Angeborene / „Unspezifische“ Abwehrm Konzeptvorlesung Immunologie Prof. Dr. med. Clemens Dahinden Institut für Immunologie Für Fragen E-mail: clemens.dahinden@iib.unibe.ch Beige Umrandet: Nur Beispiele, Kein Lernstoff

Aufgaben des Immunsystems Unterscheidung Selbst – Fremd? Antigen-Erkennung Unterscheidung Harmlos – Gefährlich? Entzündung Unterscheidung Art? / Was? Art der Entzündung Art der Immunität

Angeborenes – Adaptives Immunsystem Insult / Nekrose Pathogen = „Gefahr“ Antigen „Pattern“ Erkennung „Fremd“ Erkennung Zytokine Kostimulation Angeborenes Immunsystem (Entzündung Abwehr ) Adaptives Immunsystem (Immunantwort Klonale Expansion) Komlement Zytokine T-Zellen Antikörper Reparatur Immunität

Angeborenes vs Adaptives Immunsystem Angeborenes Immunsystem Adaptives Immunsystem Entzündung / Abwehr Phylogenetisch älter Sofort verfügbar Angeborene Immunität Antigen Erkennung Phylogenetisch jünger Braucht Zeit Erworbene Immunität Funktion Myeloide Zellen Neutrophile Eosinophile Basophile Monozyten Lymphozyten: NK-Zellen Lymphozyten B-Zellen T-Zellen (CD4 Helfer) (CD8 Zytotoxisch) Zellen -Komplement -Lektine -Zytokine Immunoglobuline Komplement Zytokine Humoral

Fremderkennung des angeborenen Immunsystems „Gefahr-Signale“ Polysacharide LPS / Endotoxin / Lipid A Andere Produkte von Pathogenen Prokariote Signalpeptide Prokariotes DNS Verändertes / fehlendes „Selbst“ Zellschädigung / Nekrose

Fremderkennung des angeborenen Immunsystems Lektine: Erkennung von Polysachariden 1. Soluble Lektine (humoral): wie Collektine (C-Typ Lektin Familie) -z.B. Mannose binding protein (MBP) / Surfactant Proteine Bindung an Zucker Struktur Kollagen Struktur Lektin Domäne Zucker Spezifität des MBP: Fucose Mannose N-acetyl -galactosamin MBP Trimer Bindung an Rezeptoren (CR1/CD35) fördert Phagozytose Aktivierung von Komplement WWW Link (Swissprot) 2. Rezeptoren (zellulär): Lektin-Rezeptoren auf Phagozyten - z.B. Mannose Rezeptor / „Scavenger“-Rezeptoren

Fremderkennung des angeborenen Immunsystems: Avidität durch repetitive Strukuren und Multimere „Pattern“ Erkennung: - Breite Spezifität / Niedrige Affinität SP-A Monomer Erhöhung der Avidität druch: Repetitive Strukturen des Liganden (z.B. Polysacharide / Zellwände) Multimere Rezeptoren Trimer Beispiel: Surfactant Protein A Mannose binding Protein 6 x Trimer Avidität

Fremderkennung des angeborenen Immunsystems Pentraxine C-reaktives Protein (CRP) -Akut Phase Protein (von Leber gebildet) Bindet: Phospholipide (Phosphorylcholin) DNA / -Histone Aktiviert Komplement - Bindet C1q (Klassischer Weg) Beispiele: C-reaktives Protein (CRP) Serum Amyloid P (SAP) Pentraxin 3 Pentamer CRP Struktur Im Komplex mit Phosphorylcholin WWW LINK CRP (Swissprot)

„Natürliche“ Antikörper: IgM Grosses Repertoir z.T. in Germline Konfiguration Niedrige Affinität Breite Spezifität / Kreuzreaktionen Hohe Avidität wegen Multivalenz Aktivierung von Komplement

Wege der Komplementaktivierung Angeborenes IS Adaptives IS Alternativer Weg Lektin Weg Klassischer Weg Oberfläche ohne Inhibitoren Polysacharide Immun- komplexe C3b / C3i MBP C1q MASP1 MASP2 C1r B C1s D C2 C2 P C4 C4 C3 Amplifikations Weg C3b

Komplement Aktivierung Komplementaktivierung und Funktion: Link zwischen Erkennung und Effektoren Oberfläche ohne Inhibitoren Polysacharide Immun- komplexe Alternativer Weg Lektin Weg Klassischer Weg C3b / C3i MBP C1q Komplement Aktivierung C3a C5a: Anaphylatoxine Chemotaxis von Leukozyten C9 Lytischer Komplex: Lyse von Zellen / Pathogenen C3b C3bi: Opsonisierung Entfernung von Immunkomplexen C3bi C3d C3dg: Bindet CR2 (CD21) Stimuliert B-Zellen Immunoglobuline +

Komplement Aktivierung: Übersicht Lektin Weg MBP / MASP Klassischer Weg C1q / C1r, C1s „Alternativer“- Amplifikations-Weg

Komplement: Regulatoren / Inhibitoren CR1 Beispiel: Inhibition C3-Konvertase Problem: C3 ist Substrat und Kofaktor der C3 Konvertase --- sofortiger Komplementverbrauch ohne Inhibitoren Regulatoren der Fluid Phase: Verhindern Komplementaktivierung und Verbrauch im Plasma Membrangebundene Regulatoren : Schützen die eigenen Körperzellen vor Attacke durch Komplement Fluid Phase: C1-INH C1 C4bp C4b H C3b S-Protein C9 SP-40 C9 Zellmembran: MCP C4b/C3b DAF C4b/C3b CR1 C4b/C3b HRF C9 CD59 C9

Fremderkennung des angeborenen Immunsystems Prokariote Signalpeptide (N-Formyl-Metionyl-Peptide) Chemotaktischer Faktor Rezeptoren: 7-transmembran G-Protein gekoppelt Funktion: Chemotaktische Migration / Zellaktivierung von Leukozyten Modell Rezeptor-Ligand Weitere Chemotaktische Faktoren (Klassen und Beispiele): N-formyl-Met-Peptide Bakteriell, Exogen C5a Komplement, Humoral Leukotrien B4 / PAF Lipid, Zellulär Chemokine Peptid, Zellulär Film (mov Datei)

Chemokine - Viele Proteine (>40) - Gleiche Struktur CC-Chemokine CXC-Chemokine - Viele Proteine (>40) - Gleiche Struktur - Von Zellen gebildete Chemotaxine - Leukozyten Migration und Zell-Aktivation Unterschiedliche Selektivität für Leukozyten Subpopulationen - 7-transmembran Rezeptoren (Gi-Protein gekoppelt)

Neutrophile Granulozyten Primäre Abwehrzellen des angeborenen IS Soluble Aktivatoren Chemotaxine / Zytokine (TNF, GM-CSF) Partikuläre Aktivatoren / Phagozytose Mikroorganismen, Obsonine, Immunkomplexe Tertiärgranula: Gelatinase / Integrine Chemotaxis / Adhärenz Sekundärgranula: Lysozym / Laktoferrin Bakteriostatisch Primärgranula: Enzyme / Defensine Stärke der Aktivierung Bakterizid Zytotoxisch Plasmamembran NADPH-Oxidase Sauerstoffradikale Entzündungsmediatoren Zytokine Abtötung der Mikroorganismen Gewebeschaden z.B. Abszess

Zytotoxische Radikale (Superoxid, Stickoxid) Degranulation Induktion (Mono) Aktivierung (Neutro / Mono) Myelo- Peroxidase Induzierbare NO-Synthase O2-Synthase = NADPH Oxidase Enzym Substrate Wichtigste Produkte Oxidation Chlorination Tyr-Nitration Effekte (Beispiele Tyrosin- Nitration Nitrosylation Oxidation

Fremderkennung des angeborenen Immunsystems LPS / Endotoxin / Lipid A Core / Variable Polysacharid Lipid A LPS / Lipid A Rezeptoren Lektine Komplement Mediatoren Zytokine -TNF; IL-1, IL-6, IL-8 Entzündung Schock Opsonisierung Phagozytose Chemotaxis Lyse

LPS / Endotoxin / Lipid A Bindungsproteine + Rezeptoren LPS-bindende Protein-Familie LPS-Rezeptoren CD14 + Toll-like Rezeptor 4 LBP (LPS binding protein) -aus Leber (akut Phase Protein) -bindet Lipid A + gram- Bakterien -nicht bakterizid -opsonisierend -erhöht Effekte des LPS BPI (bactericidal permeability inducing) -aus Neutrophilen Granula -bindet Lipid A + gram- Bakterien -bakterizid -nicht opsonisierend -inhibiert Effekte des LPS TLR4 Signal Entzündung Struktur LBP

Signaltransduktion and zelluläre Effekte: Gemeinsamkeiten von Lipid A mit IL-1 und IL-18 Homologe intrazelluläre Domäne ähnliche Signaltransduktion ähnliche Effekte durch Pathogen-Produkte und proinflammatorische Zytokine

Interleukin-1 / Toll-like Rezeptor Familie (TIR) Extrazelullär: Ligandenspezifität Zytokine (IL-1 / IL-18) Pathogen-Produkte TLR7 TLR8 TLR9 Intrazellulär: Signaltransduktion Zellaktivierung Expression von proinflammatorischen Zytokinen

Pattern Erkennung durch Toll-like Rezeptoren: andere Pathogen-Produkte / prokariotes DNA Lipid A / LPS (Gram- Bakterien) TLR4 Lipopeptide, Peptidoglycan Teichonsäure (Gram+) TLR2 TLR3 Doppelstrang RNS Flagellin (Bakt. Flagellen) TLR5 Prokariotes DNS (CpG-reich, nicht mehyliert) TLR9 Andere Adjuvantien? TLR?

Intrazelluläre „Stress“ Rezeptoren: Erkennung von Pathogen oder Zellschädigung

Intrazelluläre „Stress“ Rezeptoren: Function von NOD Proteinen

Klinisch sinnvollere Einteilung: Zytokine Definition: Von Zellen gebildete Peptid- / Protein-Botenstoffe Mehrere 100:  Komplexes, z.T. interdependentes, Netzwerk Mehrere 100 Rezeptoren:  meist auch als lösliche Form Funktion: Regulation der inter-zellulären Kommunikation Andere Gruppenbezeichnungen je nach Gebiet: Lymphokine, Interleukine, Monokine, Hämatopoietine, Wachstumsfaktoren, Neurotropine, Chemokine, Mediatoren, XX-Faktoren etc. Chaotische Nomenklatur Klinisch sinnvollere Einteilung: Nach Struktur (Homologie Tertiärstruktur): Superfamilien / Familien von Liganden und entsprechenden Rezeptoren Nach Wirkungsmechanismus: Signalübermittlung, Zellantwort Nach Wirkungsradius: Autokrin, Juxtakrin, Parakrin, Endokrin

Zytokin Rezeptoren - Liganden Familien

TNF- Rezeptoren Familie

IL-6 / Rezeptoren Familie

Zytokin-Netzwerke: Pleiotropie / Redundanz / Synergie / Antagonismus Peiotropie: 1 Zytokine  Vers. Effekte Zytokin Y Zytokin X Zytokin + - Redundanz: 1 Effekt durch vers. Zytokine + Zielzelle C B A Ziel- Zelle - +++ + Synergie Redundanz Antagonismus

Zytokinnetzwerke – Pro- / Anti-inflammatorische Zytokine: Sequenzielle Expression Positive und Negative Feedback-Mechanismen IL-10 IL-10 TNF und IL-1: (Gegenseitiger) Positiver Feedback IL-6: Indirekter negativer Feedback (Akut Phasen Proteine / ACTH-Kortisol Stimulierung) IL-10: Direkter negativer Feedback

Zytokinnetzwerke Beeinflussung von Zytokinwirkung / -Kinetik beeinflusst von: Echten Zytokin Antagonisten „Scavenger“ Rezeptoren Solublen Rezeptoren Zytokinbindungsproteine Antizytokin-Autoantikörper Zytokinprofil Beispiel Interleukin-1 Inhibitoren Solubler IL-1 Rezeptor II IL-1b Solubler IL-1 Rezeptor I IL-1Rezeptoranatagonist Anti-IL-1 Antikörper IL-1a

Proinflammatorische Zytokine: Lokale und systemische Wirkungen

Fremderkennung des angeborenen Immunsystems „Gefahr-Signale“ Polysacharide LPS / Endotoxin / Lipid A Andere Produkte von Pathogenen Prokariote Signalpeptide Prokariotes DNS Verändertes / fehlendes „Selbst“ Zellschädigung / Nekrose