Das Immunsystem: Eine Übersicht

Die Entschlüsselung des Immunsystems

Das Verständnis des Immunsystems und seiner Funktionsweise ist das Ergebnis jahrelanger wissenschaftlicher Forschung.

Abb. 14: Louis Pasteur (1822-1895)

Die vorherrschende Krankheitsvorstellung im 17. und 18. Jahrhundert besagte, dass Menschen und Tiere mit den Samen oder Eiern verschiedener Krankheiten geboren wurden. Jeder dieser Samen konnte befruchtet werden und Krankheiten hervorrufen. Da diese Samen nur einmal eine Krankheit verursachen konnten, erklärte diese Theorie nicht die erworbene Immunität. Erst nach 1870, durch die Arbeit von Louis Pasteur, Robert Koch und anderen prominenten Wissenschaftlern, begann die Identifizierung von Krankheitserregern und die Aufklärung ihrer Wirkmechanismen.

Die neuen Konzepte der Krankheitsentstehung, insbesondere Pasteurs Nachweis, dass erworbene Immunität gegen Cholera-Toxine durch Immunisierung mit abgeschwächten Krankheitserregern induziert werden konnte, gaben der Immunologie starke Impulse. 1880 entdeckte Louis Pasteur in Zusammenarbeit mit Emile Roux Schwankungen in der Pathogenität verschiedener Stämme eines Organismus. Einige dieser Stämme verursachten weniger schwere Krankheiten als andere. Die Forscher entwickelten Techniken zur Abschwächung virulenter Bakterienkulturen, die Cholera bei Vögeln verursachten, und stellten fest, dass Hühner, die sich von einer durch einen abgeschwächten Stamm induzierten Cholera-Infektion erholt hatten, vor einer erneuten Infektion mit dem tödlichen Stamm geschützt waren. Diese Arbeit, die auf Edward Jenners Pockenimpfungsforschung aufbaute, eröffnete ein neues Forschungsfeld zur präventiven Impfung. Anschließend untersuchte Pasteur ähnliche Ansätze bei Milzbrand, Tollwut und anderen Infektionskrankheiten.

Im Jahr 1888 zeigten Emile Roux und Alexandre Yersin, dass aus Kulturüberständen des Diphtherie-Erregers ein lösliches Toxin isoliert werden konnte. Sie fanden heraus, dass das Toxin allein bei Versuchstieren die gleichen Symptome wie die Krankheit hervorrief. Das bedeutete, dass in einigen Fällen nicht der Organismus selbst, sondern ein vom Erreger produziertes Exotoxin die Diphtherie verursachte. Zwei Jahre später beobachteten Emil von Behring und Shibasaburo Kitasato, dass Tiere, die mit Tetanus- und Diphtherie-Toxin immunisiert wurden, etwas in ihrem Blut produzierten, das das Gift neutralisieren und zerstören konnte, wodurch Krankheiten verhindert wurden. Die Wissenschaftler verwendeten Serum von immunisierten Tieren bei infizierten Kindern und erzielten eine deutliche Besserung und Heilung, insbesondere wenn das Serum im Frühstadium der Krankheit eingesetzt wurde. Die Substanz, die das Toxin bekämpfte, wurde Antikörper genannt, und das Material, das für die Bildung dieser Antikörper verantwortlich ist, wurde als Antigen bezeichnet. Behrings Ergebnisse eröffneten ein neues Forschungsfeld für die Behandlung neuer Krankheiten, bekannt als Serumtherapie. Behring erhielt dafür 1901 den Nobelpreis für Medizin.

Mit dem Nachweis, dass Immunität passiv durch Serum-Antikörper übertragen werden kann, war klar, dass entsprechende Substanzen im Körper immunisierter Menschen gebildet werden. Eine Theorie besagte, dass das Antigen die notwendigen Informationen enthielt, um gezielt mit einem Antikörpermolekül zu reagieren. Diese Hypothese wurde jedoch schnell durch die Feststellung widerlegt, dass mehr Antikörper gebildet wurden als die Menge des injizierten Antigens. 1897 schlug Paul Ehrlich vor, dass Antikörper Makromoleküle sind, deren Struktur die Antigene in Form und Funktion ergänzt und die als Rezeptoren auf der Zelloberfläche fungieren. Ehrlich postulierte, dass diese Rezeptoren für ein bestimmtes Antigen selektiert würden, dessen Verlust eine kompensatorische Überproduktion von Rezeptoren stimulieren würde, die als zirkulierende Antikörper im Blut erscheinen. Mit dieser Theorie, die die Immunologie jahrzehntelang beeinflusste, und seinen Arbeiten zur chemischen Behandlung von Krankheiten wie Syphilis und Trypanosomiasis erhielt Paul Ehrlich 1908 den Nobelpreis für Medizin.

Eine neue und interessante Beobachtung auf dem Gebiet der Immunologie machte Jules Bordet im Jahr 1899. Bordet stellte fest, dass spezifische Antikörper gegen Erythrozyten in Verbindung mit einem anderen unspezifischen Serumfaktor, dem sogenannten Komplement, die Zerstörung von Erythrozyten (Hämolyse) verursachen können. Er stellte außerdem fest, dass die Komponenten dieser Reaktion präzise quantifiziert werden konnten, was ein neues Konzept für die Diagnose von Krankheiten eröffnete. Fortan konnte das Blut eines Patienten auf das Vorhandensein bestimmter Antikörper untersucht werden, und der Verlauf einer bestimmten Krankheit konnte serologisch verfolgt werden. Bordet erhielt 1919 den Nobelpreis für Medizin. Diese Erkenntnisse wurden von August von Wassermann und seinen Kollegen genutzt, um einen diagnostischen Test für Syphilis zu entwickeln, der auf Antigen-Antikörper-Reaktionen basiert. Die Erkenntnisse über Erythrozyten-Agglutination und Hämolyse führten Karl Landsteiner zu der Annahme, dass Menschen je nach Vorhandensein relativ spezifischer Agglutinine für Erythrozyten anderer Menschen in verschiedene Gruppen eingeteilt werden könnten. Diese Klassifizierung bildete die Grundlage für das heutige ABO-Blutgruppensystem.

Abb. 15: Paul Ehrlich (1854-1915)

Wissenschaftshistoriker erkennen, dass die größten Fortschritte in einem bestimmten Wissensgebiet in Zeiten erzielt wurden, in denen ein Disput zwischen zwei Denkschulen entstand. In den frühen Jahren der Immunologie fand ein solcher Disput zwischen denjenigen statt, die die Theorie der zellulären Immunität vertraten, und denjenigen, die vorschlugen, dass jede Immunität auf der Wirkung humoraler Faktoren (Antikörper) beruht. Der letzte Verteidiger der humoralen Theorie war Paul Ehrlich, während die Zelltheorie vom russischen Wissenschaftler Ilja Metschnikow vorgeschlagen wurde. Metschnikow war der erste, der postulierte, dass Leukozyten aufgrund ihrer phagozytischen Aktivität eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Infektionskrankheiten spielen könnten. Metschnikow, ein Biologe, der 1865 seinen Abschluss machte, entdeckte die intrazelluläre Verdauung bei wirbellosen Tieren, was später erhebliche Auswirkungen auf die Immunologie hatte. Während seiner Arbeit in der vergleichenden Embryologie bemerkte Metschnikow, dass Seesternlarven bewegliche Zellen enthielten, von denen er annahm, dass sie an der Körperabwehr beteiligt sind. Um seine Idee zu testen, führte Metschnikow einen Dorn einer Tannenbaumlarve in die Seesternlarve ein. Am nächsten Tag stellte er fest, dass der Dorn von beweglichen Zellen umgeben war. Da bekannt war, dass bei Tieren mit Kreislaufsystem im Falle einer Entzündung eine Mobilisierung von Leukozyten in den Blutgefäßen stattfindet, postulierte Metschnikow, dass Leukozyten infektiöse Bakterien aufnehmen und verdauen können, wie er es in seinen ersten Studien zur intrazellulären Verdauung bei Wirbellosen beobachtet hatte. Als zusätzlichen Beweis für seine Theorie beschrieb Metschnikow, wie Pilzsporen, die in kleine Krebstiere injiziert wurden, von Phagozyten des Krebstiers angegriffen wurden. Seine Theorien stießen jedoch auf starken Widerstand bei den Pathologen, die glaubten, dass die mit Entzündungen einhergehenden Makrophagen weiteren Schaden verursachten und keine Schutzwirkung hatten. Tatsächlich wurde damals postuliert, dass Phagozyten zwar Krankheitserreger aufnehmen, diese aber nicht zerstören, sondern im ganzen Körper transportieren und so die Krankheit verbreiten könnten. Trotz dieses Widerspruchs setzte Metschnikow seine Experimente fort und zeigte, dass Peritonealexsudat, das reich an aktivierten Makrophagen ist, Schutz vor einer tödlichen Dosis verschiedener pathogener Bakterien bieten kann, die peritoneal injiziert werden. Dieses Experiment entspricht der ersten Anwendung dessen, was heute als unspezifische Immuntherapie bekannt ist. Im Jahr 1908 erhielten Paul Ehrlich und Elie Metschnikow den Nobelpreis für Medizin, um die Positionen der zellulären und humoralen Immunität in Einklang zu bringen. In der Folge wurde deutlich, dass diese beiden Theorien grundlegende Komponenten der Immunantwort sind.

Die Immunantwort: Ein internes Abwehrsystem

Tiere verfügen über interne Abwehrmechanismen zum Schutz vor Krankheiten, deren Erreger über Luft, Nahrung, Wasser und Hautverletzungen in den Körper gelangen. Zu den Mikroorganismen, die Krankheiten verursachen (sogenannte Krankheitserreger), gehören Viren, Bakterien, Pilze und Protozoen. Die interne Abwehr hängt von der Fähigkeit des Organismus ab, zwischen sich selbst und anderen zu unterscheiden. Diese Unterscheidung ist möglich, weil Organismen biochemisch einzigartig sind. Zellen besitzen Oberflächenproteine, die sich von denen anderer Arten oder sogar anderer Mitglieder derselben Art unterscheiden. Ein Tier erkennt seine eigenen Zellen und identifiziert fremde Zellen.

Krankheitserreger produzieren Makromoleküle, die der Körper als fremd erkennt. Ein einzelnes Bakterium kann 10 bis über 1000 verschiedene Makromoleküle auf seiner Oberfläche aufweisen. Krankheitserreger können auch Makromoleküle absondern, von denen einige für die meisten Organismen giftig sind. Wenn ein Krankheitserreger in ein Tier eindringt, stimulieren seine charakteristischen Makromoleküle die Abwehrmechanismen des Tieres.

Der Begriff Immunsystem stammt aus dem Lateinischen und bedeutet "sicher" oder "geschützt". Die Immunologie, die Lehre von den internen Abwehrmechanismen, ist heute eines der sich am schnellsten entwickelnden und spannendsten Gebiete der biomedizinischen Forschung. Eine Immunreaktion beinhaltet die Erkennung fremder Makromoleküle und eine Reaktion, die darauf abzielt, diese zu eliminieren. Die Immunantwort ist abhängig von der Kommunikation zwischen Zellen, der sogenannten Zellsignalisierung. Ein wichtiger Aspekt der Zellsignalisierung ist die Signaltransduktion, d. h. die Umwandlung eines extrazellulären Signals in eine Reihe von intrazellulären Prozessen.

Die zwei wichtigsten Arten der Immunantwort sind die unspezifische und die spezifische. Unspezifische Abwehrmechanismen, auch als angeborene Immunantwort bezeichnet, bieten einen allgemeinen Schutz vor Krankheitserregern. Diese Mechanismen verhindern das Eindringen der meisten Krankheitserreger in den Körper und zerstören diejenigen, die die äußeren Abwehrmechanismen überwinden, schnell. So bildet beispielsweise die Haut eine Barriere gegen Krankheitserreger, die mit dem Körper des Tieres in Kontakt kommen. Die Phagozytose eingedrungener Bakterien ist ein weiteres Beispiel für einen unspezifischen Abwehrmechanismus. Die angeborene Immunantwort wird in der Regel durch die chemischen Eigenschaften des fremden Erregers aktiviert.

Spezifische Abwehrmechanismen werden ausschließlich zur Bekämpfung bestimmter Makromoleküle einzelner Krankheitserreger eingesetzt. Die spezifische Immunantwort wird auch als erworbene oder adaptive Immunantwort bezeichnet. Die Immunreaktionen richten sich gegen die spezifische Art von Fremdkörper oder Krankheitserreger, mit der der Körper des Tieres in Kontakt gekommen ist. Jedes Molekül, das vom Immunsystem als fremd erkannt werden kann, wird als Antigen bezeichnet. Viele Makromoleküle wie Proteine, RNA, DNA und einige Kohlenhydrate sind Antigene. Ein wichtiger spezifischer Abwehrmechanismus ist die Produktion von Antikörpern, hochspezifischen Proteinen, die bestimmte Antigene erkennen und an sie binden. Bei komplexen Tieren ist die spezifische Immunantwort mit dem immunologischen Gedächtnis verbunden, d. h. der Fähigkeit, bei einem zweiten Eindringen fremder Moleküle in den Körper besser zu reagieren.

Manchmal kommt es zu Störungen des Immunsystems, und es greift körpereigene Gewebe an, als wären sie Krankheitserreger. Manchmal wird der Körper von Krankheitserregern überwältigt. Das Humane Immundefizienz-Virus (HIV), das AIDS verursacht, infiziert T-Lymphozyten, wichtige Bestandteile des Immunsystems.

Interne Abwehrmechanismen bei Wirbellosen und Wirbeltieren

Alle untersuchten Wirbellosen sind in der Lage, zwischen sich selbst und anderen zu unterscheiden. Wirbellose verfügen über unspezifische Abwehrreaktionen wie Phagozytose und Entzündungsreaktionen. Die meisten von ihnen sind auch in der Lage, einige spezifische Immunreaktionen zu zeigen.

Die Zellen von Schwämmen besitzen spezifische Glykoproteine auf ihrer Oberfläche, die es ihnen ermöglichen, zwischen eigen und fremd zu unterscheiden. Wenn Zellen zweier verschiedener Schwammarten gemischt werden, gruppieren sie sich nach Arten. Wenn diese beiden Arten gezwungen werden, in engem Kontakt zu leben, zerstören sie das Gewebe im Kontaktbereich. Auch Nesseltiere stoßen Transplantate ab und zerstören fremdes Gewebe.

Wirbellose mit einem Zölom besitzen amöboide Phagozyten, die Bakterien und andere Fremdkörper verschlingen und zerstören. Viele wirbellose Tiere mit Zölom besitzen auch Substanzen in ihrer Hämolymphe, die Bakterien abtöten, bestimmte Krankheitserreger inaktivieren und die Agglutination einiger fremder Zellen verursachen. Bei Weichtieren fördern diese Substanzen in der Hämolymphe die Phagozytose durch Phagozyten.

Einige Nesseltiere (z. B. Korallen) und Arthropoden (z. B. Insekten) verfügen über spezifische Immunmechanismen und ein immunologisches Gedächtnis. Bei ihnen und einigen Stachelhäutern und einfachen Chordaten scheint sich der Körper kurzzeitig an Antigene zu erinnern und bei einer zweiten Begegnung mit demselben Krankheitserreger effektiver reagieren zu können. Stachelhäuter und Manteltiere sind die einfachsten bekannten Tiere mit verschiedenen Leukozyten, die begrenzte Immunfunktionen ausüben können.

Wie Wirbellose werden auch Wirbeltiere durch unspezifische und spezifische Abwehrmechanismen vor Krankheitserregern geschützt. Bei Wirbeltieren sind die potenziellen spezifischen Immunreaktionen noch komplexer, da sie über ein spezialisiertes Lymphsystem verfügen. Nur Wirbeltiere besitzen Lymphozyten, spezialisierte weiße Blutkörperchen, die Immunreaktionen durchführen.

Aktion 6: Erstellen Sie eine Tabelle mit den Variablen: Wirbellose/Wirbeltiere und spezifische/unspezifische Antwort.

Das Immunsystem ist also ein bemerkenswerter Abwehrmechanismus, der bei höheren Wirbeltieren am weitesten entwickelt ist. Es stattet den Körper mit hochspezifischen Krisenreaktions- und Schutzsystemen gegen Tausende potenziell pathogener Mikroben aus, die in der Umwelt reichlich vorhanden sind. Seine Bedeutung wird in den tragischen Fällen von genetischer und erworbener Immunschwäche deutlich, wie z. B. bei einer HIV-Infektion. Die physiologische Funktion des Immunsystems ist die Abwehr von Mikroben. Aber auch fremde Substanzen, die nicht infektiös sind, können eine Immunantwort auslösen. Daher wird Immunität als Reaktion auf fremde Substanzen im Körper definiert, einschließlich Mikroben und Makromolekülen wie Proteinen und Polysacchariden.

Das Konzept der Immunität könnte aus sehr alten Zeiten stammen, wie der chinesische Brauch nahelegt, Jugendliche gegen Pocken zu immunisieren, indem sie Pulver aus den Hautläsionen von Patienten während der Heilungsphase einatmen.

Die Funktion des Immunsystems kann unter kontrollierten Bedingungen manipuliert werden, wie z. B. bei der Impfung. Wie bereits erwähnt, war das erste Beispiel für eine solche erfolgreiche Manipulation die Pockenimpfung durch den englischen Arzt Edward Jenner. Jenner hatte beobachtet, dass Kinder, die sich von Kuhpocken erholt hatten, nie wieder an der Krankheit erkrankten. Auf dieser Grundlage injizierte er einem 8-jährigen Kind Material aus einer Pustel am Arm. Als dieses Kind anschließend absichtlich mit Pockenerregern infiziert wurde, entwickelte es die Krankheit nicht. Diese 1798 eingeführte Methode ist bis heute der wirksamste Weg, um Infektionen zu verhindern.

Um das Ausmaß der Auswirkungen zu veranschaulichen, die das Verständnis des Immunsystems und seine Manipulation durch Massenimpfungen hatten, kann die folgende Tabelle herangezogen werden, die die Wirksamkeit von Impfungen gegen die häufigsten Infektionskrankheiten zeigt.

Abbildung 16: Jährliche Statistiken für einige der häufigsten Infektionskrankheiten in Chile. In allen Fällen umfasst die Spalte mit den Zahlen von 1992 die Entwicklung und Anwendung spezifischer Impfstoffe gegen die jeweilige Krankheit.

Komponenten der angeborenen und unspezifischen Immunität

Die angeborene oder unspezifische Immunität umfasst die Mechanismen, die der Körper zur Bekämpfung von Krankheitserregern vor einer Infektion einsetzt. Sie stellt die erste Verteidigungslinie gegen Krankheitserreger dar. Die Hauptbestandteile sind physikalische und chemische Barrieren, Phagozyten und Plasmaproteine.

Die dicke Haut ist eine physikalische Barriere, die das Eindringen von Krankheitserregern verhindert oder erschwert. Darüber hinaus ermöglicht die ständige Erneuerung der Haut die Entfernung von Mikroorganismen, die sich auf ihrer Oberfläche befinden. Es ist höchst unwahrscheinlich, dass Bakterien in die Haut eindringen, solange sie intakt ist. Wird sie jedoch durch einen Schnitt oder eine Verbrennung verletzt, dient sie als Eintrittspforte für Infektionen. Neben der physikalischen Barriere, die hauptsächlich durch Keratin gebildet wird, gibt es chemische Abwehrmechanismen der Haut: Schweiß und Talg. Schweiß enthält Lysozym, ein Enzym, das die Zellwände von Bakterien angreift, während Talg die Hautoberfläche ansäuert, was ebenfalls das Bakterienwachstum hemmt. Lysozym ist auch in Tränen und Speichel enthalten.