Immunsystem
Das Immunsystem (lat. immunis = frei, unberührt) ist ein komplexes System von Molekülen und Zellen in einem Lebewesen mit der Fähigkeit, zwischen 'selbst' und 'fremd' bzw. 'gefährlich' und 'harmlos' zu unterscheiden. Es hat die Aufgabe, Gefahren für den Körper abzuwehren.
Einführung
Organismen müssen sich ständig mit Einflüssen aus der belebten Umwelt auseinandersetzen. Manche stellen eine Bedrohung dar. Darunter sind vor allem Mikroorganismen zu verstehen, zu deren eigener Überlebensstrategie es gehört, nach einer Invasion in höhere Organismen zu streben, um sich dort zum Zweck der Arterhaltung zu vermehren. Dieses Vorgehen ist im Allgemeinen schädlich für den Wirtorganismus und führt zu Funktionsstörungen wie Krankheiten.
Auch Veränderungen im Inneren der Organismen - im Sinne von autonomen Leben - können die Existenz eines höheren Organismus bedrohen. Dazu gehören die Tumorzellen, die zwar ursprünglich aus normalen Körperzellen entstanden sind, im Laufe ihrer Entwicklung jedoch ihre physiologische Funktion verloren haben und nun zum Schaden für den Organismus führen.
Vor diesen krankhaften biologischen Einflüssen schützt sich der Organismus mit Hilfe des Immunsystems.
Das Immunsystem schützt vor
- Gefahren von außen:
- Gefahren von innen:
- Entartete körpereigene Zellen (Krebs, abgestorbene Zellen),
- Freie Radikale (?).
Die komplexe Wechselbeziehung zwischen dem Organismus und den schädlichen biologischen Einflüssen wird im Allgemeinen als ein Angreifer- /Verteidigungssystem angesehen.
Gerade bei Infektionen mit Krankheitserregern, die schon an den Menschen als ihren Reservoirwirt angepasst sind, kommt dem Zustand des Immunsystems des betroffenen Organismus eine besondere Bedeutung zu. Ob nach einer Infektion tatsächlich auch eine Erkrankung auftritt, hängt von der Menge und Virulenz der Erreger und vom Zustand des Immunsystems der betroffenen Person ab. Die Beobachtung, dass bei Virusinfektionen keineswegs alle Kontaktpersonen ebenfalls erkranken, hat verschiedene Ursachen. So kann durch vorherigen Kontakt mit dieser Virusvariante bereits eine Immunität bestehen, die Virendosis oder -virulenz für einen Krankheitsausbruch zu gering sein oder das Immunsystem in der Lage sein, trotz Infektion Krankheitssymptome zu verhindern [apparente Infektion oder stille Feigung (Immunisierung ohne Impfung oder Erkrankung)]. Bei intaktem Immunsystem und geringer Erregerdosis kann also eine solche Erkrankung wie beispielsweise eine Erkältung entweder überhaupt nicht ausbrechen oder einen weniger schweren Verlauf nehmen.
Bei Infektionen mit an den Menschen nicht angepassten Erregern hat auch ein gesundes und abwehrstarkes Immunsystem meist keine Chance, einen Krankheitsausbruch zu verhindern. In einem solchen Falle kann der Zustand des Immunsystems lediglich darüber entscheiden, wie schwer und wie lange eine solche Erkrankung bis zur Ausheilung und dem Erwerb einer Immunität gegen den verursachenden Erregertyp verläuft und dauert, oder ob der Erkrankte an den Krankheitsfolgen verstirbt. An der Höhe der durchschnittlichen Letalität einer Erkrankung kann man daher auch erkennen, wie wenig die Krankheitserreger an den Menschen angepasst sind.
Nach einer erfolgten Infektion steht das Immunsystem zunächst vor der Aufgabe, die schädlichen Strukturen zu identifizieren. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden die Strukturen als körperfremd bezeichnet, um sie vom Normalen und Gesunden zu unterscheiden. Somit werden Krankheitserreger (Bakterien, Pilze, Viren usw.) und Tumorzellen als fremd erkannt. Danach werden die schädlichen Strukturen bekämpft. Dafür steht dem Immunsystem ein höchst effektives System zur Verfügung, an dem mehrere Zelllinien und chemische Systeme beteiligt sind.
Angeborene und adaptive Immunität
Im Laufe der Stammesgeschichte der Lebewesen - auf der Stufe der Eukaryoten - hat sich zunächst ein relativ unspezifisch agierendes Verteidigungssystem entwickelt, das angeborene Immunsystem. Erst später, mit dem Auftreten der Wirbeltiere, kam es zur Entwicklung des adaptiven Immunsystems, das mit höherer Spezifität gegen Erreger vorgeht und eine Art individuelles Gedächtnis in die Verteidigungsstrategie des Organismus einführte.
Das angeborene Immunsystem kann Infektionserreger bekämpfen, ohne dass der Organismus vorher mit dem Erreger Kontakt gehabt hat. Dabei werden Mustererkennungs- und Verteidigungsstrategien verwendet, die sich schon zur Zeit der ersten Eukaryote als effizient erwiesen haben. Es wird angenommen, dass etwa 90 Prozent aller Infektionen durch das angeborene Immunsystem erkannt und endgültig bekämpft werden.
Die Aufgaben des angeborenen Immunsystems werden von verschieden Zellen wahrgenommen. Dazu gehören Granulozyten, Makrophagen, dendritische Zellen, Epithelzellen, natürliche Killerzellen (NK-Zellen). Diese Zellen sind zum Teil in der Lage, den Angreifer (Erreger) selbst zu vernichten. Außerdem versetzen sie den Organismus durch Produktion von Botenstoffen in eine Art Alarmzustand. Das führt wiederum zum massiven Einsatz der zellulären Abwehr. Die Wirkung einiger dieser Signalstoffe äußert sich erkennbar in Entzündung und Fieber.
Der Erreger wird vom angeborenen Immunsystem immer nach einem uralten Muster angegriffen und vernichtet. Außer der Tatsache der Fremderkennung ist die Funktionsweise als unspezifisch anzusehen.
Das adaptive Immunsystem zeichnet sich demgegenüber durch höchste Spezifität seiner Waffen gegenüber dem Angreifer aus. Es muss sich aber zunächst an den Angreifer anpassen. Im Rahmen dieses Anpassungsprozesses sind die Zellen des adativen Immunsystems (T- und B-Zellen) in der Lage, hochspezifische zelluläre und molekulare Antikörper zu bilden. Diese Antikörper können einen Angreifer zukünftig mit extrem kurzer Latenz unschädlich machen.
Damit das adaptive Immunsystem vom Angreifer überhaupt Kenntniss erlangt, bedient es sich der Makrophagen und der dendritischen Zellen des angeborenen Immunsystems. Diese Zellen sind in der Lage, auf ihrer Oberfläche Muster der Erreger zu präsentieren. Damit besteht eine Verbindung zwischen dem archaischen angeborenen und dem modernen adaptiven Immunsystem. Beide zusammen haben die Phylogenese der Wirbeltiere ermöglicht.
Angeborenes Immunsystem
Die Elemente des angeborenen Immunsystems sind
- Zellen der Abwehr (Granulozyten, Makrophagen, dendritische Zellen, Epithelzellen, natürliche Killerzellen (NK-Zellen)),
- ihre Botenstoffe zur Koordination der Abwehr und
- antibiotische Peptide und lytische Enzyme.
Erkennung des infektiösen Agens
Die Zellen des angeborenen Immunsystems sind mit Hilfe von Rezeptoren in der Lage, bestimmte Strukturmerkmale von Angreifern zu erkennen. Das angeborene Immunsystem ist dabei schon vor dem Erstkontakt mit einem Krankheitserreger "scharf geschaltet", es bedarf keiner Anpassung.
Entwicklungsgeschichtlich hat sich dabei eine Mustererkennung durchgesetzt, bei der für den Angreifer lebenswichtige molekulare Strukturmerkmale erkannt werden. Die Veränderung dieser Strukturen führen offensichtlich zur Verkrüppelung oder dem Absterben des Trägers. Die Selektion wirkt also im Sinne der Erhaltung dieser Merkmale. Zu diesen unverzichtbaren Proteinen gehören beispielsweise das Flagellin der Salmonellen und das Lipopolysaccharid gramnegativer Bakterien. Diese Merkmale haben sich entwicklungsgeschichtlich gehalten, so dass schon bei primitiven Eukaryoten Abwehrmechanismen entwickelt und im Verlauf der Phylogenese ohne Änderung beibehalten werden konnten.
Die Strukturmerkmale werden pathogen associated molecular pattern (PAMP) genannt und werden von verschiedenen Rezeptoren erkannt, darunter die Toll-artigen Rezeptoren (TLR).
Die Rezeptorproteine können in frei gelöster Form im Plasma zirkulieren oder an verschiedene Zellpopulationen gebunden sein. Dazu gehören
- neutrophile Granulozyten,
- Monozyten/Makrophagen und
- dentritische Zellen.
Zellen
.
Neutrophile Granulozyten, Monozyten/Makrophagen und dentritische Zellen können durch Aufnahme und Verdauung (Phagozytose) den Erreger selbst vernichten oder durch die Produktion von Immunmodulatoren und Zytokinen die Immunreaktion des Organismus steuern.
Neutrophile Granulozyten
Die neutrophilen Granulozyten machen 40 bis 50 Prozent der zirkulierenden Leukozyten aus. Sie zirkulieren mit dem Blutkreislauf. Aktiviert durch Zytokine, die vom Ort der Infektion ausgesondert werden, wandern sie aus den Blutgefäßen in das betroffene Gewebe ein. Dort sind sie in der Lage, durch Phagozytose Krankheiterreger (hier Bakterien) zu vernichten.
Fresszellen
Makrophagen (große Fresszellen) stellen ebenfalls einen Teil der Patrouille des Immunsystems dar. Auch sie zirkulieren mit dem Blutkreislauf und nehmen alles mögliche in sich auf (phagozytieren), was ihnen begegnet. Die aufgenommenen Teile werden im Inneren der Makrophagen in einzelne Peptide (Epitope) zerlegt und durch MHC-II-Molekülen auf der Oberfläche präsentiert. T-Zellen der Klasse CD4 können so, und nur so, erkennen, welche Substanzen sich im Körper bewegen.
Außerdem spielen Makrophagen auch direkt bei der Bekämpfung und Beseitigung von schädlichen Substanzen und Abfallprodukten eine entscheidende Rolle.
Natürliche Killerzellen
Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) sind Teil des angeborenen Immunsystem, obwohl sie sich einen Knochenmarksvorläufer mit T-Zellen teilen. Erstmals beschrieben wurden sie 1975 am Karolinska Institut in Stockholm. Im Gegensatz zu T-Zellen können sie ohne vorherige Aktivierung unmittelbar reagieren. Im Laufe der 1980er Jahre wurde klar, dass NK Zellen unter normalen Umständen von so genannten "MHC Klasse I"-Molekülen inhibiert werden, die sich an der Oberfläche fast aller Körperzellen befinden. Wird eine Zelle infiziert oder wandelt sich in eine Tumorzelle um, gehen unter Umständen "MHC Klasse I"-Moleküle auf der Oberfläche verloren. Das Resultat ist eine von NK-Zellen getragene Immunantwort gegen genau diese Zellen. Dieses Konzept wurde international als so genannte "missing-self" Erkennung (Klas Kärre et al.) bekannt.
Während der 1990er Jahre wurde dieses Konzept dahingehend erweitert, dass die Kontrolle von NK-Zellen von einem fein ausbalancierten Gleichgewicht zwischen inhibierenden und aktiverenden Signalen abhängt. Sowohl der Verlust von inhibierenden als auch die vermehrte Präsenz aktivierender Signale kann demnach zu einer NK Zellantwort führen. Zur Verarbeitung dieser Signale tragen NK-Zellen eine Vielzahl unterschiedlicher Rezeptoren auf ihrer Oberfläche, die auf den potenziellen Zielzellen inhibierende oder aktivierende Liganden wahrnehmen. Diese Integration multipler Signale unterstreicht die hohe Komplexität auch des angeborenen Immunsystems.
Humorale Antwort
Komplementsystem
Das Komplement, welches aus einer bestimmte Klasse von Blutproteinen besteht, ist in der Lage, sich an körperfremde sowie körpereigene Strukturen zu binden. Werden körpereigene Strukturen umlagert, schütten diese ein Protein aus, das Komplement-Moleküle deaktiviert. Dadurch wird eine Schädigung des eigenen Organismus verhindert.
Um erkannte körperfremde Proteine zu bekämpfen, bedient sich das Komplement hauptsächlich zweier Strategien:
- es ist in der Lage, die Zellwände des Eindringlings zu schädigen, wodurch die Zelle zerstört wird.
- es hat die Möglichkeit, Fresszellen zu aktivieren, welche die Zellen verschlingen, die durch Komplement umschlossen sind.
Adaptives Immunsystem
Darüber hinaus besitzt das Immunsystem höher entwickelter Organismen ein sehr anpassungsfähiges und auch erinnerungsfähiges Teilsystem, welches vor allem gegen Viren hocheffektiv ist. T- und B-Zellen gehören beide zu den Lymphozyten, einer Untergruppe der Leukozyten (weiße Blutkörperchen). Beide Zelltypen entwickeln sich im Knochenmark (engl. Bonemarrow), wobei die T-Zellen eine weitere Reifung im Thymus durchlaufen.
T-Zellen werden nach verschiedenen Kriterien mehrfach unterschieden (siehe Lymphozyten). Für die folgenden Erläuterungen ist die Unterscheidung der T-Zellen nach ihren Rezeptoren (Andock- und Erkennungsstellen), die sie auf ihrer Oberfläche tragen, entscheidend.
T-Zellen verfügen über mehrere Rezeptoren, um ihnen das Andocken an passende Gegen-Moleküle (Antigene) zu ermöglichen. Neben dem passenden T-Zell-Rezeptor, mit dem ein spezielles Antigen erkannt wird (Schlüssel-Schloss-Prinzip), ist noch ein Oberflächenmarker entscheidend, der sie als CD4 / T-Helferzelle bzw. als CD8 / T-Killerzelle klassifiziert. Die Abkürzung CD steht für engl. Cluster of differentiation.
T-Helferzellen können über ihren spezifischen T-Zell-Rezeptor nur an körperfremde Strukturen andocken, die durch Fresszellen verschlungen wurden und dann mit Hilfe des MHC-II Molekül präsentiert werden. Um die CD-4 Zelle in einen aktiven Zustand zu versetzen ist es zusätzlich Bedingung, dass die Makrophage die Kostimulanz B7 auf ihrer Oberfläche bildet und diese an den CD-28 Rezeptor der T-Zelle andockt. Die Aktivierung veranlasst die Teilung der T-Zelle und das Freisetzen von Lymphokinen, die weitere Teile des Immunsystems, die B-Zellen, mobilisieren.
T-Killerzellen erkennen schädliche Peptide, die mit MHCMolekülen der Klasse I verbunden sind und an der Oberfläche von praktisch allen Körperzellen präsentiert werden können. Die Körperzellen zeigen dem Immunsystem auf diese Art an, was in ihrem Inneren vor sich geht. Dockt eine CD8 Zelle mit dem passenden T-Zell-Rezeptor an die Körperzelle an, schüttet die CD8 Zelle zytotoxische Substanzen aus, welche die infizierte Zelle absterben lassen.
B-Zellen, die mit ihrem - an der Zelloberfläche befindlichen - Antikörper bereits an ein Antigen angedockt haben, können durch Lymphokine aktiviert werden, die von aktivierten CD-4 T-Zellen ausgeschüttet werden. Die B-Zellen beginnt sich zu teilen und entsprechende Antikörper zu produzieren; in diesem Stadium werden sie als Plasmazelle bezeichnet. Während einer Erstinfektion dauert es mindestens fünf Tage, bis sich aus einer B-Zelle eine Antikörperproduzierende Plasmazelle entwickelt.
Diese sind in der Lage, auch freie (also nicht von MHC gebundene) Antigene zu erkennen und sie durch Anlagerung für das Komplement oder Makrophagen zu markieren.
Einige der B-Zellen werden zu Gedächtniszellen, um im Falle einer neuerlichen Infektion schnell mit der Produktion des passenden Antikörpers reagieren zu können.
Die Y-förmigen Antikörper bestehen aus vier Bausteinen: zwei äußeren, sog. schweren Ketten und zwei innenliegenden leichten Ketten. Diese Ketten bestehen aus der Kombination vieler kleiner Bausteine. Dadurch ist es möglich, mehr als 100 Millionen verschiedene Antigene zu erkennen.
Komplexe Wirkung des Immunsystems
Mechanische Barrieren
Diese sorgen dafür, dass die Pathogene erst gar nicht in den Körper eindringen können oder ihn möglichst schnell wieder verlassen:
- Haut - äußere Schicht als Barriere, Hauttalg, Schweiß und Normalflora als Wachstumsbremsen für körperfremde Mikroorganismen
- Schleimhaut - Bindefunktion des Schleims
- Nase - Abfangfunktion des Nasenschleims, Abtransportfunktion der Flimmerhärchen
- Augen - Abtransportfunktion der Tränen, antimikrobielles Enzym Lysozym bekämpft Mikroorganismen
- Atemwege - Bindefunktion des Schleims, Abtransportfunktion der Flimmerhärchen
- Mundhöhle - antimikrobielles Enzym Lysozym im Speichel bekämpft Mikroorganismen
- Magen - Salzsäure und Eiweiß abbauende Enzyme zerstören fast alle Bakterien und Mikroorganismen
- Darm - Infektabwehr durch lymphatisches Gewebe und anwesende Bakterien, Abtransportfunktion durch ständige Entleerung
- Harntrakt - Abtransportfunktion durch ständige Harnausspülung
Reifung des Immunsystems
Im Thymus, der Reifungsstätte der T-Zellen, differenzieren sich die T-Zellen in die verschiedenen Typen wie CD4- und CD8-Zellen. Anschließend werden sie mit körpereigenen Substanzen konfrontiert. Wenn eine T-Zelle einen dazu passenden Rezeptor trägt und an die körpereigene Struktur bindet, stirbt die T-Zelle ab. Dadurch soll sichergestellt werden, dass gereifte T-Zellen im Körper nur fremdartige Moleküle attackieren.
Alle Mechanismen, die dafür Sorge tragen, dass sich das Immunsystem nicht gegen den eigenen Organismus wendet, werden unter dem Oberbegriff der Selbsttoleranz zusammengefasst.
Säuglinge sind erst ab dem ca. 6.-8. Lebensmonat in der Lage, wirkungsvolle T-Zellen zu bilden. Durch die Plazenta und auch über die Muttermilch werden bestimmte Typen von Antikörpern (über Plazenta:IgG, über Muttermilch:IgA) auf das Kind übertragen, um es vor Krankheiten zu schützen, obwohl es selbst noch keine Antikörper bilden kann.
Alterung des Immunsystems
Mit fortschreitendem Lebensalter steigert sich die Anfälligkeit des Menschen gegenüber Krankheiten und anderen Störungen. Ein wesentlicher Grund dafür liegt in der schon nach der Pubertät einsetzenden, stetigen Schrumpfung der Thymusdrüse. Auch die Bildung von B- und T-Lymphozyten verringert sich im Laufe der Jahre. Daraus resultiert auch eine zunehmende Abnahme der Aktivität dieser Zellen und insgesamt eine fortschreitende Schwächung der Immunabwehr.
Das Immunsystem schädigende Faktoren
Abgesehen von der Alterung, gibt es weitere Faktoren, welche die Funktion des Immunsystems schädigen und herabsetzen können. Dazu zählen u. a. eine starke gesundheitliche Beeinträchtigung durch Vorschädigung wie beispielsweise bei chronischen Erkrankungen, eine medikamentöse immunsuppressive (das Immunsystem unterdrückende) Behandlung wie beispielsweise nach Organtransplantationen, Drogenmissbrauch (auch Nikotin und Alkohol), eine Mangelernährung und damit verbundene Unterversorgung auch mit Vitaminen und Spurenelementen, eine ungesunde unausgeglichene Ernährung [1], die Aufnahme von Umweltgiften aus der Umgebung [2], [3], [4], Einwirkung von Radioaktiver Strahlung, andauernder Stress, zuwenig Schlaf, Bewegungsmangel und auch eine übermäßige Kälteeinwirkung im Sinne von längerer Auskühlung [5], [6] oder gar Unterkühlung (Hypothermie) [7]. Dabei kann eine Kombination von mehreren Faktoren natürlich eine verstärkte Belastung für das Immunsystem darstellen.
Komponenten des Immunsystems
- Knochenmark, Blut und die Lymphe als Produzenten der eigentlichen, spezifischen Abwehrzellen, Lymphozyten
- Lymphsystem = Immunorgane: wie u.a. Thymus, Milz, Gaumen- und Rachenmandeln, der Wurmfortsatz des Blinddarms und die Lymphknoten
- sesshafte Immunzellen in vielen Organen
- Blut mit Leukozyten, Immunglobulinen, Komplementsystem
Das Immunsystem muss mit zwei gegensätzlichen Aspekten arbeiten:
Einerseits sollen alle fremden und gefährlichen eigenen Zellen (virusinfizierte oder Tumorzellen) schnellstmöglich ausgeschaltet werden. Funktioniert dies nicht, liegt eine Immunschwäche (z.B. AIDS) vor, und auch als harmlos eingestufte Krankheiten können lebensbedrohlich sein. Das Risiko für bestimmte Krebsarten ist hierbei erhöht.
Andererseits darf das Immunsystem gesunde körpereigene Zellen nicht angreifen, ansonsten kommt es zu einer Autoimmunerkrankung.
Untersuchung des Immunsystems
- Anamneseerhebung
- Bestehen Hinweise für eine immunologische Erkrankung?
- Zeichen der Abwehrschwäche?
- Zeichen eines überschießenden Immunsystems?
- Bestehen Hinweise für eine immunologische Erkrankung?
- Blutuntersuchungen
- Allergietestungen
- Untersuchung der Lymphorgane und des restlichen Körpers
- Ultraschall der Lymphknoten, der Milz etc
- Kernspinuntersuchung des Körpers
Leider sind auch diese Schutzmechanismen nicht perfekt, so dass es zu gefährlichen Autoimmunkrankheiten, bei denen das Immunsystem körpereigene Strukturen angreift, kommen kann. Einige Beispiele dafür sind:
| Krankheit | Richtet sich gegen | |
| Diabetes Typ I | Insulin produzierende Inselzellen der Bauchspeicheldrüse | |
| Rheumatoide Arthritis | Es entstehen chronische Entzündung der Gelenkinnenhaut | |
| Multiple Sklerose | Myelinscheiden im zentralen Nervensystem |
Schwachstellen des Immunsystems
Wie alle biologischen Systeme können sich auch beim Immunsystem Fehler einschleichen :
- Das Immunsystem kann die Fähigkeit verlieren, auf bestimmte fremde Stoffe angemessen zu reagieren. Dabei kann es zu Überreaktionen kommen, wie Allergien (in der raschen Form als anaphylaktische Reaktionen), die auch Krankheitverläufe prägen können, wie Sepsis, Schocklunge.
- Gehen nicht alle Antikörper-Zellen zugrunde, die auf den eigenen Körper ansprechen, so können diese in einem späteren Stadium auf den eigenen Körper ansprechen und damit eine Auto-Immun-Reaktion hervorrufen. Die Folgen sind Autoimmunerkrankungen.
- Haben Viren sich in eine Schicht eingehüllt, die der Körper nicht als fremd erkennt (z.B. eine Schicht aus Lipiden), so sind sie nicht erkennbar. Einem anderen Nichterkennungs-Mechanismus liegt die Krebsentstehung zugrunde.
Literatur
- Zur Einführung gut geeignet:
- Baenkler, H: Faszination Immunologie.
- Hippokrates,; Kt; 06.1998 In kurzen Kapitel leicht verständlich geschrieben.
- Spektrum der Wissenschaft Spezial Das Immunsystem
- Spektrum der Wissenschaft Verlag Sehr schöne Bilder. Vorbildliche Didaktik.
- Baenkler, H: Faszination Immunologie.
- Schnelle Übersicht
- Baenkler, H: Checkliste Immunologie. Thieme, Stgt.;
- Umfassende Lehrbücher:
- Immunologie. Grundlagen - Klinik - Praxis.
- Diethard Gemsa, Joachim R. Kalden, Klaus Resch, Karl-Otto Vorlaender
- Thieme, Stgt.; ISBN 3135348040
- Charles Janeway u.a., Immunologie, 5. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, ISBN 3827410797 (Original: Immunobiology, Garland Publishing, ISBN 081533642X)
- Top-Immunologie-Journals:
- Immunity
- Journal of Experimental Medicine
- Journal of Immunology
- European Journal of Immunology
