Immunsystem

Aufgabe und Grundprinzip

Das Immunsystem umfasst alle Moleküle und Zellen, die an der Immunreaktion beteiligt sind, also an der Abwehr potenziell schädlicher Moleküle und Zellen. Bei höher entwickelten Lebewesen arbeiten dabei Organe, Zelltypen und Moleküle zusammen. Es schützt Tiere und Pflanzen vor Gewebeschäden durch Pathogene wie Bakterien, Viren, Pilze, Protozoen und Parasiten, entfernt körperfremde Stoffe und kann krankhafte oder entartete Zellen, zum Beispiel Krebszellen, zerstören.

Neben Eindringlingen bedrohen auch abgestorbene Zellen den Körper: Bei Nekrose sterben Zellen ab, bei Apoptose bauen sie sich selbst ab. Selten entarten Zellen und können Krebs bilden. Resistenzfaktoren und die angeborene Immunabwehr sind evolutionär alte Abwehrmechanismen. Wirbeltiere besitzen zusätzlich die anpassungsfähige adaptive Immunabwehr. Pflanzen haben keine spezialisierten Immunzellen und keine antikörpervermittelte adaptive Abwehr; sie nutzen unter anderem schon vor einer Infektion gebildete Saponine und antimikrobielle Peptide. Saponine können die Plasmamembran von Pilzen zerstören. Auch Prokaryoten besitzen Abwehrsysteme, etwa CRISPR und SPARTA bei Bakterien und Archaeen sowie MIMIVIRE bei Mimiviridae.

Physikochemische Barrieren erschweren das Eindringen. DAMPs und PAMPs, also Muster geschädigter Zellen beziehungsweise von Pathogenen, werden von Bestandteilen der angeborenen Abwehr erkannt und können die adaptive Immunantwort aktivieren.

Barrieren und Abwehrformen

Die erste Verteidigungslinie bilden mechanische und biochemische Barrieren. Sie gehören laut Artikel nicht zum Immunsystem, weil sie keine Immunantwort auslösen können. Dazu zählen Haut mit Talg, Schweiß und Normalflora, Schleimhäute mit Schleim, Tränen und Speichel mit Lysozym, Flimmerhärchen der Atemwege, Magensäure und eiweißabbauende Enzyme, Darmflora und GALT, Harnausspülung sowie die Blut-Hirn-Schranke. Sie hindern Erreger am Eindringen oder befördern sie wieder aus dem Körper.

Die angeborene oder unspezifische Immunabwehr ist erblich festgelegt und reagiert innerhalb von Minuten. Zu ihr zählen Epithelien, Phagozytose, Entzündungsreaktionen und das Komplementsystem. Die adaptive oder spezifische Immunabwehr entstand später bei Wirbeltieren. Sie kann neue oder veränderte Erreger gezielt erkennen, braucht bei der ersten Reaktion aber bis zu 14 Tage. Antigenpräsentierende Zellen, T-Lymphozyten und B-Lymphozyten sind ihre wesentlichen Bestandteile. Nach einer Infektion bleiben spezifische Antikörper und Gedächtniszellen erhalten; bei erneutem Kontakt ermöglichen sie eine schnellere Reaktion. Angeborene und adaptive Abwehr ersetzen einander nicht, sondern wirken koordiniert zusammen. Das 2005–2007 entdeckte CRISPR-Cas-System ist bei vielen Bakterien und Archaeen ein adaptives System gegen Viren und mobile DNA.

Zellen der Immunabwehr

Immunzellen befinden sich in Blutgefäßen, Lymphbahnen und Geweben. Granulozyten, Monozyten/Makrophagen und dendritische Zellen können Erreger phagozytieren, also aufnehmen und verdauen, oder durch Zytokine und andere Immunmodulatoren die Abwehr steuern.

Granulozyten sind der größte Anteil der Leukozyten und können aus dem Blut ins Gewebe wandern. Ihre Granula enthalten aggressive Stoffe. Neutrophile machen 40 bis 50 Prozent der zirkulierenden Leukozyten aus; sie werden durch Zytokine angelockt und vernichten besonders Bakterien. Eosinophile machen etwa 3–5 Prozent der Zellen im Differentialblutbild aus. Sie setzen nach IgE-Stimulation basische Proteine frei, sind wichtig bei der Parasitenabwehr und vermehrt bei Allergien. Basophile machen weniger als 2 Prozent aus und enthalten unter anderem Histamin und Heparin; nach Stimulation durch IgE-gebundene Allergene setzen sie unter anderem Histamin und PAF frei.

Makrophagen entstehen aus Monozyten, bleiben im Gewebe und phagozytieren Erreger sowie schädliche Stoffe und Abfallprodukte. Sie zerlegen aufgenommene Erreger in Epitope und präsentieren diese über MHC-II; dadurch können T-Helferzellen die adaptive Abwehr starten. Dendritische Zellen nehmen Erreger auf, wandern in Lymphknoten und präsentieren deren Antigene T-Zellen. Eine dendritische Zelle kann 100 bis 3.000 antigenspezifische T-Zellen aktivieren. Sie fördern außerdem die Toleranz gegenüber Selbstantigenen.

Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) gehören zur angeborenen Abwehr und töten infizierte oder Tumorzellen ohne vorherigen Erregerkontakt. Sie reagieren auf das „fehlende Selbst“: Verliert eine virusinfizierte oder entartete Zelle ihren normalerweise vorhandenen MHC-I-Komplex, überwiegen aktivierende Signale für die NK-Zelle.

T-Zellen reifen im Thymus und erkennen mit ihrem T-Zell-Rezeptor nur Antigene, die körpereigene Zellen mit MHC-Molekülen präsentieren. T-Helferzellen mit CD4 erkennen Antigene auf MHC-II und koordinieren die Reaktion: T_H1-Lymphokine verstärken eher die zelluläre, T_H2-Zellen eher die Antikörperantwort. Regulatorische T-Zellen mit CD4, CD25 und FoxP3 begrenzen überschießende Reaktionen und fördern Selbsttoleranz. Zytotoxische T-Zellen mit CD8 erkennen MHC-I-präsentierte Antigene auf befallenen Zellen und lösen nach zusätzlicher Aktivierung deren Apoptose aus. B-Zellen erkennen im Unterschied zu T-Zellen auch freie Antigene. Durch Lymphokine aktivierte B-Zellen werden zu antikörperbildenden Plasmazellen oder Gedächtniszellen.

Antikörper, Botenstoffe und Immunreaktion

Humorale Bestandteile sind Plasmaproteine, die passiv in Blut sowie Lymph- und Gewebsflüssigkeit zirkulieren. Antikörper werden von B-Lymphozyten und Plasmazellen gegen Antigene von Bakterien, Toxinen, Viren oder anderen Fremdstoffen gebildet. Sie opsonieren Antigene, machen sie also über ihren Fc-Teil für Phagozyten besser sichtbar; sie aktivieren das Komplementsystem; und sie können Eindringlinge durch Verkleben und große Komplexe direkt inaktivieren. Ein IgG-Antikörper besteht aus zwei identischen schweren und zwei identischen leichten Ketten. Somatische Rekombination, somatische Hypermutation und die Kombination leichter und schwerer Ketten ermöglichen mehr als 100 Millionen verschiedene Fab-Fragmente.

Das Komplementsystem gehört zur angeborenen Immunantwort und umfasst über 30 Plasmaproteine. Proteasen können an Mikroorganismen binden und deren Zellwände schädigen. Anaphylatoxine erweitern Gefäße und fördern Entzündung; weitere Faktoren locken und aktivieren Fresszellen. Interleukine sind von Immunzellen gebildete Zytokine. IL-1 bis IL-35 waren Stand November 2009 bekannt; sie beeinflussen beispielsweise Wachstum, Reifung, Teilung und Aktivierung von Leukozyten.

Bei einer Erstinfektion erkennen Makrophagen oder dendritische Zellen typische Erregermerkmale, phagozytieren Erreger und präsentieren Bruchstücke B- und T-Lymphozyten. Aktivierte Abwehrzellen töten Erreger direkt oder bilden Antikörper, die sie binden, unschädlich machen und markieren. Gedächtniszellen und Antikörper bleiben erhalten. Ob aus einer Infektion eine Krankheit entsteht, hängt unter anderem von Erregerdosis, Virulenzfaktoren, vorhandener Immunität und dem Zustand des Immunsystems ab. Entkommt ein Erreger oder eine Tumorzelle der Immunantwort, heißt dies Immunescape.

Reifung, Erkrankungen und Beeinflussung

Neugeborene erhalten über die Plazenta mütterliche IgG-Antikörper; bei vielen Säugetieren erfolgt die Aufnahme über Kolostrum. Dieser Nestschutz hilft in den ersten Monaten. sIgAs aus der Muttermilch schützen Schleimhäute länger. Da mütterliches IgG mit einer Halbwertszeit von ungefähr 3 Wochen abgebaut wird, besteht 3 bis 12 Monate nach der Geburt ein IgG-Mangel im Serum. IgG und IgA des Kindes sind etwa ab Monat 6 deutlich nachweisbar. Negative Selektion entfernt T-Zellen, die körpereigene Strukturen angreifen würden; sie erzeugt Selbsttoleranz. Im Alter nimmt die Bildung von B- und T-Lymphozyten ab. Die Immunoseneszenz erhöht ab etwa 60 Jahren Infekt- und Krebsrisiko und das basale Inflammationsniveau.

Immundefekte können angeboren oder erworben sein. SCID beeinträchtigt zelluläre und humorale Abwehr. AIDS entsteht durch HIV-Befall von T-Helferzellen und führt zunehmend zu Infekten und Tumoren. Neutropenie oder Agranulozytose können etwa durch Zytostatika oder Autoimmunerkrankungen entstehen. Überschießende Reaktionen umfassen Autoimmunerkrankungen wie Diabetes Typ I, rheumatoide Arthritis und Multiple Sklerose, Allergien bis zum anaphylaktischen Schock, Autoinflammation und Zytokinsturm. Immunzellen können selbst bösartig entarten: Leukämien gehen von Vorläuferzellen im Knochenmark aus, maligne Lymphome von Lymphknoten. Krebsimmuntherapie versucht, das Immunsystem gegen Tumorzellen zu aktivieren.

Negative Einflussfaktoren sind unter anderem Schlafmangel, Genussgifte, Mangelernährung, chronischer Stress, Umweltgifte, ionisierende Strahlung, Unterkühlung, erschöpfende Belastung, bestimmte Virusinfektionen, hohes Alter und medikamentöse Immunsuppression. Diese ist beispielsweise nach Transplantationen oder bei Autoimmunerkrankungen nötig, erhöht aber die Anfälligkeit für opportunistische Erreger. Aktive Impfungen bringen abgeschwächte oder tote Erreger beziehungsweise Erregerbestandteile ein und erzeugen Antikörper sowie Gedächtniszellen. Totimpfstoffe gelten auch bei Immundefekt als sicherer; Lebendimpfstoffe sollen dort nur nach ärztlicher Einzelfallentscheidung erfolgen.

Einzelne Lebensmittel und Mittel wie kalt duschen, Hühnersuppe, Echinacea oder Propolis haben keinen wissenschaftlich bestätigten positiven Effekt. Moderater regelmäßiger Sport kann Schwere und Dauer von Atemwegsinfekten möglicherweise mindern. Vitamin D ist an Abwehrvorgängen beteiligt; täglich 400–1000 IU/Tag können bei 1–16-Jährigen schwach vor akuten Atemwegsinfektionen schützen, höhere Dosen und andere Altersgruppen zeigten keinen Vorteil. Übermäßige UVB-Belastung kann die T-Zell-abhängige Immunantwort stören und Hauttumoren fördern.

Geschlecht und Evolution

Frauen und Männer haben grundsätzlich dasselbe Immunsystem, unterscheiden sich aber in Art und Stärke von Immunreaktionen. Frauen produzieren bei HIV-Exposition mehr Alpha-Interferon; Männer sind unter anderem häufiger und schwerer von Tuberkulose sowie bestimmten parasitären Erkrankungen betroffen. Bei fehlender X-Inaktivierung kann unter anderem TLR 7 stärker exprimiert werden, was Autoimmunerkrankungen wie systemischen Lupus erythematodes begünstigen kann. Frauen erkranken auch häufiger an Primär biliärer Cholangitis, Autoimmunhepatitis, Multipler Sklerose, Neuromyelitis-optica-Spektrum-Erkrankungen und Autoimmunenzephalitis. Viele solide Tumoren außerhalb der Geschlechtsorgane sind bei Männern häufiger. Auch das geschlechtsabhängige Darm-Mikrobiom beeinflusst Immunprozesse.

Wirt und Erreger bilden evolutionär ein Angreifer-Verteidiger-System: Das Immunsystem setzt Erreger unter Selektionsdruck, Erreger und Parasiten beeinflussen umgekehrt die Entwicklung der Wirtsabwehr. Daraus kann Koevolution und Symbiose entstehen; Mitochondrien werden als Beispiel genannt. Zur Entwicklung der Virulenz gibt es unterschiedliche Perspektiven: Einerseits sollte sie sinken, weil hochvirulente Erreger ihre Wirte gefährden; andererseits könnte Selektion die Virulenz so begünstigen, dass die Vermehrungsrate maximiert wird. Bei Tieren gibt es Hinweise, dass Geruch über MHC-Peptide Informationen über die genetische Individualität und Verschiedenheit eines möglichen Partners vermittelt.