Was ist das angeborene Immunsystem und wie arbeitet es? Seine entscheidende Rolle bei Coronavirusinfektionen
In diesem Artikel
Vom Immun- (Abwehr-)System ist einer der beiden Zweige das angeborene Immunsystem, ein bei jedem Menschen vorhandenes gemeinsames Abwehrsystem gegen alle Mikroorganismen.
Unser Artikel erklärt zunächst Wesen, Funktionsweise und Zellen der angeborenen Abwehr und anschließend ihren Zusammenhang mit dem neuartigen Coronavirus (SARS-CoV-2) als weiterem Thema.
Die angeborene (manchmal auch „natürlich“ genannte) Immunantwort ist die erste Abwehr gegen Erreger zur Infektionsverhinderung und evolutionär das älteste Abwehrsystem. Sie erkennt Erreger anhand sehr allgemeiner Strukturen und gibt ähnliche Antworten. Ihre wichtigste Eigenschaft sind jedoch schnelle Reaktionen . Dies verdanken wir der fertigen erblichen Weitergabe ihrer genetischen Informationen. Die Abwehrzellen der angeborenen Immunität können zwischen eigenen Zellen und Krankheitserregern unterscheiden, sodass gesunde körpereigene Zellen nicht geschädigt werden.
TABELLE 1: Bei der angeborenen Abwehr gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: 1. strukturelle (anatomische) Barrieren, 2. funktionelle (physiologische) Barrieren.
Mit welchen Zellen tötet das angeborene Immunsystem Erreger?
Wie erwähnt bildet die angeborene Immunität die erste Verteidigungslinie gegen Mikroben. Dass Erreger dennoch Krankheiten verursachen, hängt mit ihrer teilweisen Resistenz gegen diese Mechanismen zusammen. Die beteiligten Zellen sind auf die Vernichtung des Eindringlings programmiert und verlassen den Blutkreislauf, um zum Angriffsort zu strömen.
Im angeborenen Immunsystem gibt es 2 Zelllinien:
- Myeloische Zellen (Granulozyten, Makrophagen und dendritische Zellen)
- Lymphatische Zellen (natürliche Killerzellen = Natural-Killer-Zellen)
ABBILDUNG 1: Unten sind Blut- und grundlegende Immunzellen sowie die Blutstammzelle dargestellt, aus der sie entstehen:
ABBILDUNG 2: Unten sind Zellen des „angeborenen“ und „adaptiven / spezifischen / erworbenen“ Immunsystems dargestellt:
1. Myeloische Zellen der angeborenen Immunität (Granulozyten, Makrophagen und dendritische Zellen)
Die Hauptaufgaben myeloischer Zellen sind das Erkennen, Aufnehmen (Phagozytose) und Zerlegen des Erregers. Wegen ihrer Fähigkeit zur Phagozytose heißen sie kurz auch „Phagozyten“.
Myeloische phagozytierende Zellen werden durch spezielle chemische Moleküle in den vom Erreger befallenen Bereich gelockt, die Chemotaxine heißen. Dies können bakterielle oder virale Moleküle oder spezielle Hilfssignale der örtlichen Körperzellen sein. Myeloische Zellen setzen außerdem eigene Chemotaxine frei und rufen weitere Schwesterzellen an den Infektionsort. Myeloische Zellen beziehungsweise Phagozyten besitzen spezielle Erkennungsrezeptoren auf ihrer Oberfläche. Erkennen sie damit ein normalerweise nicht vorhandenes Molekül oder eine solche Zelle, nehmen sie es auf. Dies geschieht durch Einstülpung der Zellmembran und Bildung eines Phagosoms genannten Bläschens. Das Phagosom verbindet sich mit einem intrazellulären, verdauungsaktive Stoffe enthaltenden Lysosom und ermöglicht die Vernichtung des Erregers.
ABBILDUNG 3: Die Phasen der Phagozytose sind dargestellt.
Eine besondere Form der Phagozytose ist die Autophagie. Der Nobelpreis für Medizin oder Physiologie 2016 wurde Yoshinori Ohsumi für seine Entdeckungen zu Autophagiemechanismen verliehen. Sie ist eine Form des zellulären Recyclings , bei dem wiederum das Enzym Lysozym aktiv wird und beispielsweise gealterte Zellbestandteile in Autophagosomen genannten Bläschen wiederverwertet werden.
TABELLE 2: Granulozyten werden in neutrophile, basophile und eosinophile Zellen unterteilt.
Makrophagen
Sie entstehen im Knochenmark durch Differenzierung einer anderen Immunzelle, des Monozyten. Makrophagen besiedeln strategische Eintrittsstellen für Mikroben, erkennen Fremdes rasch und reagieren abtötend. Wichtig ist, gesunde körpereigene Zellen nicht als Feinde zu erkennen und gegen sie zu reagieren. Deshalb erkennen und beseitigen sie mit ihren Oberflächenrezeptoren Fremdstoffe und Reste geschädigter, gealterter oder vom Körper getöteter Zellen. Sie ähneln in vieler Hinsicht Neutrophilen, bleiben aber länger am Entzündungsort und leben länger. Ein weiterer Unterschied sind ihre ausgeschütteten Zytokine als chemische Botenstoffe, mit denen sie Entzündung regulieren und den später erläuterten zweiten Immunitätszweig, die spezifische / erworbene Immunität , einleiten.
TABELLE 3: Wichtige von Makrophagen ausgeschüttete Zytokine und ihre Wirkungen
Dendritische Zellen
Wie Makrophagen zerlegen dendritische Zellen Erreger und präsentieren sie anderen Immunzellen, um die Immunantwort einzuleiten. Sie können besonders als erster Schritt der spezifischen Antwort betrachtet werden (siehe Dendritische Zellen und dendritischer Krebsimpfstoff).
2. Lymphatische Zellen der angeborenen Immunität (natürliche Killerzellen = Natural-Killer-Zellen)
NK-Zellen (natural killer = natürliche Killer) sind große Lymphozyten mit vielen Granula. Ihre wichtigsten physiologischen Aufgaben sind der Schutz vor Infektionen durch intrazellulär lebende Erreger, besonders Viren, und das Töten von Krebszellen. Diese angeborenen Abwehrzellen müssen dem Erreger nicht zuvor begegnet sein; sie können fremde Zellen bei der ersten Begegnung töten.
Natürliche Killerzellen (Natural Killer Cells, NK)können infizierte Zellen und Tumorzellen töten. Sie lassen Zielzellen durch den programmierten Zelltod namens Apoptose sterben. NK-Zellen setzen spezielle chemische Stoffe namens Interferon frei. Interferon-alpha und Interferon-beta verhindern die intrazelluläre Virusvermehrung. Interferon-gamma aktiviert dagegen Makrophagen und andere Immunzellen. Interferon-alpha wird bei Nierenkrebs und zur Behandlung des malignen Melanomseingesetzt.
ABBILDUNG 4: Vereinfacht dargestellt ist, wie natürliche Killerabwehrzellen antikörpermarkierte Krebszellen angreifen.
Infizierte oder geschädigte Gewebe lösen eine Inflammation genannte Entzündungsantwort aus. Ihr Ziel ist, Leukozyten und Plasmaproteine anzulocken. Sie hat drei Hauptaufgaben: Immunzellen und chemische Regulatoren zum Infektionsort zu bringen, eine physische Barriere gegen die Infektionsausbreitung zu bilden und die Geweberegeneration zu ermöglichen. Bei Gewebeschaden oder Infektion freigesetzte Zytokine haben viele Wirkungen. Sie regen etwa Mastzellen zur Histaminfreisetzung an. Histamin erweitert Blutgefäße, wodurch Wärme und Rötung entstehen, und macht sie für weiße Blutkörperchen durchlässiger.
Wie erkennen Immunzellen ihre Zielerreger?
Abwehrzellen nutzen Oberflächenrezeptoren zur Unterscheidung von Freund und Feind. Erreger wie Bakterien bilden artspezifische molekulare Oberflächenstrukturen, sogenannte „pathogenassoziierte molekulare Muster / Motive“ (PAMP). Ihre Struktur blieb im Laufe der Evolution erhalten. Angeborene Immunzellen besitzen Rezeptoren für diese Motive, die als „Mustererkennungsrezeptoren“ (PRR) bezeichnet werden. Da PAMP-Motive nicht auf menschlichen Körperzellen vorkommen, können PRR-tragende Zellen des angeborenen Immunsystems eigenes Gewebe nicht schädigen.
TABELLE 4: Beispiele für erregerspezifische molekulare Motive als Ziele angeborener Immunantworten, ihre Erkennungsrezeptoren und die Immunantworten
Zusammenhang zwischen neuartigem Coronavirus (SARS-CoV-2) und angeborenem Immunsystem
Betrachten wir vor diesem Hintergrund, wie unser angeborenes Immunsystem auf SARS-CoV-2 reagiert.
Zunächst ist zu betonen, dass Menschen dem neuartigen Coronavirus erstmals in ihrem Leben begegnen und unsere einzige natürliche Waffe deshalb die angeborene Abwehr ist.
COVID-19-Infektionund die Reaktion unseres Immunsystems darauf sind noch nicht in allen Einzelheiten geklärt. Einige Studienberichte zeigen jedoch bei SARS-CoV-2-Infizierten (in einer Studie mit 99 Personen) eine Zunahme der Gesamtneutrophilen um %38 und bei der Gesamtzahl der Lymphozyten (Zellen des in unserem nächsten Artikel behandelten spezifischen / erworbenen Immunsystems) einen Rückgang um %35 sowie bei Serum-IL-6 und C-reaktiven Proteinen (CRP) Zunahmen um jeweils %52 und %84. Erläutern wir kurz die Aufgaben dieser Proteine;
IL-6: Dieses von vielen Zellen (Makrophagen, Granulozyten, Lymphozyten usw.) ausgeschüttete Protein hat zahlreiche Aufgaben. Die IL-6-Freisetzung beginnt beim Erregerangriff; die Spiegel in Gewebe und Blut steigen, Zielzellen erhalten Nachrichten, und nach dem Angriff endet die Freisetzung. Besonders Virusinfektionen steigern IL-6. Auch beim Entstehen der spezifischen Immunantwort spielt IL-6 eine wichtige Rolle.
C-reaktives Protein (CRP): Es gehört zu den Akutphaseproteinen, die bei Entzündung in der Leber gebildet werden und im Blut zunehmen. Seine Hauptaufgabe ist, Erregeroberflächen zu bedecken und dadurch ihre Beseitigung durch Phagozytose zu erleichtern.
Typ-1-Interferon (IFN-1): Ein entscheidender Schritt der natürlichen / angeborenen Virusabwehr ist die Freisetzung von Typ-1-Interferon (IFN-1) und die dadurch angeregten Signalwege. Typ-1-Interferone umfassen IFN-alpha und IFN-beta. Ihre Ausschüttung wird durch Viren, andere Mikroorganismen und doppelsträngige RNA angeregt. IFN-beta ist vor allem eine Immunantwort auf Virusinfektionen und reguliert auch die spezifische Immunantwort. Der erste Schritt zur Typ-1-IFN-Freisetzung ist das Erkennen virusspezifischer PAMP-Strukturen durch angeborene Immunzellen. Über eine Reihe aktivierter Signalwege regt das System schließlich Typ-1-IFN an und unterdrückt die Virusvermehrung früh. SARS-CoV und MERS-CoV blockieren jedoch die körpereigene Typ-1-IFN-Freisetzung, proportional zur Krankheitsschwere. Eine Methode besteht darin, Moleküle zur Erkennung viraler RNA strukturell zu stören. Auch für das mit SARS-CoV und MERS-CoV genetisch verwandte SARS-CoV-2 wird angenommen, dass es beim Wirt ähnliche Mechanismen zum Entkommen vor der angeborenen Immunantwort nutzt wie vermutet wird.
Bei schweren und tödlichen SARS-CoV- und MERS-CoV-Infektionen wurde ein starker Anstieg von Neutrophilen und Makrophagen beobachtet. Entgegen der Annahme hatten ihre hohe Zahl und eine starke Typ-1-IFN-Freisetzung schädliche Wirkungen und führten einschließlich Pneumonie (Lungenentzündung) oder akutem Atemnotsyndrom zu Lungenschäden . Ein ähnlicher Ablauf könnte für COVID-19 durch SARS-CoV-2 gelten. Bei COVID-19-Patienten verzögert das Virus vermutlich früh die Typ-1-IFN-Antwort, sodass das Immunsystem die Virusvermehrung nicht ausreichend verhindert.
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Immunsystem – Grafische Zusammenfassung
ABBILDUNG 7: Unten sind die beiden Hauptzweige, „angeborene“ und „erworbene“ Immunität, und ihre Funktionsweise dargestellt.
Quellen
Immunobiology, 5th edition
The Immune System in Health and Disease
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