpox:-
– Chinese: dried matter from pustules on cotton inserted in nostrils.– Turks: used variolation, hence Variola Virus.
Early Attempts at Immunisation
History of Immunisation
• 1798: Dr. Edward Jenner– Inoculated 7 subjects with cowpox. 2 challenged with smallpox. All
O.K.– Cowpox = Vaccinia virus, hence vaccination ® general term.
Edward Jenner inoculatingJames Phipps with cowpox
• 1978: Smallpox completely eradicated worldwide.
Abwehrsystem des Menschen
Granulozyten Lymphozyten Makrophagen
erworben angeboren
Immunsystem
B-Zellen Neutrophils Basophils Eosinophils T-Zellen
Angeborene (innate)Immunsystem
Erworbene (adaptive)Immunsystem
Biochemische Barrieren (Magensäure, Lysozme, etc.)
Physikalische Barrieren (Haut, Haare, Schleim etc.)
Leukozyten(weißeBlutzellen)
Phagozyten Lymphozyten
Die Zellen des Immunsystems lassen sich in Phagozyten und Lymphozyten einteilen.
Phagozyten sind unspezifische Freßzellen
Phagozyten sind der älteste Teil unseres Immunsystems;für die meisten Nichtvertebraten ist es die einzige Form der Abwehr.
-Bei einer Invasion des Organismus mit Erregernsind diese Zellen die erste Stufe der Immunantwort.
-Sie fressen die befallenen Zellen und mit ihneneinige Erreger auf und tragen dann Bruchstücke derfremden Moleküle in die Lymphknoten zu denhochspezifischen Lymphozyten, um diese auf dieGefahr aufmerksam zu machen.
-Indem sie bestimmte Klassen von Antikörpern inihre Membran aufnehmen, können sie sich dann imspäteren Verlauf der Immunantwort multipleSpezifitäten aneignen:
Makrophagen IgG totes Gewebe (Viren)Leukozyten IgE BakterienMastzellen, Basophile IgE Parasiten (Allergien)
Makrophage, der nach einem Bakterium (Pfeil) "greift"
Das adaptive Immunsystem -
Lymphozyten sind eine Klasse derweißen Blutzellen, die in denlymphoiden Organen, Thymus undKnochenmark (gelb), hergestellt werdenund im lymphoiden Gewebe (blau)verteilt werden.
besteht aus 1012 Lymphozyten
B-Zellen : AntikörperproduktionTHelfer : Stimulation und Regulation der B-ZellenTSuppressor : Unterdrückung der AutoimmunantwortTCytotoxisch : Direkte Bekämpfung von Erregern durch LyseNeutral Killer Cells: Bekämpfung von Tumoren
B: Knochenmark (bone marrow)T: Thymus
Lymphozyten sind die Träger der Immunität- Schlüsselexperiment -
Der Verlust der Immunantwort durchBestrahlung kann in Mäusen durch Injektion vonLymphozyten aus genetisch identischen Tierenwiederhergestellt werden.
platelets
megacariocyte
eosinophil
neutrophil
basophil
mast cell
monocyte
macrophage third population cells
plasma cell
B cells
T-suppressor
T-helper
T-cytotoxic
T-dth
common
myeloid
progenitor
common lymphoid
progenitor
haemopoietic
stem cell
Die Zellen des Immunsystems
Mastzellen
GranulozytenMonozytenLymphozyten
T und B-Lymphozyten
Aktivierte B-Lymphozytensekretieren Antikörper
Aktive T-Zellenzerstören infizierte Zellen
Ruhende,immunkompetenteB-Lymphozyten
site of
inflammation
tissue damage
and immune
reactions
Die meisten Zellen des Immunsystems sind in der Lage, die Blutgefäße, indenen sie normalerweise zirkulieren, zu öffnen, um diese amEntzündungsherd zu verlassen
Theories of Immunity:Humoral v. Cellular
• Cellular Theory:- Elie Metchnikoff (Pasteur Inst.)– Phagocytes in starfish larvae surround a splinter;
phagocytosis & digestion of bacteria by MFs &polymorphs ® Phagocytic Theory (innateimmunity).
– G.B. Shaw, “The Doctor’s Dilemma” –“Stimulate the phagocytes”.
• Humoral Theory:- Koch, Ehrlich et al. (Berlin)– protection by soluble cmpnts. of blood. Showed
serum from immunised animals kill bacteria.
Nobel Prize in Physiology or Medicine to Metchnikoff & Ehrlich
Die humorale oderAntikörper-Immun-antwort beseitigtextrazelluläreFremdkörper
Die zelluläre Immun-antwort beseitigt inkörpereigene ZelleneingedrungeneFremdlinge
Die Immunantwort - das ganz grobe Bild
B-Lymphozyten sezernieren Antikörper
T-Lymphozytenzerstören infizierte Zellen
Makrophagen sind Antigen-präsentierende Zellen (APC)und vermögen die passendenB-Lymphozyten zu aktivieren.
Die Immunantwort derLymphozyten ist vernetzt
Zellkommunikation T-Helfer Zellenstimulieren dieB-Lymphozyten
Der AntikörperEine Substanz, die eine Immunantwort hervorrufen kann, nenntman Antigen (Antikörper-Generator).
Sezernierte AntikörperAntikörper haben zwei identische,hochspezifische Antigen-Bindungsstellen
Antikörper sind Proteine und gehören alsStoffklasse zu den Immunoglobulinen (Ig).
Wie Antikörper arbeiten
Opsonization
Es gibt fünf Klassen von Antikörpern
Die Immunglobuline unterscheiden sich in ihrer konstanten Fußregion,welche für die Effektorfunktion des Antikörpers zuständig ist.
B-ZellOberflächen-rezeptor
FrüherAntikörper mitniedrigerAffinität
„Normaler“ &häufigsterAntikörper
Antikörper zurNeutralisationvon Bakterien inSchleimhäuten
AktiviertMastzellenundBasophile
Ig-M sind die erste Klasse der während einer Immunreaktionsynthetisierten Antikörper
Die hohe Zahl anBindungsstellen erhöhtdie Affinität (Avidität)von Ig-M um bis zueinem Faktor 104
gegenüber Ig-G.
Dies ist besondersdeshalb wichtig, weil dieerste Klasse noch nicht sooptimiert auf das Antigenist, wie spätereGenerationen
Ig-E und Allergien
Mast-Zellen sind auf die Parasitenbekämpfung spezialisiert. Eine Theoriedarüber, warum in modernen Industriegesellschaften so viele Allergienauftauchen, besagt, daß dieser Teil des Immunsystems unterbeschäftigt ist undsich gegen harmlose Substanzen richtet.
Antigen-Antikörper Erkennung
Schlüssel-Schloß-Prinzip : Paratop-EpitopDie Bindungstasche (besteht je zur Hälfte ausden Ende der schweren und leichten Kette
V: variableC: constant
Die Strukturder Antikörper
A+ B!k"1
k1
AB
d AB[ ]dt
= A[ ] B[ ] ! k1" AB[ ] ! k"1
k1:Bindungsrate oder on-Rate. Einheit M-1 s-1
k-1:Dissoziationsrate oder off-Rate. Einheit s-1
Die Affinitäts-Konstante :
k1
k!1
=AB[ ]A[ ] B[ ]
=:KA
Typische Antikörperaffinität: KA~104 - 1011 M-1
Die Affinität eines Antikörper
Mehrere Antikörper können ein Antigenbinden und ein Antikörper kann (leicht)unterschiedliche Antigene erkennen.(Kreuzreaktionen)
Kd:=1
Keq
=k!1
k1
Dissoziationskonstante
Abschätzung der Antigen-Vielfalt
Größe der antigenen Determinante (Epitop) : 10Åx20Åx20Å(Der Teil des fremden Proteins, der „erkannt“ wird)Ca. 109 verschiedene Moleküle sind so denkbar.Ähnliche Antigene binden den gleichen Antikörper(Reduktion um einen Faktor 100)
Damit ergibt sich eine Zahl von 107 verschiedenen Antikörper.-> Es kann nicht für jeden Antikörper ein Gen vorliegen !!
Wie schaffte es eine endliche Zahl von Zellen dieseZahl von Antigenen zu erkennen ?
SchlüsselexperimentS. Tonegawa (Nobelpreis 1987)
Die Genetische Basis der Antikörpervielfalt
V: variableD: diversityJ: junctionC: constant
Die Keimbahn DNA hat Gruppen vonGensequenzen für die Kodierung derIg-Ketten
Für die leichten Ketten stehen 300 V- Segmente und 4 J-Segmente zur Verfügung (1200 Kombinationen)
Für die schweren Ketten stehen 500 V- Segmenteund 4 J-Segmente und 12 D-Segmente zurVerfügung (24000 Kombinationen)
Gesamt ca. 1200x24000 ca. 3*107 Kombinationen
Der Verbindungsmechanismus arbeitet zusätzlich sehr“schlampig” (zusätzliche Nukleotide werden zufälligeingefügt oder welche weggelassen.
Genetische Basis der Antikörpervielfalt
Verknüpfungsvielfalt
Hypermutation
Kombinatorische Vielfalt bei der Gen-Rekombination:
Gesamte mögliche Vielfalt ca. 1015
Jede V-Region wird durch 3 Gensegmente (V,J,D) codiert
PAUSE
How are Antibodys made ?
• Ehrlich’s Side Chain Theory (selective)• Pauling - Instructive Theory• Landsteiner: Specificity & diversity; blood group ags. Abs as proteins• Porter & Edelman: 1st Description of structure of IgG, Nobel Prize
(1972)• Köhler & Milstein: Monoclonal Abs• Sir MacFarlane Burnet – Clonal Selection Theory.• Niels Jerne – Selection of preformed Abs.; Network Theory
Köhler, Milstein & Jerne shared Nobel Prize (1984)
Selective v. Instructive Theories (20th C)Are Abs pre-made (selective) or “moulded” by ag (instructive)?
Historical introduction
1. Die Population der Lymphozytenbesteht aus Untergruppen identischerZellen (Klone), die je Klon nur für einAntigen zuständig sind.
2. Klone gegen eigene Moleküle wurdenin frühen Entwicklungsstadienausgemerzt oder sind unterdrückt.
3. Die Diversität wird durchGenrekombination in derEntwicklungsphase erzeugt.
Klonale SelektionstheorieAnnahmen:
Die Population der Lymphozyten bestehtaus Untergruppen identischer Zellen(Klone), die je Klon nur für ein Antigenzuständig sind.
Schlüsselexperimente zurklonalen Selektionstheorie
Zu jedem beliebigen Antigen(Fremdkörper) existiert bereits einKlon von Zellen, die im Fall derImmunantwort aktiviert werden.
Klone gegen eigene Molekülewurden in frühenEntwicklungsstadienausgemerzt oder sindunterdrückt.
2. Schlüsselexperimente zur Klonalen Selektionstheorie
Klonale Selektion
Klonale
Expansion
Self-Antigen
Klonale Löschung
Fremde Antigene
Klonale
Ignoranz
Negative
Selektion
Zelltod
ODER Rezeptor-Edition
Unberührte Zelle
Klonale Expansion + Affinitätsreifungführt zu schneller Adaption von B-Zellen durch Evolutionsprozess
Die B-Zellen durchlaufen eine “immunologischen Mikroevolution”
Affinitäts-Reifeprozess
Die Affinitätskonstantenimmt im Laufe derImmunantwort zu
Niels Jerne
Die Jernsche Netzwerktheorie (Jerne, 1974)
Die Jernsche Netzwerktheorie (Jerne, 1974)
* Die Immunantwort wird durch ein zelluläres Netzwerk dargestellt
• Gegenseitiges Erkennen von Antikörpern/B Zellen durch Idiotope =>„idiotyp-Netzwerk“
* Immun-Netzwerk ist ein dynamischer Zustand (d.h. auch ohne äußere Reize ständiges Bilden und Vernichten von Zellen)
1
2
3
Ag
ActivationPositive response
SuppressionNegative response
Antibody
Paratope
Idiotope
* Erzeugt immunologisches Gedächtnis
Die Netzwerk-Theorie der Immunreaktion
Ein Antigen Ag X (mit einer Determinanten) stimuliert die Synthese einesAntikörpers Ab1 (den sog. Idiotyp), der seinerseits antigene Wirkung zeigtund einen zweiten Klon zur Produktion eines Antikörpers Ab2 (den sog. Anti-Idiotyp) anregt, der zu Ab1 komplementär ist. Ab2 stimuliert dann Ab3 usw.
Schematische Darstellungeines verzweigten Immunnetzwerkes.
Abn+1
Abn
Ag-X
Ab1Ab1Ab1
Ab2
Ab3
B-Zellen
T-Zellen
TH-Zellen
Ein mathematische Modell des Immun-Netzwerks
dxi
dt= b
i! d
i[ ]Xi
bi „birthrate“di : „death-rate“
Im Folgenden bezeichnen die Spezien Xi die Zahl der Lymphozyten desKlons bzw. die Konzentration der dazugehörigen Antikörper Abi.Das zeitliche Verhalten der Lymphozytenpopulation ist durch eineEvolutionsgleichung beschrieben:
Die Rückkopplungsmechanismen
bi =1
Tb
!
" # $
% & fb Xi'1,Xi ,Xi+1( );
di =1
Td
!
" # $
% & fd Xi'1,Xi ,Xi+1( )
(Richter, Hoffmann et al.)
Die Rückkopplungsmechanismen
1Die Unterdrückung (Suppression) der Spezies i durch den anti-Idiotyp (i+1): DieserProzeß basiert auf einer Zerstörung der Lymphozytenpopulation Abi durch Zellen desKlons i+1. Die Funktion könnte durch Killer-Zellen erfüllt werden.
Die Pufferung durch Ab-Ab-Wechselwirkung. Bei einer hohen Konzentration an Abiim Serum binden diese an die Spezies Abi-1 und Abi+1 und reduzieren so die Zahl derfür die Kopplung mit Abi-Lymphozyten zur Verfügung stehenden Antikörper.
Die Hemmung (I) der Stimulation der Abi-Produktion durch die Spezies Abi-1. DieserProzeß basiert auf einer Besetzung der Rezeptoren Abi durch Abi+1. Er spielt jedochkeine Rolle gegenüber einer anderen Hemmung (II), welche die Unterdrückung vonAbi durch Abi+1 reduziert. Ursache dafür ist Unterdrückung des Unterdrückers Abi+1durch Abi+2. Diese Hemmung hat jedoch propagierende Wirkung. Die LymphozytenAbi+2 spielen somit die Rolle von TH-Zellen.
Implementierung von Schwellwertverhalten undRückkopplung
1
1
11
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D
Td
Stabile Lösungen erfordern Di>Bi
!
Bi= B
01+ X
i+1[ ] 1+ "Xi+1[ ]
#11+$X
i[ ]
!
Di= D
01+ X
i+1[ ] 1+ "Xi+1[ ]
#11+$X
i[ ]Der Term (1 + βXi-1)-1 berücksichtigt die Hemmung
m bestimmt die Steilheit der Schwelle, Bi und Di die Schwellenwerte
Ergebnis des Modells:1. Die Niedrigzonen-Toleranz(Low-Zone-Tolerance, LZT)
Das Antigen stimuliert die Spezies Ab1, dessen Konzentration zunimmt. NachÜberschreiten der Schwellkonzentration der Spezies Ab2 wird diese aktiviert.Gleichzeitig wird Ab1 unterdrückt, d.h. [Ab1] −> 0.
Time
Ergebnis des Modells:2. Die normale Immunantwort
Die Unterdrückung der Ab1 durch Ab2 wird (durch Bindung von AgX an Ab1) soweitgehemmt, daß die Unterdrücker Ab2 durch Ab3 selbst eliminiert werden. Auch spätereZugaben von AgX werden durch Ab1 (B-Zellen) leicht eliminiert.
Ergebnis des Modells:3. Die Hochzonen-Toleranz
(High-Zone-Tolerance = HZT)
Wie die Abbildung zeigt, toleriertdas Immunsystem eine hoheKonzentration Ax durch Eliminationder B-Zellen. Der Grund für dieseToleranz ist die Elimination der"Helfer-Zellen" Ab3 durch derenAggressoren Ab4: Die Ereignisketteendet mit der Stufe 4.
Das Immunsystem besitzt ein Gedächtnis
Die Immunantwort auf eine zweite Begegnung mit dem AntigenA ist stärker und schneller als die erste.
Primäre und Sekundäre Immunantwort
Die Unterscheidung von „Selbst“ und „Fremd“
Es gibt zwei Arten von molekularen „Markern“ (membranständige Glykoproteine) = Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC, mayor histocompatibility complex)
MHC-Klasse-I
Auf allenkörpereigenenZellen
MHC-Klasse-IIAuf Zellen desImmunsystems
Das Unvermögen gegen Selbst-Antigene zu reagieren, beruht auf erworbenerimmunologischer Toleranz.
MHC-I Moleküle aktivierenTC-Zellen und finden sichauf jeder Körperzelle
MHC-II Moleküle aktivierenTH -Zellen und finden sichnur auf speziellenImmunzellen, wieMakrophagen und B-Zellen.
Aktivierung der T-Helferzellen
Wirkungsweise der cytotoxischen Zellen
Cytotoxische T-Zelle zerstört einen Eindringling
Überblick zum synergistischen Zusammenwirken der Zellen des Immunsystems
Die immunologische „Synapse“ der T-Zellen
Wie präsentiert der MHC I Komplex das im Zellinneren synthetisierte Protein an der Zelloberfläche?
Exkurs: Das Proteasom
Wolfgang Baumeister
30% aller neusynthetisierten Proteine sindfehlerhaft und werdensofort wieder im Proteasomdegradiert.
Zusammenfassung
Das Immunsystem ist ein sehr komplexer Abwehrmechanismus, der in einer ständigenWechselwirkung mit mit dem gesamten Organismus stehtAngeborenes IS (Phagozyten) und adaptives IS (B- und T-Lymphozyten)
Eigenschaften adaptiven IS durch klonale Selektion• spezialisiert durch Antikörper/Selektion• vielfältig durch genetische Antikörpervielfalt• Gedächnis• Selbst-Fremd Erkennung (T-Zellen)
Die Jernsche Netzwerktheorie beschreibt die Dynamik der Lymphozyten Population