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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""#

$%%&

'+=

m

i

i

b

i

X

B

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i

i

b

i

X

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