3.Immunsystem

Blut fließt innerhalb von 20-60 Sekunden durch den Körper

• Erythrozyten:

- extrem hohe Zahlen (5 Mio./µl)

- Gesamtfläche: 3000 m2, Schornsteinhöhe: 60.000 km

- enthalten Hämoglobin (Hb, bindet Sauerstoff), Transport von O 2 und CO2 zwischen Lunge und Gewebe

- Blutsenkungsgeschwindigkeit (BSR/BSG) – diagnostisches Interesse (Entzündungen, Tumore, Lebererkrankungen)

• Thrombozyten:

- primäre Hämostase: Blutgerinnung, Bindung von Fibrinogen, Wundheilung

• Leukozyten/Lymphozyten:

- Abwehrsystem des Körpers

Trennung und Identifizierung einzelner Zellen mit FACS-Analyse möglich aufgrund ihrer spezifischen Zelloberflächenrezeptoren (CD-Marker)

Bei der Serumeiweiß-Elektrophorese handelt es sich um ein medizinisches Laborverfahren zur Auftrennung der Serumeiweißstoffe in einem elektrischen Feld. Die Ergebnisse der Serumeiweiß-Elektrophorese können zum Nachweis von Störungen des Eiweißstoffwechsels hergezogen werden.

Bei der Serumeiweiß-Elektrophorese werden die Eiweißstoffe der Blutflüssigkeit (es muss dazu Serum verwendet werden) entsprechend ihrer physikalischen Eigenschaften (Größe und elektrische Ladung der Proteine) in Fraktionen aufgetrennt.

Bei der klassischen Gelelektrophorese wird das Serum auf eine flüssigkeitsgetränkte, papierähnliche Folie aufgebracht und eine elektrische Spannung angelegt.

Die Eiweißstoffe wandern daraufhin zu einem Pol, wobei die verschiedenen Eiweißstoffe nicht gleich schnell wandern.

Gleiche bzw. ähnliche Moleküle bewegen sich dabei in abgegrenzten Zonen (sogenannten Banden) durch das Trägermaterial.

Problem: Serum enthält mehr als 100 Proteine

Auftrennung mit Serumelektrophorese sehr grob; SDS-PAGE eliminiert Faktoren ‚Proteinform‘ und (grob) Ladungsunterschiede während der Trennung

—> sehr scharfe und kontrastreiche Banden, präzise Trennung nur nach Proteingröße

—> Aber: Denaturierung durch SDS

SDS: Natriumdodecylsulfat (anionisches Detergens) PAGE: Polyacrylamid-Gelelektrophorese

—> Durch Blotting (Übertragung von Gelbanden auf eine PVDF-Membran) ist der Immunnachweis einzelner Proteine möglich

—> Weitere Auflösungssteigerung mit 2D-PAGE, oft gefolgt von massenspektrometrischer Analyse

Immunfixierung

Untersuchung einer Vermehrung von monoklonalen Immunglobulinen

Prinzip:

• Serum/Plasma-Elektrophorese (SPE) auf Agarose-Matrix (mehrere Säulen)

• Säulenweise Inkubation mit Ig-Antiseren

• Immunpräzipitation auf Agarose-Matrix

• Überschüssige Antiseren abwaschen

• Färbung

Nur…

… IgM erhöht

—> Zeichen für primäre Infektion mit einem Erreger Nur (oder hauptsächlich)

…IgG erhöht

—> Zeichen für sekundäre Reaktion des Körpers auf einen bereits bekannten Erreger, d.h. vorher mit dem Erreger erkrankt (oder nach Impfung) Nur (oder hauptsächlich)

…IgA erhöht

—> Lebertoxizität (meist Alkohol)

Leberzirrhose: IgG, IgM und IgA erhöht; alkoholinduziert: IgA massiv erhöht, hepatitisinduziert: IgG massiv erhöht (nur Faustregel)

Definition

Immunglobuline (Antikörper) sind lebenswichtige Eiweiße, die im Blut zirkulieren und vielfältige Aufga­ben erfüllen.

Sie sind ein wichtiger Bestandteil unseres Immun­systems (spezifischen Immunsystem)

Spezifisch bedeutet, dass sie gezielt bestimmte Bestandteile eines Krankheitserregers erkennen, binden und bekämpfen können.

Das ist möglich, weil sie zuvor jeweils auf einen bestimmten Erreger „programmiert“ wurden.

Während manche Antikörper im Blut zirkulieren, sind andere Immunglobuline membrangebunden: Sie sitzen auf der Oberfläche von bestimmten Abwehrzellen (B-Lymphozyten).

Antikörper: Aufbau und Funktion

Immunglobuline sind Glykoproteine (Eiweiß- und Zuckeranteil)

Immunglobuline haben eine y-Form, bestehend aus je zwei sogenannten schweren und leichten Ketten (H- und L-Ketten), von denen es verschiedenen Sorten gibt.

Sie verfügen über zwei Bindungsstellen für Antigene.

Das sind charakteristische Oberflächenstrukturen von Fremdstoffen wie Krankheitserregern.

Durch die Bindung der Antigene nimmt das Immunglobulin den Krankheitserreger gewissermaßen gefangen und neutralisiert ihn so.

Zusätzlich ist die Antikörper-Antigen-Bindung ein Signal für bestimmte weiße Blutkörperchen (Leukozyten), den Eindringling zu „verschlucken“ und so zu beseitigen.

Eine weitere wichtige Antikörperfunktion ist die Aktivierung des Komplementsystems.

Das ist ein System aus kaskadenartig aktivierten Proteinen des Immunsystems, die unspezifisch gegen Fremdstoffe vorgehen und sie beseitigen.

GRUNDPRINZIPIEN DER IMMUNREAKTION

Angeborene Immunität: natives, unspezifisches Immunsystem, dominant in primitiveren Organismen (Wirbellose und niedrigere), aktiviert das adaptive Immunsystem

Adaptive Immunität: erworbenes, spezifisches Immunsystem (von Wirbeltieren), das aus spezialisierten Zellen und Prozessen besteht

Unspezifische Immunität: Entfernung von Fremdkörpermaterial

Elimination über unspezifische Immunität:

1. zellulär: Makrophagen, Fresszellen

2. humoral: Komplementsystem

- Klassischer Weg: über gebundenes IgG, IgM

- alternativer Weg: Membranpolysaccharide, CRP

Komplementsystem:

-Kaskade von Enzymen (>30), die bei der Bekämpfung von Infektionen zusammenarbeiten.

-Inaktive Enzymvorstufen (Zymogene) im Serum und auf Zelloberflächen

Die Hauptaufgabe des Komplementsystems besteht darin, die Oberfläche von Krankheitserregern zu bedecken (Opsonisierung), damit Phagozyten sie zerstören können, auch wenn das Immunsystem sie nicht erkennt.

- Es unterstützt auch entzündliche Prozesse

- Fragmente einiger Komplementproteine wirken als Chemokine, um mehr Fresszellen an den Ort der Infektion zu locken

- Eine weitere Funktion ist die direkte Zerstörung von Bakterien durch Einfügen von Poren in ihre Zellmembranen

Infektion und Krankheit: Spezifische Immunität

Problem: Ein einzelner intrinsischer Antikörper steht vielen, vielen Eindringlingen gegenüber!

—> Erstkontakt führt zur Krankheitsmanifestation

—> Immunsystem muss ‚lernen‘, den richtugrn Antikörper (Ab) zu finden und auszuwählen und klonal zu expandieren, was Zeit braucht (in der du krank bist!)

Lymphozytenprägung und -reifung

Einwanderung in sekundäre lymphatische Organe (wichtigste Kontakt- und Klärstation) —> Kontakt mit Antigen, Proliferation, Differenzierung)

Lymphozyten gehören zu den weißen Blutkörperchen (Leukozyten). Funktionell unterschiedlichen Arten der Lymphozyten nur mittels Antikörpernachweismethoden unterscheiden:

I. T-Lymphozyten sind die

*Träger der zellulären Immunabwehr

*Erlangen im Thymus ihre funktionelle Prägung —> Thymus-T-Lymphozyten

*Funktionell weiter untergliedern in…

-zytotoxischen T-Lymphozyten (wichtig bei Tumorzellvernichtung und Transplantatabstoßung)

-T-Suppressor-Zellen (dämpfen die Immunreaktion ab, bzw. dämmen sie ein)

-T-Helfer-Zellen (unterstützen B-Lymphocyten bei ihrer Immunantwort)

-T-Gedächtnis-Zellen

II. B-Lymphozyten

*Träger der humoralen (auf der Bildung spezifischer Antikörper = Immunglobuline beruhenden) Immunität

*Werden im Knochenmark funktionell geprägt

*Besiedeln als immunkompetente B1-Lymphozyten, die B-ZellAreale in Lymphfollikeln von Lymphknoten, Milz, des Darms und der Tonsillen

*Funktionell weiter untergliedern in…

-Plasmazellen

-B-Gedächtnis-Zellen

Klonale B-Zell-Selektion

Millionen unterschiedlicher Antigene können in unseren Körper eindringen. Dafür hält unser Organismus eine entsprechende Anzahl von Antikörpertypen bereit, wenn auch nur in geringen Mengen. Gelangt ein Antigen in unseren Körper, dann muss der passende Antikörper schnellstmöglich in großen Mengen hergestellt werden. Diese Massenproduktion erfolgt durch speziell ausgewählte B-Lymphozyten, die dann antigenspezifische Antikörper produzieren. Es werden somit nur Antikörpertypen produziert, die auch wirklich benötigt werden.

Allgemein:

• B – Lymphozyten tragen auf ihrer Zellmembran Rezeptoren, die ähnlich aufgebaut sind wie Antikörper.

• Für ein Antigen existiert ein spezifischer B-Lymphozyt mit passenden Rezeptoren.

• Durch diese Wechselwirkung wird auserwählt (selektiert). Er beginnt sich zu teilen, um sich dann in Plasmazellen zu differenzieren, die die passenden Antikörper herstellen.

Vorgehensweise:

1. Aus Vorläuferzellen bilden sich B-Lymphozyten mit unterschiedlicher Spezifität (unterschiedliche Farben). Jeder Lymphozyt kann sich nur an ein spezifisches Antigen anlagern.

2. An den B-Lymphozyt mit einem passenden Rezeptor binden sich die Antigene, dadurch wird er selektiert und aktiviert.

3. Dieser B-Lymphozyt beginnt sich zu teilen, es entstehen identische Zellen: Klone.

4. Proliferation (schnelle Vermehrung von Zellen)

5. Aus den Klonen entwickeln sich Plasma- und Gedächtniszellen.

AB-Bestimmung bereits geprägt ohne vorherigen Antigenkontakt während der Konditionierung von B-Lymphozyten. Mechanismus: genetische Rekombination der V-F ab Region (> 10 11 Determinanten)

Der Epitopkontakt wählt nur DEN passenden Antikörper aus einem bereits bestehenden Pool aus, um ihn für die selektive klonale Produktion als zellulärer Bioreaktor zu zünden

Differenzierung zu T-Effektorzellen

—> Antigen wird von Antigen-präsentierenden Zellen (APC`s) zusammen mit Major Histocompatibility Complex (MHC) von Makrophagen (MHC-I) oder B-Zellen (MHC-II) präsentiert

MHC: alternativer Name: Human Leucocyte Antigen (HLA)

Dies bestimmt die Differenzierung zu T-Effektorzellen:

• CD8+ (T8)-Zelle benötigt MHC-I —> zytotoxische T- (T-Killer)-Zelle

• CD4+ (T4)-Zelle erfordert MHC-II —> T-Helfer (TH)-Zelle

Immunologische Synapse (B-Zell-T-Zell-Interaktion)

Immunologische Synapse (SMAC) ist eine dynamische Kontaktstelle zwischen einer Zielzelle (z.B. einer antigenpräsentierenden Zelle) und einem Lymphozyten oder einer NK-Zelle. Die kurzzeitige Interaktion kommt durch die komplementäre Bindung von Adhäsionsmolekülen und Rezeptoren auf den Zelloberflächen zustande.

TH-Zell-abhängige B-Zell-Aktivierung

*Nach Bindung eines Antigens wird der B-Zellrezeptor internalisiert und das Antigen nach erfolgter lysosomaler Prozessierung durch MHC II-Oberflächenproteine präsentiert.

*Diese interagieren mit dem T-Zellrezeptor antigenspezifischer CD4+-Zelle, die durch die Rezeptorbindung und weitere kostimulatorische Signale (u.a. Interaktion zwischen CD-40-Molekül der B-Zelle und CD-40 Ligand der T-Zelle) die Proliferation und Differenzierung der B-Zelle zur Palsmazelle anregen.

*Diese initiale Aktivierung führt zunächst zu einer Bildung kurzlebiger IgM-sezernierender Plasmazellen und findet in der T-Zell-Zone der lymphatischen Organe statt.

Durch eine spätere Einwanderung von B-Zellen aus dem Primärfokus in die B-Zell-Zonen (Follikel)  kommt es schließlich zur Ausbildung sog. Keimzentren, innerhalb derer durch Komplexe Zell-Zell-Interaktionen die Antigenspezifität der B-Zellen erhöht,  das Antikörpermuster verändert (Isotypenswitch) und immunologische Gedächtniszellen gebildet werden. *Die neu entstandenen Plasmazellen besitzen eine höhere Lebensdauer und ein verändertes Antikörperarsenal (IgG, IgE, IgA).

Spezifische humorale Immunantwort

Passive Immunisierung

• Injektion attenuierter/inaktivierter Pathogene in einen Zwischenwirt (Pferd, Ziege)

• polyklonale Antikörper von diesem Wirt werden verarbeitet und dem Patienten nach einer Infektion injiziert

• schnelle Elimination des Erregers (kurativ)

• keine Entwicklung eines eigenen immunologischen Gedächtnisses (Kurzzeitwirkung)

• Anwendbarkeit: nach Infektion (z. B. Tollwut), teilweise auch zur Reisevorsorge

Aktive Immunisierung

• Injektion von attenuierten/inaktivierten Wanzen/Erregern

• abgeschwächter Krankheitsverlauf

• aktive Immunantwort (kann Wochen dauern, bis sie wirkt —> Inkubationszeit)

• aktive Immunisierung vor Krankheitsausbruch!

• Produktion von Antikörpern (Titer!) und Gedächtniszellen (immunologisches Gedächtnis)

Hepatitis B: Gentechnisch hergestellte Impfstoffe

- ~350 Mio. chronische Infektionen weltweit (unter den häufigsten Infektionskrankheiten)

- endemisch in Afrika und Südostasien.

- 25 % der Patienten sterben an Leberkarzinom und Leberzirrhose

Hepatitis-B-Virus = DNA-Virus

Problem für die Impfstoffproduktion: HBV lässt sich nicht ohne weiteres in Zellkulturen, Bakterien oder tierischen Embryonen (befruchteten Hühnereiern) vermehren

Antikörper gegen das Oberflächenpartikel (HbsAg) neutralisieren die Infektiosität des gesamten Virus!

1982 Hepatitis-Impfstoff der ersten Generation:

• Aus dem Serum chronisch Infizierter isolierter Viruspartikel

• Reinigung mit Detergenzien, mehrere Inaktivierungsschritte

• Adsorption an Al(OH)3 , Thiomersal oder Formaldehyd (Konservierungsfixative)

Nachteile: hohes Infektionspotential und Gefahr für Personal, Chargen mussten an Primaten auf Wirksamkeit getestet werden: teuer, zeitaufwändig (bis 1 Jahr), nicht gut projizierbar

Corona-Virus SARS-CoV2 und COVID-19-Pandemien

SARS-CoV-2 (schweres akutes respiratorisches Syndrom – Coronavirus Typ 2) Familie der Coronaviren.

Taxonomie: ssRNA linear, Envelope Als Ursache für COVID-19 identifiziert, ursprünglich nachgewiesen in Wuhan (China, Ende 2019), weltweite Ausbreitung (Pandemie) Übertragung durch Tröpfchen und Aerosole (infiziert Atemwege und wird dort identifiziert) Gelangt durch ACE2 in Lungenzellen Rezeptoren

Impfstoffe gegen SARS-CoV-2 (bisher keine spezifische Behandlung verfügbar) Impfstoffentwicklung (aktive Immunisierung):

Laut WHO 63 Impfstoffe in klinischer Prüfung, davon 20 in der finalen Phase-III-Studie.

Weitere 172 befinden sich in der präklinischen Entwicklung.

Derzeit werden in einigen Ländern mRNA-basierte Impfstoffe (Tozinameran, Biontech/Pfizer und mRNA1273, Moderna/NIAID) und ein vektorbasierter Impfstoff (AZD1222, AstraZeneca/Universität Oxford) akzeptiert.

Die Dauer des Infektionsschutzes ist bisher unklar, aber die gesammelten klinischen Daten sind vielversprechend.

Sehr schnelle Genehmigungsprozesse durch:

- neue und bessere Technologien

- vorhandenes Vorwissen über SARS-CoV-1

- immense finanzielle Unterstützung u

- beschleunigte Prüfung klinischer Prüfungen durch zuständige Behörden (Rolling Review, ´Notfallzulassung´)

Zugelassene Impfstoffe wurden alle in allen Phasen vollständig getestet !!!

Tozinameran (Biontech/Pfizer), Comirnaty©

- mRNA-Impfstoff

- Enthält mRNA des SARS-CoV-2-Spike-Proteins, eingeschlossen in nanoskaligen Lipidvesikeln

- Vesikel verschmelzen mit der Plasmamembran, mRNA dringt in die Zellen ein, wo das Protein (Antigen) übersetzt und exozytiert wird (‚körpereigener Impfstoff‘)

- Beginn der Immunantwort

mRNA-Strategie

Wirkungsweise von der Endozytose von Lipid-Nanovesikeln bis zur Antigenpräsentation

ELISA-Immunoassay-Verfahren

Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) ist eine biomolekulare Technik, die die Spezifität eines Antikörpers mit der Empfindlichkeit von Enzym-Assays kombiniert. Ähnlich wie bei anderen Immunoassay-Technologien setzen ELISAs auf spezifische Antikörper, um das Zielantigen zu binden.

*Bestimmung des Titers nach Impfung (z. B. mit HBV) oder Nachweis einer Infektion (z. B. HIV)

*Humorale Immunantwort auf Impfung

Primäre Reaktion: langsamer IgM-Anstieg, gefolgt von IgG, dann Steady-State —> Antikörpertiter

Sekundärreaktion: kürzere Latenzzeit, starke IgG-Produktion, lange anhaltend, nur geringe IgM-Produktion

Klassische Antikörperproduktion - Polyklonal

Was sind polyklonale AK:

polyklonale Antikörper, die zwar gegen das gleiche Antigen, jedoch gegen verschiedene Epitope gerichtet sind. Jede natürliche Infektion oder Immunisierung führt zu einer polyklonalen Immunantwort durch mehrere Klone von B-Lymphocyten (Plasmazellen). Experimentell werden polyklonale Antikörper durch die Immunisierung verschiedener Säuger-Spezies gewonnen und als Ergänzung bzw. Alternative zu monoklonalen Antikörpern eingesetzt. Antiserum.

Herstellung:

Polyklonale Antikörper werden i.d.R. aus dem Serum von vorher immunisierten Säugetieren oder Vögeln gewonnen. Das Tier bildet nach Exposition gegenüber einer körperfremden Substanz (z.B. Protein) IgG-Antikörper. Meist werden zusätzlich Adjuvantien injiziert, die eine langsame Freisetzung des Antigens ermöglichen. Das Serum wird anschließend entnommen und gereinigt.

Polyklonale Ab`s (pAb´s) pAb´s stammen von verschiedenen unterschiedlichen B-Zell-Klonen ab.

Alle pAb´s binden an das entsprechende Antigen (z.B. Virus), jedoch ist jeder Klon gegen eine andere Oberflächendomäne des Epitops gerichtet.

Serum enthält immer ausschließlich pAk`s !

Polyklonale Antikörper sind in großen Mengen billig herzustellen, aber es wird IMMER ein Wirt (Tier) benötigt. Problem:

man erhält nur die vom Wirt produzierten Antikörper! Wäre es nicht besser, die entsprechenden Plasmazellen für die kontrollierte In-vitro-Bioreaktorproduktion zu ernten?

Rekombinante ABs – „Designer ABs“, hergestellt außerhalb des Immunsystems

Die Gentechnik ermöglicht die Entwicklung beliebig kleiner Antigen-bindender Einheiten (z. B. nur Fab-Fragmente)

Rekombinante ABs: Produktion ‚in vitro‘ ohne Wirtstiere !

Vorteile:

- billig, kontrollierbar

- monoklonale Ak´s (oder mAb-Fragmente)

- komplette E.coli-Toolbox-Technologien

verfügbar (Sequenzierung, Analyse, Modifikation)

Klonen von Genen in bakterielle Plasmide und Expression

Reinigung von Antikörpern

Problem: Myriaden von Antikörpern und anderen Proteinen im Blutserum… wie finde ich DEN Antikörper von Interesse?

Für die Affinitätsreinigung stehen verschiedene Bioseparationstechniken zur Verfügung, beginnend mit der groben Vorreinigung (Entfernung größerer Verunreinigungen, größerer Plasmaproteine usw.)

Verschiedene Salzkonzentrationen für fraktionierte Fällung (hydrophobe Proteinwechselwirkungen). Verwendung von Ammoniumsulfat zur Ausfällung von Immunglobulinen

Vereinfachtes Schema:

• kovalente Bindung von Antigen an Säulensubstrat (His, Glutathion-Tag auf Agarosegel)

• HPLC-Puffer mit Serum-Analyt (enthält Antikörper)

• HPLC: alle nicht bindenden Proteinfraktionen abwaschen

• Zugabe von Elutionspuffer (sauer, löst nicht-kovalente Antigen-Antikörper-Bindung)

• Sammeln des Eluats und Testen mit SDS-PAGE/Western-Blot zur Identifizierung der Proteinfraktion

Rekombinante Antikörper gegen Krebs

Krebs: unkontrolliertes Wachstum deregulierter Zellen

- DNA-Reparaturmechanismen versagen

- Wachstums- und Zellzykluskontrolle verloren

- Verdrängung und Infiltration des Tumorwachstums

- ausgehend von einer einzelnen Tumorzelle —> klonale Expansion

- Metastasierung beim Anschluss an Blutgefäße

- Tochterläsionen (Metastasen) in vielen Organen möglich

Die Phantastische Reise (1966) [Isaac Asimov]

- es gibt nicht DEN Krebs, sondern eine Vielzahl von Krebsarten!!

Hauptproblem:

Tumorzellen entziehen sich der Immunabwehr, da sie den gleichen MHC-Fingerabdruck haben wie die gesunden Zellen (also keine Erkennung als „fremd“). Aber: Krebszellen tragen aufgrund ihres klonalen Charakters die Eigenschaften und das Rezeptorportfolio ihres Ursprungszelltyps .

Antibiotika-Produktion

Suchen Sie nach Hochleistungssorten

1940: Zur Behandlung eines einzigen Patienten wurden 1.000 Liter Pilz(!!)-Brühe benötigt

Hauptprobleme:

- einen Pilzstamm mit der höchsten Penicillin-Produktionskapazität zu finden

- großindustriell anzubauen

- nachgelagerte Prozesse: Trennung und Reinigung von Penicillin in höchster Reinheit

Hochskalierung der Penicillin-Produktion

Menü der Bioreaktormikroben:

• Glukose, Fettsäuren, Aminosäuren

• Stärke, Zellulose, Pektine müssen generell vorverdaut werden (z. B. Spaltung durch Amylasen)

• Industriell: Melasse (Rückstand aus der Zuckerrübenproduktion) wird gekocht, mit Amylase-produzierenden Mikroben dotiert und den Bioreaktoren zugeführt