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11.4: Erkennung von Krankheitserregern und Phagozytose - Biologie

11.4: Erkennung von Krankheitserregern und Phagozytose - Biologie



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Fähigkeiten zum Entwickeln

  • Erklären Sie, wie Leukozyten aus dem peripheren Blut in infiziertes Gewebe wandern
  • Erklären Sie die Mechanismen, mit denen Leukozyten Krankheitserreger erkennen
  • Erklären Sie den Prozess der Phagozytose und die Mechanismen, durch die Fresszellen Krankheitserreger zerstören und abbauen

Mehrere der im vorherigen Abschnitt besprochenen Zelltypen können als Phagozyten bezeichnet werden – Zellen, deren Hauptfunktion darin besteht, Krankheitserreger zu suchen, aufzunehmen und abzutöten. Dieser Prozess, Phagozytose genannt, wurde erstmals in den 1880er Jahren von dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Zoologen Ilya Metchnikoff (1845-1916) bei Seesternen beobachtet, der die Verbindung zu weißen Blutkörperchen (WBCs) bei Menschen und anderen Tieren herstellte. Zu dieser Zeit glaubten Pasteur und andere Wissenschaftler, dass Leukozyten Krankheitserreger verbreiten, anstatt sie zu töten (was für einige Krankheiten wie Tuberkulose gilt). In den meisten Fällen bieten Fresszellen jedoch eine starke, schnelle und wirksame Abwehr gegen ein breites Spektrum von Mikroben, was sie zu einem kritischen Bestandteil der angeborenen unspezifischen Immunität macht. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die Mechanismen, durch die Phagozyten in der Lage sind, Krankheitserreger zu suchen, zu erkennen und zu zerstören.

Extravasation (Diapedese) von Leukozyten

Einige Fresszellen sind Leukozyten (WBCs), die normalerweise im Blutkreislauf zirkulieren. Um Krankheitserreger in infiziertem Gewebe zu erreichen, müssen Leukozyten die Wände kleiner kapillarer Blutgefäße im Gewebe passieren. Dieser als Extravasation oder Diapedese bezeichnete Prozess wird durch den Komplementfaktor C5a sowie durch Zytokine, die von residenten Makrophagen und Gewebezellen in die unmittelbare Umgebung freigesetzt werden, als Reaktion auf das Vorhandensein des Infektionserregers eingeleitet (Abbildung (PageIndex{1}) ). Ähnlich wie C5a sind viele dieser Zytokine proinflammatorisch und chemotaktisch, und sie binden an Zellen kleiner kapillarer Blutgefäße und lösen eine Reaktion in den Endothelzellen aus, die die Innenseite der Blutgefäßwände auskleiden. Diese Reaktion beinhaltet die Hochregulierung und Expression verschiedener zellulärer Adhäsionsmoleküle und Rezeptoren. Durchlaufende Leukozyten haften leicht an den Adhäsionsmolekülen, verlangsamen sich und rollen entlang der Blutgefäßwände in der Nähe des infizierten Bereichs. Wenn sie eine zelluläre Verbindung erreichen, binden sie an noch mehr dieser Adhäsionsmoleküle, werden abgeflacht und quetschen durch die zelluläre Verbindung in einem Prozess, der als transendotheliale Migration bekannt ist. Dieser Mechanismus der „rollenden Adhäsion“ ermöglicht es Leukozyten, den Blutkreislauf zu verlassen und in die infizierten Bereiche einzudringen, wo sie mit der Phagozytose der eindringenden Krankheitserreger beginnen können.

Beachten Sie, dass keine Extravasation in Arterien oder Venen auftritt. Diese Blutgefäße sind im Gegensatz zu den dünnen einzelligen Kapillarwänden von dickeren, mehrschichtigen Schutzwänden umgeben. Außerdem ist der Blutfluss in den Arterien zu turbulent, um eine Rolladhäsion zu ermöglichen. Außerdem neigen einige Leukozyten dazu, schneller auf eine Infektion zu reagieren als andere. Die ersten, die normalerweise eintreffen, sind Neutrophile, oft innerhalb von Stunden nach einer bakteriellen Infektion. Laut Vertrag kann es mehrere Tage dauern, bis Monozyten den Blutkreislauf verlassen und sich in Makrophagen differenzieren.

Abbildung (PageIndex{1}): Geschädigte Zellen und Makrophagen, die Krankheitserreger aufgenommen haben, setzen Zytokine frei, die für Leukozyten proinflammatorisch und chemotaktisch sind. Darüber hinaus führt die Aktivierung des Komplements an der Infektionsstelle zur Produktion des chemotaktischen und proinflammatorischen C5a. Leukozyten verlassen das Blutgefäß und folgen dem chemoattraktiven Signal von Zytokinen und C5a zur Infektionsstelle. Granulozyten wie Neutrophile setzen Chemikalien frei, die Krankheitserreger zerstören. Sie sind auch in der Lage, bakterielle Krankheitserreger zu phagozytieren und intrazellulär abzutöten.

Sehen Sie sich die folgenden Videos zu Leukozyten-Extravasation und Leukozyten-Rollen an, um mehr zu erfahren.

Übung (PageIndex{1})

Erklären Sie die Rolle von Adhäsionsmolekülen bei der Paravasation.

Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, Opsonisierung von Krankheitserregern durch Antikörper; Komplementfaktoren C1q, C3b und C4b; und Lektine können Phagozytosezellen bei der Erkennung von Pathogenen und der Anheftung unterstützen, um die Phagozytose einzuleiten. Allerdings ist nicht jede Pathogenerkennung opsoninabhängig. Phagozyten können auch molekulare Strukturen erkennen, die vielen Gruppen pathogener Mikroben gemeinsam sind. Solche Strukturen werden Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) genannt. Gängige PAMPs umfassen Folgendes:

  • Peptidoglycan, gefunden in bakteriellen Zellwänden;
  • Flagellin, ein Protein, das in bakteriellen Flagellen vorkommt;
  • Lipopolysaccharid (LPS) aus der äußeren Membran gramnegativer Bakterien;
  • Lipopeptide, Moleküle, die von den meisten Bakterien exprimiert werden; und
  • Nukleinsäuren wie virale DNA oder RNA.

Wie zahlreiche andere PAMPs sind diese Substanzen integraler Bestandteil der Struktur breiter Klassen von Mikroben.

Die Strukturen, die es phagozytischen Zellen ermöglichen, PAMPs zu erkennen, werden als Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) bezeichnet. Eine Gruppe von PRRs sind die Toll-like-Rezeptoren (TLRs), die an verschiedene PAMPs binden und mit dem Kern der Fresszelle kommunizieren, um eine Reaktion hervorzurufen. Viele TLRs (und andere PRRs) befinden sich auf der Oberfläche von Fresszellen, aber einige können auch eingebettet in die Membranen von inneren Kompartimenten und Organellen gefunden werden (Abbildung (PageIndex{2})). Diese inneren PRRs können für die Bindung und Erkennung von intrazellulären Pathogenen nützlich sein, die möglicherweise Zugang zum Inneren der Zelle erlangt haben, bevor die Phagozytose stattfinden könnte. Virale Nukleinsäuren könnten zum Beispiel auf eine innere PRR treffen, was die Produktion des antiviralen Zytokins Interferon auslöst.

Die Interaktion zwischen PAMPs und PRRs auf Makrophagen stellt nicht nur den ersten Schritt der Pathogenerkennung bereit, sondern liefert ein intrazelluläres Signal, das den Fresser aktiviert, wodurch er von einem Ruhezustand der Bereitschaft und langsamen Proliferation in einen Zustand der Hyperaktivität, Proliferation, Produktion übergeht /Sekretion von Zytokinen und verstärkte intrazelluläre Abtötung. PRRs auf Makrophagen reagieren auch auf chemische Notsignale von beschädigten oder gestressten Zellen. Dies ermöglicht Makrophagen, ihre Reaktionen über den Schutz vor Infektionskrankheiten hinaus auf eine breitere Rolle bei der Entzündungsreaktion auszudehnen, die durch Verletzungen oder andere Krankheiten ausgelöst wird.

Abbildung (PageIndex{2}): Phagozytäre Zellen enthalten Mustererkennungsrezeptoren (PRRs), die in der Lage sind, verschiedene Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) zu erkennen. Diese PRRs können auf der Plasmamembran oder in inneren Phagosomen gefunden werden. Wenn ein PRR ein PAMP erkennt, sendet es ein Signal an den Zellkern, das Gene aktiviert, die an der Phagozytose, Zellproliferation, Produktion und Sekretion von antiviralen Interferonen und proinflammatorischen Zytokinen beteiligt sind, und verstärkt die intrazelluläre Abtötung.

Übung (PageIndex{2})

  1. Nennen Sie vier Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs).
  2. Beschreiben Sie den Prozess der Phagozytenaktivierung.

Nach der Erkennung und Anheftung des Erregers wird der Erreger in einem Vesikel eingeschlossen und in einem als Phagozytose bezeichneten Prozess in das innere Kompartiment der Fresszelle gebracht (Abbildung (PageIndex{3})). PRRs können bei der Phagozytose helfen, indem sie zuerst an die Oberfläche des Krankheitserregers binden, aber Fresszellen sind auch in der Lage, Gegenstände in der Nähe zu verschlingen, selbst wenn sie nicht an spezifische Rezeptoren gebunden sind. Um den Krankheitserreger zu verschlingen, bildet der Fresser eine Pseudopode, die sich um den Krankheitserreger wickelt und ihn dann in ein Membranvesikel, das Phagosom genannt wird, abschnürt. Die Ansäuerung des Phagosoms (pH sinkt auf den Bereich von 4–5) bietet einen wichtigen frühen antibakteriellen Mechanismus. Das Phagosom, das den Erreger enthält, verschmilzt mit einem oder mehreren Lysosomen und bildet ein Phagolysosom. Die Bildung des Phagolysosoms verstärkt die Ansäuerung, die für die Aktivierung der pH-abhängigen lysosomalen Verdauungsenzyme und die Produktion von Wasserstoffperoxid und toxischen reaktiven Sauerstoffspezies wesentlich ist. Lysosomale Enzyme wie Lysozym, Phospholipase und Proteasen verdauen den Erreger. Andere Enzyme sind an einem respiratorischen Burst beteiligt. Während des Atemstoßes erhöhen Fresszellen ihre Aufnahme und ihren Verbrauch von Sauerstoff, jedoch nicht für die Energieproduktion. Der erhöhte Sauerstoffverbrauch konzentriert sich auf die Produktion von Superoxidanionen, Wasserstoffperoxid, Hydroxylradikalen und anderen reaktiven Sauerstoffspezies, die antibakteriell sind.

Neben den reaktiven Sauerstoffspezies, die durch den respiratorischen Burst produziert werden, können sich auch reaktive Stickstoffverbindungen mit zytotoxischem (zelltötenden) Potenzial bilden. Stickoxid kann beispielsweise mit Superoxid reagieren, um Peroxynitrit zu bilden, eine hochreaktive Stickstoffverbindung mit Abbaufähigkeiten, die denen der reaktiven Sauerstoffspezies ähnlich sind. Einige Fresszellen enthalten sogar ein internes Lagerhaus für mikrobizide Defensinproteine ​​(z. B. neutrophile Granula). Diese zerstörerischen Kräfte können in den Bereich um die Zelle freigesetzt werden, um Mikroben von außen abzubauen. Insbesondere Neutrophile können bei diesem sekundären antimikrobiellen Mechanismus sehr effizient sein.

Sobald der Abbau abgeschlossen ist, werden übrig gebliebene Abfallprodukte aus der Zelle in einem exozytären Vesikel ausgeschieden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass nicht alle Überreste des Erregers als Abfall ausgeschieden werden. Makrophagen und dendritische Zellen sind auch antigenpräsentierende Zellen, die an der spezifischen adaptiven Immunantwort beteiligt sind. Diese Zellen verarbeiten die Reste des abgebauten Erregers weiter und präsentieren auf ihrer Zelloberfläche Schlüsselantigene (spezifische Erregerproteine). Dies ist ein wichtiger Schritt zur Stimulierung einiger adaptiver Immunantworten, wie im nächsten Kapitel ausführlicher diskutiert wird.

Abbildung (PageIndex{3}): Die Phasen der Phagozytose umfassen die Aufnahme eines Pathogens, die Bildung eines Phagosoms, die Verdauung des pathogenen Partikels im Phagolysosom und das Ausstoßen von unverdautem Material aus der Zelle.

Besuchen Sie diesen Link, um zu sehen, wie ein Phagozyten einen Krankheitserreger jagt und verschlingt.

Übung (PageIndex{3})

Was ist der Unterschied zwischen einem Phagosom und einem Lysosom?

WENN DIE PHAGOZYTOSE FEHLGESCHLAGEN

Obwohl die Phagozytose viele Krankheitserreger erfolgreich zerstört, sind einige in der Lage, diesen Abwehrmechanismus zu überleben und sogar auszunutzen, um sich im Körper zu vermehren und weit verbreitete Infektionen zu verursachen. Protozoen der Gattung Leishmanien sind ein Beispiel. Diese obligaten intrazellulären Parasiten sind Flagellaten, die durch den Stich einer Sandfliege auf den Menschen übertragen werden. Infektionen verursachen schwere und manchmal entstellende Wunden und Geschwüre in der Haut und anderen Geweben (Abbildung (PageIndex{4})). Weltweit infizieren sich jährlich schätzungsweise 1,3 Millionen Menschen neu mit Leishmaniose.1

Speichelpeptide der Sandfliege aktivieren Wirtsmakrophagen an der Bissstelle. Der klassische oder alternative Weg zur Komplementaktivierung erfolgt über die C3b-Opsonisierung des Parasiten. Leishmanien Zellen werden phagozytiert, verlieren ihre Flagellen und vermehren sich innerhalb des Phagolysosoms in einer Form, die als Amastigot (Leishman-Donovan-Körper) bekannt ist. Obwohl viele andere Krankheitserreger im Phagolysosom zerstört werden, ist das Überleben der Leishmanien Amastigotes wird durch die Anwesenheit von Oberflächenlipophosphoglycan und saurer Phosphatase aufrechterhalten. Diese Substanzen hemmen den respiratorischen Burst der Makrophagen und die lysosomalen Enzyme. Der Parasit vermehrt sich dann innerhalb der Zelle und lysiert die infizierten Makrophagen, wodurch die Amastigoten freigesetzt werden, um andere Makrophagen innerhalb desselben Wirts zu infizieren. Sollte eine andere Sandfliege eine infizierte Person stechen, kann sie Amastigoten aufnehmen und sie dann durch einen weiteren Biss auf eine andere Person übertragen.

Es gibt verschiedene Formen der Leishmaniose. Am häufigsten tritt eine lokalisierte kutane Form der Erkrankung auf, die durch L. tropica, die sich im Laufe der Zeit typischerweise spontan auflöst, jedoch mit einer erheblichen Lymphozyteninfiltration und permanenter Narbenbildung. Eine mukokutane Form der Krankheit, verursacht durch L. viannia brasilienfsis, verursacht Läsionen im Nasen- und Mundgewebe und kann lebensbedrohlich sein. Eine viszerale Form der Krankheit kann durch mehrere der verschiedenen verursacht werden Leishmanien Spezies. Es betrifft verschiedene Organsysteme und verursacht eine abnormale Vergrößerung von Leber und Milz. Unregelmäßiges Fieber, Anämie, Leberfunktionsstörungen und Gewichtsverlust sind Anzeichen und Symptome einer viszeralen Leishmaniose. Unbehandelt verläuft sie in der Regel tödlich.

Abbildung (PageIndex{4}): (a) Die kutane Leishmaniose ist eine entstellende Krankheit, die durch den intrazellulären Flagellaten Leishmania tropica verursacht wird und durch den Stich einer Sandfliege übertragen wird. (b) Diese lichtmikroskopische Aufnahme einer aus einer Hautläsion entnommenen Probe zeigt eine große Zelle, bei der es sich um einen mit L. tropica-Amastigoten (Pfeile) infizierten Makrophagen handelt. Die Amastigoten haben ihre Geißeln verloren, aber ihre Kerne sind sichtbar. Bald werden die Amastigoten die Makrophagen lysieren und von anderen Fresszellen verschlungen werden, wodurch die Infektion verbreitet wird. (Kredit a: Änderung der Arbeit von Otis Historical Archives of „National Museum of Health & Medicine“; Kredit b: Änderung der Arbeit von Centers for Disease Control and Prevention)

Schlüsselkonzepte und Zusammenfassung

  • Phagozyten sind Zellen, die Krankheitserreger erkennen und durch Phagozytose zerstören.
  • Die Erkennung erfolgt oft durch die Verwendung von Fresszellen-Rezeptoren, die Moleküle binden, die häufig bei Krankheitserregern vorkommen, bekannt als Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs).
  • Die Rezeptoren, die PAMPs binden, heißen Mustererkennungsrezeptoren, oder PRRs. Toll-like-Rezeptoren (TLRs) sind eine Art von PRR, die auf Phagozyten gefunden wird.
  • Extravasation von weißen Blutkörperchen aus dem Blutkreislauf in infiziertes Gewebe erfolgt durch den Prozess der transendotheliale Migration.
  • Phagozyten bauen Krankheitserreger ab durch Phagozytose, bei dem der Krankheitserreger verschlungen, abgetötet und verdaut wird Phagolysosomund dann unverdautes Material ausscheiden.

Mehrfachauswahl

Auf welcher der folgenden Oberflächen würden sich PAMPs befinden?

A. Erreger
B. Phagozyten
C. Hautzelle
D. Blutgefäßwand

EIN

________ auf Fresszellen an PAMPs auf Bakterien binden, was die Aufnahme und Zerstörung der bakteriellen Erreger auslöst?

A. PRRs
B. AMPs
C. PAMPs
D. PMNs

EIN

Welche der folgenden Eigenschaften charakterisiert am besten den Modus der Pathogenerkennung für die opsoninabhängige Phagozytose?

A. Opsonine, die von einem Pathogen produziert werden, ziehen Phagozyten durch Chemotaxis an.
B. Eine PAMP auf der Erregeroberfläche wird von den Toll-like-Rezeptoren der Fresszellen erkannt.
C. Ein Krankheitserreger wird zunächst mit einem Molekül wie einem Komplementprotein beschichtet, wodurch es von Fresszellen erkannt werden kann.
D. Ein Pathogen wird mit einem Molekül wie einem Komplementprotein beschichtet, das die Zelle sofort lysiert.

C

Fülle die Lücke aus

________, auch Diapedese genannt, bezieht sich auf den Austritt von Neutrophilen und anderen zirkulierenden Leukozyten aus dem Blutkreislauf.

Extravasation

Toll-like-Rezeptoren sind Beispiele für ________.

Mustererkennungsrezeptoren (PRRs)

Kurze Antwort

Fassen Sie kurz die Ereignisse zusammen, die zu und einschließlich des Prozesses der transendothelialen Migration führten.

Mitwirkender

  • Nina Parker (Shenandoah University), Mark Schneegurt (Wichita State University), Anh-Hue Thi Tu (Georgia Southwestern State University), Philip Lister (Central New Mexico Community College) und Brian M. Forster (Saint Joseph's University) mit vielen beitragende Autoren. Originalinhalt über Openstax (CC BY 4.0; Zugang kostenlos unter https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction)


Die Funktion der Phagozytose besteht darin, feste Partikel in die Zelle aufzunehmen. Phagozytose ist eine Art von Endozytose, bei der Zellen Moleküle über aktiven Transport aufnehmen, im Gegensatz zu Molekülen, die passiv durch eine Zellmembran diffundieren. Nur bestimmte kleine Moleküle können die Zellmembran leicht passieren, größere müssen durch spezielle Kanäle in der Zelle oder über Endozytose aufgenommen werden. Andere Arten der Endozytose sind Pinozytose, auch „Zelltrinken“ genannt, und rezeptorvermittelte Endozytose, bei der Moleküle an spezifische Rezeptoren auf der Zellmembran binden, wodurch die Zelle sie verschlingt.

Phagozytose unterscheidet sich von Pinozytose, da Phagozytose die Aufnahme fester Partikel beinhaltet, während Pinozytose die Aufnahme von Flüssigkeitströpfchen ist. Die Phagozytose wird auch von Zellen verwendet, um viel größere Partikel aufzunehmen als diejenigen, die durch Pinozytose aufgenommen werden. Einige einzellige Protisten, wie Amöben, verwenden Phagozytose, um Nahrungspartikel aufzunehmen. Da ihr gesamter Körper aus einer Zelle besteht, können sie Nahrungspartikel aufnehmen, indem sie sie verschlingen, und diese Partikel dann verdauen, indem sie sich mit einem Lysosom verbinden. Bei der Pinozytose müssen die eingeschlossenen Partikel nicht von einem Lysosom abgebaut werden, weil sie so klein sind, sondern das Vesikel entleert seinen Inhalt direkt in die Zelle.


Phagozytose-Prozess

Lebende Zellen nehmen verschiedene Arten von Material über ihre Zellmembran auf. Zum größten Teil passieren die meisten dieser Materialien/Moleküle wie Ionen, Flüssigkeiten und Sauerstoff unter anderem leicht durch Mechanismen wie unter anderem Ionenpumpen und Osmose.

Einige der Dinge, z.B. Partikel wie Viren, können sich als zu groß erweisen, um die Membran durch solche Mechanismen zu passieren. Aus diesem Grund muss die Zelle solche Materie/Objekte in die Zelle einhüllen.

Dieser Vorgang beinhaltet die Invagination der betreffenden Zellmembran, die es der Zelle ermöglicht, das Objekt/Partikel aufzunehmen. Abhängig von der Zelle und dem Mechanismus, der verwendet wird, um solche Materialien/Objekte zu verschlingen, wird die Endozytose in Phagozytose, Pinozytose und einen anderen Prozess, der als rezeptorvermittelte Endozytose bekannt ist, unterteilt.

Was die Phagozytose von der Pinozytose unterscheidet, ist, dass Fresszellen über spezielle Oberflächenproteine ​​verfügen, die es ihnen ermöglichen, bestimmte Partikel vor der Aufnahme spezifisch zu identifizieren und daran zu binden. Diese Art der Endozytose ist abhängig von der Bindung zwischen der Zelle und dem Zielobjekt/Partikel.


TAM-Rezeptoren sind bei der Phagozytose und Abtötung von Bakterien entbehrlich

Viele Rezeptoren, die zum Einschluss apoptotischer Zellen eingesetzt werden, werden auch zur Erkennung und Phagozytose von Bakterien verwendet. Tyro3, ​​Axl und Mertk (TAM) sind wichtig bei der Phagozytose apoptotischer Zellen durch Makrophagen. Tiere, denen diese Rezeptoren fehlen, sind gegenüber bakteriellen Produkten überempfindlich. In diesem Bericht untersuchen wir, ob die TAM-Rezeptoren an der Phagozytose von Bakterien beteiligt sind. Wir fanden, dass Makrophagen, denen Mertk, Axl, Tyro3 oder alle drei Rezeptoren fehlen, bei der Phagozytose von Gram-negativen E. coli gleich effizient waren. In ähnlicher Weise war die Phagozytose von E. coli- und Gram-positiven S. aureus-Biopartikeln durch Makrophagen ohne TAM-Rezeptoren gleich der des Wildtyps.Darüber hinaus fanden wir, dass Mertk keine Rolle bei der Abtötung von extrazellulären E. coli oder dem Replikationsstatus von intrazellulärem Francisella tularensis spielte. Während also TAM-Rezeptoren die Signalübertragung zu bakteriellen Komponenten regulieren können, sind sie für die Phagozytose und das Abtöten von Bakterien nicht essentiell.

Figuren

Abbildung 1. TAM Rezeptoren werden nicht benötigt…

Abbildung 1. TAM Rezeptoren werden für die Phagozytose von E. coli O111:B4 GFP nicht benötigt…

Abbildung 2. Phagozytose von E. coli O…

Abbildung 2. Die Phagozytose von E coli O 111:B4 ist zeitabhängig und Mertk-unabhängig in…

Abbildung 3. Phagozytose von E. coli O…

Abbildung 3. Die Phagozytose von E. coli O 111:B4 ist bei Thioglykolat und residentem Peritoneal ähnlich…

Abbildung 4. In-vitro-Phagozytose-Assay durch…

Abbildung 4. In-vitro-Phagozytose-Assay mittels Durchflusszytometrie

Abbildung 5. Mangel an Affekt bei mertk…

Abbildung 5. Mangelnde Wirkung bei mertk −/− Makrophagen ist nicht vom Gram-Status abhängig


Mechanismen der Fc-Rezeptor- und Dectin-1-Aktivierung für Phagozytose

Die Phagozytose ist ein zellulärer Schlüsselprozess, sowohl während der Homöostase als auch bei Infektionen oder Gewebeschäden. Rezeptoren auf der Oberfläche professioneller phagozytischer Zellen binden entweder direkt oder über opsonisierende Liganden an Zielpartikel und lösen eine Aktin-vermittelte Aufnahme der Partikel aus. Der Prozess muss sorgfältig kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass die Phagozytose effizient und spezifisch ausgelöst wird und die oft damit einhergehenden antimikrobiellen zytotoxischen Reaktionen nur bei Bedarf eingeleitet werden. In diesem Review werden wir die molekularen Mechanismen beschreiben und vergleichen, die die Phagozytose regulieren, die durch Fcγ-Rezeptoren ausgelöst wird, die die Aufnahme von Immunglobulin-G-opsonisierten Zielen vermitteln, und Dectin-1, das für die Internalisierung von Pilzen mit exponiertem Zellwand-β-Glucan . verantwortlich ist . Wir werden untersuchen, wie diese Rezeptoren ihre Liganden erkennen, wie die Signalübertragung initiiert und reguliert wird und wie die Internalisierung angewiesen wird, um eine schnelle und dennoch kontrollierte Aufnahme ihrer Zielmoleküle zu erreichen.


Inhalt

Phagozytose wurde zuerst vom kanadischen Arzt William Osler (1876) [1] festgestellt und später von Élie Metchnikoff (1880, 1883) untersucht und benannt. [2]

Die Phagozytose ist einer der Hauptmechanismen der angeborenen Immunabwehr. Es ist einer der ersten Prozesse, die auf eine Infektion reagieren, und ist auch einer der initiierenden Zweige einer adaptiven Immunantwort. Obwohl die meisten Zellen zur Phagozytose fähig sind, führen einige Zelltypen diese als Teil ihrer Hauptfunktion aus. Diese werden als „professionelle Fresszellen“ bezeichnet. Die Phagozytose ist evolutionär alt und kommt sogar bei Wirbellosen vor. [3]

Professionelle Fresszellen Bearbeiten

Neutrophile, Makrophagen, Monozyten, dendritische Zellen, Osteoklasten und Eosinophile können als professionelle Fresszellen klassifiziert werden. [2] Die ersten drei haben die größte Rolle bei der Immunantwort auf die meisten Infektionen. [3]

Die Rolle der Neutrophilen besteht darin, den Blutkreislauf zu patrouillieren und nur im Falle einer Infektion in großer Zahl in die Gewebe einzuwandern. [3] Dort haben sie eine direkte mikrobizide Wirkung durch Phagozytose. Nach der Einnahme sind Neutrophile wirksam bei der intrazellulären Abtötung von Krankheitserregern. Neutrophile phagozytieren hauptsächlich über die Fcγ-Rezeptoren und die Komplementrezeptoren 1 und 3. Die mikrobizide Wirkung von Neutrophilen beruht auf einem großen Repertoire an Molekülen, die in vorgeformten Granula vorhanden sind. Enzyme und andere Moleküle, die in diesen Körnchen hergestellt werden, sind Proteasen, wie Collagenase, Gelatinase oder Serinproteasen, Myeloperoxidase, Lactoferrin und antibiotische Proteine. Deren Degranulation in das Phagosom, begleitet von einer hochreaktiven Sauerstoffspeziesproduktion (oxidativer Burst), ist hochgradig mikrobizide. [4]

Monozyten und die daraus reifenden Makrophagen verlassen den Blutkreislauf, um durch Gewebe zu wandern. Dort sind sie residente Zellen und bilden eine Ruhebarriere. [3] Makrophagen initiieren die Phagozytose durch Mannoserezeptoren, Scavenger-Rezeptoren, Fcγ-Rezeptoren und Komplementrezeptoren 1, 3 und 4. Makrophagen sind langlebig und können die Phagozytose fortsetzen, indem sie neue Lysosomen bilden. [3] [5]

Dendritische Zellen befinden sich auch in Geweben und nehmen Krankheitserreger durch Phagozytose auf. Ihre Rolle besteht nicht darin, Mikroben abzutöten oder zu beseitigen, sondern sie für die Antigenpräsentation an die Zellen des adaptiven Immunsystems abzubauen. [3]

Rezeptoren initiieren Bearbeiten

Rezeptoren für die Phagozytose können durch erkannte Moleküle in zwei Kategorien unterteilt werden. Die ersten, opsonischen Rezeptoren, sind von Opsoninen abhängig. [6] Darunter befinden sich Rezeptoren, die den Fc-Teil von gebundenen IgG-Antikörpern erkennen, eingelagertes Komplement oder Rezeptoren, die andere Opsonine aus Zellen oder Plasma erkennen. Nicht-opsonische Rezeptoren umfassen Rezeptoren vom Lektin-Typ, Dectin-Rezeptoren oder Scavenger-Rezeptoren. Einige Phagozytosewege benötigen ein zweites Signal von Mustererkennungsrezeptoren (PRRs), die durch Anheftung an Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPS) aktiviert werden, was zur NF-κB-Aktivierung führt. [2]

Fcγ-Rezeptoren Bearbeiten

Fcγ-Rezeptoren erkennen mit IgG beschichtete Ziele. Der bekannteste Teil ist das Fc-Fragment. Das Molekül des Rezeptors enthält eine intrazelluläre ITAM-Domäne oder assoziiert mit einem ITAM-enthaltenden Adaptermolekül. ITAM-Domänen übertragen das Signal von der Oberfläche der Fresszelle zum Zellkern. Aktivierende Rezeptoren menschlicher Makrophagen sind beispielsweise FcγRI, FcγRIIA und FcγRIII. [5] Die Fcγ-Rezeptor-vermittelte Phagozytose umfasst die Bildung von Vorsprüngen der Zelle, die als „phagozytische Schale“ bezeichnet werden, und aktiviert einen oxidativen Ausbruch in Neutrophilen. [4]

Komplementrezeptoren Bearbeiten

Diese Rezeptoren erkennen Ziele, die mit C3b, C4b und C3bi beschichtet sind, aus dem Plasmakomplement. Die extrazelluläre Domäne der Rezeptoren enthält eine Lektin-ähnliche Komplementbindungsdomäne. Die Erkennung durch Komplementrezeptoren reicht nicht aus, um eine Internalisierung ohne zusätzliche Signale zu bewirken. In Makrophagen sind CR1, CR3 und CR4 für die Erkennung von Zielen verantwortlich. Komplementbeschichtete Targets werden durch „Sinken“ in die Phagozytenmembran ohne Vorsprünge internalisiert. [5]

Mannoserezeptoren Bearbeiten

Mannose und andere pathogenassoziierte Zucker wie Fucose werden vom Mannoserezeptor erkannt. Acht lektinähnliche Domänen bilden den extrazellulären Teil des Rezeptors. Die durch den Mannoserezeptor vermittelte Aufnahme unterscheidet sich in molekularen Mechanismen von der Fcγ-Rezeptor- oder Komplementrezeptor-vermittelten Phagozytose. [5]

Phagosom Bearbeiten

Die Aufnahme des Materials wird durch das kontraktile Aktin-Myosin-System erleichtert. Das Phagosom ist die Organelle, die durch Phagozytose von Material gebildet wird. Es bewegt sich dann in Richtung des Zentrosoms der Fresszelle und wird mit Lysosomen fusioniert, wodurch ein Phagolysosom entsteht und zum Abbau führt. Nach und nach wird das Phagolysosom angesäuert, wodurch abbauende Enzyme aktiviert werden. [2] [7]

Der Abbau kann sauerstoffabhängig oder sauerstoffunabhängig sein.

  • Der sauerstoffabhängige Abbau hängt von NADPH und der Produktion reaktiver Sauerstoffspezies ab. Wasserstoffperoxid und Myeloperoxidase aktivieren ein Halogenierungssystem, das zur Bildung von Hypochlorit und zur Zerstörung von Bakterien führt. [8]
  • Der sauerstoffunabhängige Abbau hängt von der Freisetzung von Granulat ab, das Enzyme wie Lysozymen und kationische Proteine ​​wie Defensine enthält. Andere antimikrobielle Peptide sind in diesen Körnchen vorhanden, einschließlich Lactoferrin, das Eisen maskiert, um ungünstige Wachstumsbedingungen für Bakterien bereitzustellen. Andere Enzyme wie Hyaluronidase, Lipase, Collagenase, Elastase, Ribonuklease, Desoxyribonuklease spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Verhinderung der Ausbreitung von Infektionen und des Abbaus von essentiellen mikrobiellen Biomolekülen, die zum Zelltod führen. [4][5]

Leukozyten erzeugen während der Phagozytose Blausäure und können Bakterien, Pilze und andere Krankheitserreger abtöten, indem sie mehrere andere toxische Chemikalien erzeugen. [9] [10] [11]

Einige Bakterien zum Beispiel Treponema pallidum, Escheria coli und Staphylococcus aureus, sind in der Lage, Phagozytose durch mehrere Mechanismen zu vermeiden.

Nach der Apoptose müssen die absterbenden Zellen von Makrophagen in das umliegende Gewebe aufgenommen werden, was als Efferozytose bezeichnet wird. Eines der Merkmale einer apoptotischen Zelle ist die Präsentation verschiedener intrazellulärer Moleküle auf der Zelloberfläche, wie Calreticulin, Phosphatidylserin (aus der inneren Schicht der Plasmamembran), Annexin A1, oxidiertes LDL und veränderte Glykane. [12] Diese Moleküle werden von Rezeptoren auf der Zelloberfläche der Makrophagen wie dem Phosphatidylserin-Rezeptor oder von löslichen (frei schwebenden) Rezeptoren wie Thrombospondin 1, GAS6 und MFGE8 erkannt, die dann selbst an andere Rezeptoren auf den Makrophagen binden wie CD36 und alpha-v-beta-3-Integrin. Defekte in der apoptotischen Zellclearance sind normalerweise mit einer gestörten Phagozytose von Makrophagen verbunden. Die Akkumulation von apoptotischen Zellresten verursacht oft Autoimmunerkrankungen, daher hat die pharmakologische Potenzierung der Phagozytose ein medizinisches Potenzial bei der Behandlung bestimmter Formen von Autoimmunerkrankungen. [13] [14] [15] [16]

Bei vielen Protisten wird die Phagozytose als Nahrungsquelle verwendet, um einen Teil oder die gesamte Nahrung bereitzustellen. Dies wird als phagotrophe Ernährung bezeichnet und unterscheidet sich von der osmotrophen Ernährung, die durch Resorption erfolgt. [ Zitat benötigt ]

  • Bei einigen, wie Amöben, findet die Phagozytose statt, indem das Zielobjekt mit Pseudopodien umgeben wird, wie bei tierischen Phagozyten. Beim Menschen sind die Amöbozoen Entamoeba histolytica kann rote Blutkörperchen phagozytieren. auch an der Phagozytose beteiligt. [17] Bei Ciliaten gibt es eine spezialisierte Furche oder Kammer in der Zelle, in der die Phagozytose stattfindet, das Zytostom oder der Mund.

Wie bei phagozytischen Immunzellen kann das resultierende Phagosom mit Lysosomen (Nahrungsvakuolen) verschmolzen werden, die Verdauungsenzyme enthalten, und so ein Phagolysosom bilden. Die Nahrungspartikel werden dann verdaut, und die freigesetzten Nährstoffe werden diffundiert oder in das Zytosol transportiert, um in anderen Stoffwechselprozessen verwendet zu werden. [18]

Mixotrophie kann phagotrophe Ernährung und phototrophe Ernährung beinhalten. [19]


Zytokin-Freisetzungseffekt

Die Bindung von PRRs mit PAMPs löst die Freisetzung von Zytokinen aus, die signalisieren, dass ein Krankheitserreger vorhanden ist und zusammen mit infizierten Zellen zerstört werden muss. EIN Zytokin ist ein chemischer Botenstoff, der die Zelldifferenzierung (Form und Funktion), die Proliferation (Produktion) und die Genexpression reguliert, um die Immunantwort zu beeinflussen. Beim Menschen gibt es mindestens 40 Arten von Zytokinen, die sich in dem Zelltyp, der sie produziert, dem Zelltyp, der auf sie reagiert, und den Veränderungen, die sie hervorrufen, unterscheiden. Ein Zytokintyp, Interferon, ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Interferone sind Zytokine, die von einer mit einem Virus infizierten Zelle freigesetzt werden. Die Reaktion benachbarter Zellen auf Interferon hilft, die Infektion einzudämmen.

Eine Unterklasse von Zytokinen ist das Interleukin (IL), das so genannt wird, weil es Wechselwirkungen zwischen Leukozyten (weißen Blutkörperchen) vermittelt. Interleukine sind an der Überbrückung der angeborenen und adaptiven Immunantwort beteiligt. Zusätzlich zur Freisetzung von Zellen nach der PAMP-Erkennung werden Zytokine von den infizierten Zellen freigesetzt, die sich an nahe gelegene nicht infizierte Zellen binden und diese Zellen zur Freisetzung von Zytokinen veranlassen, was zu einem Zytokin-Burst führt.

Eine zweite Klasse von früh wirkenden Zytokinen sind Interferone, die von infizierten Zellen als Warnung an benachbarte nicht infizierte Zellen abgegeben werden. Eine der Funktionen von an Interferon soll die Virusreplikation hemmen. Sie haben auch andere wichtige Funktionen, wie zum Beispiel die Tumorüberwachung. Interferone wirken, indem sie benachbarten nicht infizierten Zellen signalisieren, RNA zu zerstören und die Proteinsynthese zu reduzieren, benachbarten infizierten Zellen signalisieren, Apoptose (programmierter Zelltod) zu durchlaufen, und Immunzellen aktivieren.

Als Reaktion auf Interferone verändern nicht infizierte Zellen ihre Genexpression, was die Resistenz der Zellen gegen Infektionen erhöht. Ein Effekt der Interferon-induzierten Genexpression ist eine stark reduzierte zelluläre Proteinsynthese. Virusinfizierte Zellen produzieren mehr Viren, indem sie große Mengen viraler Proteine ​​synthetisieren. Somit wird eine Zelle durch Verringern der Proteinsynthese resistent gegen eine Virusinfektion.


18.5 Impfstoffe

Bei vielen Krankheiten ist Prävention die beste Behandlungsform, und nur wenige Strategien zur Krankheitsprävention sind so wirksam wie die Impfung. Die Impfung ist eine Form der künstlichen Immunität. Durch die künstliche Stimulierung der adaptiven Immunabwehr löst ein Impfstoff die Produktion von Gedächtniszellen aus, ähnlich derjenigen, die während einer primären Reaktion auftreten würde. Dadurch kann der Patient bei Kontakt mit dem Erreger eine starke Sekundärreaktion aufbauen – ohne jedoch erst eine Erstinfektion durchleiden zu müssen. In diesem Abschnitt werden wir verschiedene Arten von künstlicher Immunität zusammen mit verschiedenen Arten von Impfstoffen und den Mechanismen untersuchen, durch die sie eine künstliche Immunität hervorrufen.

Klassifikationen der adaptiven Immunität

Alle Formen der adaptiven Immunität können entweder als aktiv oder passiv beschrieben werden. Aktive Immunität bezieht sich auf die Aktivierung der eigenen adaptiven Immunabwehr eines Individuums, während sich passive Immunität auf die Übertragung der adaptiven Immunabwehr von einem anderen Individuum oder Tier bezieht. Aktive und passive Immunität können weiter unterteilt werden, je nachdem, ob der Schutz natürlich oder künstlich erworben wird.

Natürliche aktive Immunität ist eine adaptive Immunität, die sich nach einer natürlichen Exposition gegenüber einem Krankheitserreger entwickelt (Abbildung 18.24). Beispiele wären die lebenslange Immunität, die sich nach der Genesung von einer Windpocken- oder Maserninfektion entwickelt (obwohl eine akute Infektion nicht immer notwendig ist, um die adaptive Immunität zu aktivieren). Die Dauer, die ein Individuum geschützt ist, kann je nach Krankheitserreger und beteiligten Antigenen erheblich variieren. Beispielsweise kann die Aktivierung der adaptiven Immunität durch Protein-Spike-Strukturen während einer intrazellulären Virusinfektion eine lebenslange Immunität aktivieren, während die Aktivierung durch Kohlenhydratkapselantigene während einer extrazellulären bakteriellen Infektion eine kürzerfristige Immunität aktivieren kann.

Natürliche passive Immunität beinhaltet die natürliche Übertragung von Antikörpern von einer Mutter zu ihrem Kind vor und nach der Geburt. IgG ist die einzige Antikörperklasse, die die Plazenta vom mütterlichen Blut in die fetale Blutversorgung passieren kann. Die plazentare Übertragung von IgG ist eine wichtige passive Immunabwehr des Säuglings, die bis zu sechs Monate nach der Geburt anhält. Sekretorisches IgA kann auch durch die Muttermilch von der Mutter auf das Kind übertragen werden.

Künstliche passive Immunität bezieht sich auf die Übertragung von Antikörpern, die von einem Spender (Mensch oder Tier) produziert wurden, auf ein anderes Individuum. Dieser Antikörpertransfer kann als prophylaktische Maßnahme (d. h. zur Vorbeugung von Krankheiten nach Exposition gegenüber einem Pathogen) oder als Strategie zur Behandlung einer aktiven Infektion erfolgen. Zum Beispiel wird eine künstliche passive Immunität häufig zur Postexpositionsprophylaxe gegen Tollwut, Hepatitis A, Hepatitis B und Windpocken (bei Personen mit hohem Risiko) verwendet. Aktive Infektionen, die durch künstliche passive Immunität behandelt werden, umfassen Cytomegalovirus-Infektionen bei immungeschwächten Patienten und Ebola-Virus-Infektionen. 1995 wurden in der Demokratischen Republik Kongo acht Patienten mit aktiven Ebola-Infektionen mit Bluttransfusionen von Patienten behandelt, die sich von Ebola erholten. Nur einer der acht Patienten starb (eine Sterblichkeitsrate von 12,5 %), was viel niedriger war als die erwartete Sterblichkeitsrate von 80 % für Ebola bei unbehandelten Patienten. 2 Künstliche passive Immunität wird auch zur Behandlung von Krankheiten verwendet, die durch bakterielle Toxine verursacht werden, einschließlich Tetanus, Botulismus und Diphtherie.

Künstliche aktive Immunität ist die Grundlage für die Impfung. Es beinhaltet die Aktivierung der adaptiven Immunität durch die absichtliche Exposition eines Individuums gegenüber abgeschwächten oder inaktivierten Krankheitserregern oder Präparaten, die aus wichtigen Krankheitserregerantigenen bestehen.

Überprüfen Sie Ihr Verständnis

  • Was ist der Unterschied zwischen aktiver und passiver Immunität?
  • Welche Immunität wird durch einen Impfstoff verliehen?

Herdenimmunität

Die vier gerade beschriebenen Arten von Immunität resultieren aus dem adaptiven Immunsystem eines Individuums. Für jede gegebene Krankheit kann ein Individuum als immun oder anfällig angesehen werden, abhängig von seiner oder ihrer Fähigkeit, bei Exposition eine wirksame Immunantwort aufzubauen. Somit hat jede gegebene Population wahrscheinlich einige Individuen, die immun sind, und andere Individuen, die anfällig sind. Wenn eine Population nur sehr wenige anfällige Individuen hat, werden selbst diese anfälligen Individuen durch ein Phänomen namens Herdenimmunität geschützt. Die Herdenimmunität hat nichts mit der Fähigkeit eines Individuums zu tun, eine wirksame Immunantwort aufzubauen, sondern tritt auf, weil es zu wenige anfällige Individuen in einer Population gibt, um sich effektiv auszubreiten.

Impfprogramme schaffen eine Herdenimmunität, indem sie die Anzahl anfälliger Individuen in einer Population stark reduzieren. Selbst wenn einige Personen in der Bevölkerung nicht geimpft sind, ist es unwahrscheinlich, dass die wenigen anfälligen Personen dem Erreger ausgesetzt sind, solange ein bestimmter Prozentsatz (entweder natürlich oder künstlich) immun ist. Da jedoch ständig neue Individuen in Populationen eintreten (z. B. durch Geburt oder Umsiedlung), sind Impfprogramme erforderlich, um die Herdenimmunität aufrechtzuerhalten.

Ethik im Blick

Impfung: Pflicht oder Wahl

Immer mehr Eltern entscheiden sich dafür, ihre Kinder nicht impfen zu lassen. Sie werden als „Antivaxxer“ bezeichnet, und die meisten von ihnen glauben, dass Impfstoffe eine Ursache von Autismus (oder anderen Krankheitszuständen) sind, ein Zusammenhang, der jetzt gründlich widerlegt wurde. Andere lehnen Impfstoffe aus religiösen oder moralischen Gründen ab (z. B. das Argument, dass eine Gardasil-Impfung gegen HPV sexuelle Promiskuität fördern könnte), aus persönlichen ethischen Gründen (z dass obligatorische Impfungen eine Verletzung der persönlichen Freiheiten darstellen). 3

Es wird angenommen, dass diese wachsende Zahl ungeimpfter Personen zu neuen Ausbrüchen von Keuchhusten und Masern geführt hat. Wir würden erwarten, dass eine Herdenimmunität diejenigen in unserer Bevölkerung schützt, die nicht geimpft sind, aber die Herdenimmunität kann nur aufrechterhalten werden, wenn genügend Personen geimpft werden.

Die Impfung ist eindeutig von Vorteil für die öffentliche Gesundheit. Aber aus der Perspektive der einzelnen Eltern kann die Sicht trüber sein. Impfstoffe sind wie alle medizinischen Eingriffe mit Risiken verbunden, und obwohl die Risiken einer Impfung im Vergleich zu den Infektionsrisiken äußerst gering sein können, verstehen oder akzeptieren die Eltern möglicherweise nicht immer den Konsens der medizinischen Fachwelt. Haben solche Eltern ein Recht, ihren Kindern die Impfung vorzuenthalten? Sollte es ihnen erlaubt sein, ihre Kinder – und die Gesellschaft insgesamt – einem Risiko auszusetzen?

Viele Regierungen bestehen auf Impfungen für Kinder als Voraussetzung für den Eintritt in eine öffentliche Schule, aber in den meisten Bundesstaaten ist es leicht geworden, sich von der Anforderung abzumelden oder Kinder vom öffentlichen System fernzuhalten. Seit den 1970er Jahren gilt in West Virginia und Mississippi ausnahmslos eine strenge Impfpflicht für Kinder, und seit Anfang der 1990er Jahre ist in keinem Bundesstaat ein Masernfall aufgetreten. Der kalifornische Gesetzgeber hat kürzlich als Reaktion auf einen Masernausbruch im Jahr 2015 ein ähnliches Gesetz verabschiedet, das es Eltern viel schwerer macht, sich gegen Impfstoffe zu entscheiden, wenn ihre Kinder öffentliche Schulen besuchen. Sollten andere Staaten angesichts dieser Erfolgsbilanz und neuer gesetzgeberischer Bemühungen ähnlich strenge Anforderungen erlassen?

Welche Rolle sollten Gesundheitsdienstleister bei der Förderung oder Durchsetzung der universellen Impfung spielen? Studien haben gezeigt, dass die Meinung vieler Eltern als Reaktion auf die Informationen des Gesundheitspersonals geändert werden kann, aber ist es die Aufgabe des Gesundheitspersonals, Eltern davon zu überzeugen, ihre Kinder impfen zu lassen? Einige Gesundheitsdienstleister sind verständlicherweise zurückhaltend, ungeimpfte Patienten zu behandeln. Haben sie das Recht, Patienten, die Impfstoffe ablehnen, die Behandlung zu verweigern? Haben Versicherungsunternehmen das Recht, Antivaxxern die Deckung zu verweigern? Dies sind alles ethische Fragen, mit denen sich politische Entscheidungsträger möglicherweise auseinandersetzen müssen, wenn immer mehr Eltern die Impfnormen umgehen.

Variolation und Impfung

Vor Tausenden von Jahren wurde erstmals erkannt, dass Personen, die eine Pockeninfektion überlebten, gegen nachfolgende Infektionen immun waren. Die Praxis der Impfung von Individuen zum aktiven Schutz vor Pocken scheint ihren Ursprung im 10. Jahrhundert in China zu haben, als die Praxis der Variolation beschrieben wurde (Abb. 18.25). Variolation bezieht sich auf die absichtliche Inokulation von Personen mit infektiösem Material aus Schorf oder Pusteln von Pockenopfern. Infektiöse Materialien wurden entweder in die Haut injiziert oder über die Nase eingeführt. Die sich entwickelnde Infektion war in der Regel milder als bei natürlich erworbenen Pocken, und die Erholung von der milderen Infektion bot Schutz vor der schwerwiegenderen Krankheit.

Obwohl die Mehrzahl der mit Variolation behandelten Personen nur leichte Infektionen entwickelten, war die Praxis nicht ohne Risiken. Es traten schwerwiegendere und manchmal tödliche Infektionen auf, und da Pocken ansteckend waren, konnten Infektionen aufgrund von Variolation zu Epidemien führen. Trotzdem verbreitete sich die Praxis der Variolation zur Pockenprävention auf andere Regionen, darunter Indien, Afrika und Europa.

Obwohl Variolation seit Jahrhunderten praktiziert wurde, wird allgemein dem englischen Arzt Edward Jenner (1749–1823) die Entwicklung des modernen Impfverfahrens zugeschrieben. Jenner beobachtete, dass Milchmädchen, die Kuhpocken entwickelten, eine den Pocken ähnliche, aber mildere Krankheit, gegen die ernsteren Pocken immun waren. Dies führte Jenner zu der Hypothese, dass die Exposition gegenüber einem weniger virulenten Krankheitserreger einen Immunschutz gegen einen virulenteren Krankheitserreger bieten könnte, was eine sicherere Alternative zur Variolation darstellt. 1796 testete Jenner seine Hypothese, indem er infektiöse Proben aus einer aktiven Kuhpocken-Läsion einer Milchmagd entnahm und die Materialien einem Jungen injizierte (Abbildung 18.26). Der Junge entwickelte eine leichte Infektion mit leichtem Fieber, Beschwerden in den Achselhöhlen und Appetitlosigkeit. Als sich der Junge später mit infektiösen Proben von Pockenläsionen infizierte, erkrankte er nicht an Pocken. 4 Dieser neue Ansatz wurde als Impfung bezeichnet, ein Name, der sich von der Verwendung von Kuhpocken (lateinisch) ableitet vacca bedeutet „Kuh“) zum Schutz vor Pocken. Heute wissen wir, dass Jenners Impfstoff gewirkt hat, weil das Kuhpockenvirus genetisch und antigenisch mit dem Variola Viren, die Pocken verursacht haben. Die Exposition gegenüber Kuhpocken-Antigenen führte bei einer späteren Exposition gegenüber Pocken zu einer primären Reaktion und der Produktion von Gedächtniszellen, die identische oder verwandte Epitope des Variola-Virus sind.

Der Erfolg von Jenners Pockenimpfung veranlasste andere Wissenschaftler, Impfstoffe gegen andere Krankheiten zu entwickeln. Der vielleicht bemerkenswerteste war Louis Pasteur, der Impfstoffe gegen Tollwut, Cholera und Milzbrand entwickelte. Im 20. und 21. Jahrhundert wurden wirksame Impfstoffe entwickelt, um eine Vielzahl von Krankheiten zu verhindern, die durch Viren (z. B. Windpocken und Gürtelrose, Hepatitis, Masern, Mumps, Polio und Gelbfieber) und Bakterien (z. B. Diphtherie, Pneumokokken) verursacht werden Lungenentzündung, Tetanus und Keuchhusten).

Überprüfen Sie Ihr Verständnis

  • Was ist der Unterschied zwischen Variolation und Impfung gegen Pocken?
  • Erklären Sie, warum eine Impfung weniger riskant ist als eine Variolation.

Impfstoffklassen

Damit ein Impfstoff vor einer Krankheit schützen kann, muss er ein Individuum pathogenspezifischen Antigenen aussetzen, die eine schützende adaptive Immunantwort stimulieren. Dies birgt naturgemäß ein gewisses Risiko. Wie jedes Arzneimittel können auch Impfstoffe unerwünschte Wirkungen haben. Der ideale Impfstoff verursacht jedoch keine schwerwiegenden Nebenwirkungen und birgt kein Risiko, an der Krankheit zu erkranken, die er verhindern soll. Im Hinblick auf diese Ziele wurden verschiedene Arten von Impfstoffen entwickelt. Diese verschiedenen Impfstoffklassen werden im nächsten Abschnitt beschrieben und in Tabelle 18.3 zusammengefasst.

Abgeschwächte Lebendimpfstoffe

Attenuierte Lebendimpfstoffe setzen ein Individuum einem abgeschwächten Erregerstamm aus, mit dem Ziel, eine subklinische Infektion zu etablieren, die die adaptive Immunabwehr aktiviert. Krankheitserreger werden abgeschwächt, um ihre Virulenz durch Methoden wie genetische Manipulation (um wichtige Virulenzfaktoren zu eliminieren) oder langfristige Kultivierung in einem unnatürlichen Wirt oder einer Umgebung (um Mutationen zu fördern und die Virulenz zu verringern) zu verringern.

Durch die Etablierung einer aktiven Infektion stimulieren abgeschwächte Lebendimpfstoffe eine umfassendere Immunantwort als einige andere Arten von Impfstoffen. Attenuierte Lebendimpfstoffe aktivieren sowohl die zelluläre als auch die humorale Immunität und stimulieren die Entwicklung des Gedächtnisses für eine lang anhaltende Immunität. In einigen Fällen kann die Impfung einer Person mit einem lebenden attenuierten Erreger sogar zu einer natürlichen Übertragung des attenuierten Erregers auf andere Individuen führen. Dies kann dazu führen, dass auch die anderen Personen eine aktive, subklinische Infektion entwickeln, die ihre adaptive Immunabwehr aktiviert.

Nachteile im Zusammenhang mit attenuierten Lebendimpfstoffen sind die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Langzeitlagerung und dem Transport sowie die Möglichkeit, dass ein Patient während der aktiven Infektion Krankheitszeichen und -symptome entwickelt (insbesondere bei immungeschwächten Patienten). Außerdem besteht die Gefahr, dass der abgeschwächte Erreger wieder in seine volle Virulenz zurückkehrt. Tabelle 18.3 listet Beispiele für attenuierte Lebendimpfstoffe auf.

Inaktivierte Impfstoffe

Inaktivierte Impfstoffe enthalten ganze Krankheitserreger, die durch Hitze, Chemikalien oder Strahlung abgetötet oder inaktiviert wurden. Damit inaktivierte Impfstoffe wirksam sind, darf der Inaktivierungsprozess die Struktur der Schlüsselantigene des Erregers nicht beeinträchtigen.

Da der Erreger abgetötet oder inaktiv ist, erzeugen inaktivierte Impfstoffe keine aktive Infektion, und die resultierende Immunantwort ist schwächer und weniger umfassend als die durch einen abgeschwächten Lebendimpfstoff hervorgerufene. Typischerweise beinhaltet die Reaktion nur eine humorale Immunität, und der Erreger kann nicht auf andere Personen übertragen werden. Darüber hinaus erfordern inaktivierte Impfstoffe in der Regel höhere Dosen und mehrere Booster, was möglicherweise zu Entzündungsreaktionen an der Injektionsstelle führt.

Trotz dieser Nachteile haben inaktivierte Impfstoffe die Vorteile der Langzeitlagerungsstabilität und des leichten Transports. Es besteht auch kein Risiko, schwere aktive Infektionen zu verursachen. Inaktivierte Impfstoffe sind jedoch nicht ohne Nebenwirkungen. Tabelle 18.3 listet Beispiele für inaktivierte Impfstoffe auf.

Untereinheit Impfstoffe

Während attenuierte und inaktive Lebendimpfstoffe ein Individuum einem abgeschwächten oder toten Krankheitserreger aussetzen, setzen Untereinheitenimpfstoffe den Patienten nur den Schlüsselantigenen eines Krankheitserregers aus – nicht ganzen Zellen oder Viren. Untereinheiten-Impfstoffe können entweder durch chemischen Abbau eines Pathogens und Isolieren seiner Schlüsselantigene oder durch gentechnische Herstellung der Antigene hergestellt werden. Da diese Impfstoffe nur die essentiellen Antigene eines Erregers enthalten, ist das Risiko von Nebenwirkungen relativ gering. Tabelle 18.3 listet Beispiele für Untereinheiten-Impfstoffe auf.

Toxoid-Impfstoffe

Wie bei Untereinheiten-Impfstoffen bringen Toxoid-Impfstoffe dem Patienten keinen ganzen Krankheitserreger ein, sondern enthalten inaktivierte bakterielle Toxine, sogenannte Toxoide. Toxoid-Impfstoffe werden zur Vorbeugung von Krankheiten eingesetzt, bei denen bakterielle Toxine eine wichtige Rolle in der Pathogenese spielen. Diese Impfstoffe aktivieren die humorale Immunität, die die Toxine neutralisiert. Tabelle 18.3 listet Beispiele für Toxoid-Impfstoffe auf.

Impfstoffe konjugieren

Ein Konjugatimpfstoff ist eine Art von Untereinheitsimpfstoff, der aus einem Protein besteht, das an ein Kapselpolysaccharid konjugiert ist. Konjugatimpfstoffe wurden entwickelt, um die Wirksamkeit von Subunit-Impfstoffen gegen Krankheitserreger zu erhöhen, die schützende Polysaccharidkapseln enthalten, die ihnen helfen, Phagozytose zu vermeiden, die invasive Infektionen verursachen, die zu Meningitis und anderen schweren Erkrankungen führen können. Die Untereinheiten-Impfstoffe gegen diese Erreger führen T-unabhängige Kapsel-Polysaccharid-Antigene ein, die zur Produktion von Antikörpern führen, die die Kapsel opsonisieren und so die Infektion bekämpfen können. Kinder unter zwei Jahren reagieren jedoch nicht effektiv auf diese Impfstoffe. Kinder sprechen effektiv an, wenn sie mit dem Konjugatimpfstoff geimpft werden, bei dem ein Protein mit T-abhängigen Antigenen an das Kapselpolysaccharid konjugiert ist. Das konjugierte Protein-Polysaccharid-Antigen stimuliert die Produktion von Antikörpern sowohl gegen das Protein als auch das Kapselpolysaccharid. Tabelle 18.3 listet Beispiele für Konjugatimpfstoffe auf.

Impfstoffklassen
Klasse Beschreibung Vorteile Nachteile Beispiele
Live gedämpft Abgeschwächter Stamm des ganzen Erregers Zelluläre und humorale Immunität Schwer zu lagern und zu transportieren Windpocken, Masern, Masern, Mumps, Tuberkulose, Typhus, Gelbfieber
Lang anhaltende Immunität Infektionsrisiko bei immungeschwächten Patienten
Übermittlung an Kontakte Rückfallrisiko
Inaktiviert Ganze Krankheitserreger abgetötet oder durch Hitze, Chemikalien oder Strahlung inaktiviert Einfache Lagerung und Transport Schwächere Immunität (nur humorvoll) Cholera, Hepatitis A, Grippe, Pest, Tollwut
Kein Risiko einer schweren aktiven Infektion Höhere Dosen und mehr Booster erforderlich
Untereinheit Immunogene Antigene Geringeres Risiko von Nebenwirkungen Begrenzte Lebensdauer Milzbrand, Hepatitis B, Influenza, Meningitis, Papillomavirus, Pneumokokken-Pneumonie, Keuchhusten
Mehrere Dosen erforderlich
Kein Schutz gegen antigene Variation
Toxoid Inaktiviertes bakterielles Toxin Humorale Immunität zur Neutralisierung von Toxinen Verhindert keine Infektion Botulismus, Diphtherie, Keuchhusten, Tetanus
Konjugieren Kapselpolysaccharid konjugiert an Protein T-abhängige Reaktion auf Kapsel Kostspielig in der Herstellung Meningitis
(Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae, Neisseria-Meningitiden)
Kein Schutz gegen antigene Variation
Bessere Reaktion bei kleinen Kindern Kann andere Impfstoffe beeinträchtigen

Überprüfen Sie Ihr Verständnis

  • Welches Risiko ist mit einem attenuierten Lebendimpfstoff verbunden?
  • Warum ist in manchen Fällen ein konjugierter Impfstoff notwendig?

Mikroverbindungen

DNA-Impfstoffe

DNA-Impfstoffe stellen einen relativ neuen und vielversprechenden Impfansatz dar. Ein DNA-Impfstoff wird hergestellt, indem Gene für Antigene in einen rekombinanten Plasmid-Impfstoff eingebaut werden. Die Einführung des DNA-Impfstoffs in einen Patienten führt zur Aufnahme des rekombinanten Plasmids durch einige Zellen des Patienten, gefolgt von der Transkription und Translation von Antigenen und der Präsentation dieser Antigene mit MHC I, um die adaptive Immunität zu aktivieren. Dies führt zur Stimulierung sowohl der humoralen als auch der zellulären Immunität ohne das Risiko einer aktiven Erkrankung, die mit abgeschwächten Lebendimpfstoffen verbunden ist.

Obwohl sich die meisten DNA-Impfstoffe für den Menschen noch in der Entwicklung befinden, ist es wahrscheinlich, dass sie in naher Zukunft weiter verbreitet werden, da Forscher an der Entwicklung von DNA-Impfstoffen arbeiten, die die adaptive Immunität gegen mehrere verschiedene Krankheitserreger gleichzeitig aktivieren. DNA-Impfstoffe der ersten Generation, die in den 1990er Jahren getestet wurden, sahen in Tiermodellen vielversprechend aus, waren jedoch enttäuschend, wenn sie an Menschen getestet wurden. Eine schlechte zelluläre Aufnahme der DNA-Plasmide war eines der Hauptprobleme, die ihre Wirksamkeit beeinflussten. Versuche mit DNA-Impfstoffen der zweiten Generation waren dank neuer Techniken zur Verbesserung der zellulären Aufnahme und zur Optimierung von Antigenen vielversprechender. DNA-Impfstoffe gegen verschiedene Krebsarten und virale Krankheitserreger wie HIV, HPV und Hepatitis B und C befinden sich derzeit in der Entwicklung.

Einige DNA-Impfstoffe sind bereits im Einsatz. 2005 wurde in den USA ein DNA-Impfstoff gegen das West-Nil-Virus zur Anwendung bei Pferden zugelassen. Kanada hat auch einen DNA-Impfstoff zum Schutz von Fischen vor dem infektiösen hämatopoetischen Nekrosevirus zugelassen. 5 Ein DNA-Impfstoff gegen das Japanische Enzephalitis-Virus wurde 2010 in Australien für die Anwendung beim Menschen zugelassen. 6

Klinischer Fokus

Auflösung

Basierend auf Olivias Symptomen stellte ihr Arzt eine vorläufige Diagnose einer bakteriellen Meningitis, ohne auf eine positive Identifizierung aus den an das Labor geschickten Blut- und Liquorproben zu warten. Olivia wurde ins Krankenhaus eingeliefert und mit intravenösen Breitbandantibiotika und einer Rehydrationstherapie behandelt. Im Laufe der nächsten Tage begann sich ihr Zustand zu verbessern und neue Blutproben und Lumbalpunktionsproben zeigten eine Abwesenheit von Mikroben im Blut und im Liquor, wobei sich die Anzahl der weißen Blutkörperchen wieder normalisierte. Während dieser Zeit produzierte das Labor eine positive Identifizierung von Meningokokken , dem Erreger der Meningokokken-Meningitis, in ihrer ursprünglichen Liquorprobe.

N. meningitidis produziert eine Polysaccharidkapsel, die als Virulenzfaktor dient. N. meningitidis neigt dazu, Säuglinge zu befallen, nachdem sie beginnen, die natürliche passive Immunität zu verlieren, die durch mütterliche Antikörper bereitgestellt wird. Im Alter von einem Jahr wären die mütterlichen IgG-Antikörper von Olivia verschwunden, und sie hätte keine Gedächtniszellen entwickelt, die in der Lage wären, Antigene zu erkennen, die mit der Polysaccharidkapsel des N. meningitidis. Infolgedessen war ihr adaptives Immunsystem nicht in der Lage, schützende Antikörper gegen die Infektion zu produzieren, und ohne Antibiotika hätte sie möglicherweise nicht überlebt. Olivias Infektion wäre wahrscheinlich ganz vermieden worden, wenn sie geimpft worden wäre. Ein konjugierter Impfstoff zur Vorbeugung von Meningokokken-Meningitis ist verfügbar und für Säuglinge ab einem Alter von zwei Monaten zugelassen. Die aktuellen Impfpläne in den Vereinigten Staaten empfehlen jedoch, den Impfstoff im Alter von 11 bis 12 Jahren mit einer Auffrischimpfung im Alter von 16 Jahren zu verabreichen.

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Link zum Lernen

In Ländern mit entwickelten öffentlichen Gesundheitssystemen werden Kindern und Erwachsenen routinemäßig viele Impfstoffe verabreicht. Die Impfpläne werden regelmäßig geändert, basierend auf neuen Informationen und Forschungsergebnissen, die von öffentlichen Gesundheitsbehörden gesammelt wurden. In den Vereinigten Staaten veröffentlicht die CDC Zeitpläne und andere aktualisierte Informationen über Impfstoffe.

Fußnoten

    K. Mupapa, M. Massamba, K. Kibadi, K. Kivula, A. Bwaka, M. Kipasa, R. Colebunders, J. J. Muyembe-Tamfum. „Behandlung des hämorrhagischen Ebola-Fiebers mit Bluttransfusionen von rekonvaleszenten Patienten.“ Zeitschrift für Infektionskrankheiten 179 Nachtrag. (1999): S18–S23. Elizabeth Yale. „Warum Anti-Impf-Bewegungen niemals gezähmt werden können.“ Religion und Politik, 22. Juli 2014. http://religionandpolitics.org/2014/07/22/why-anti-vaccination-movements-can-never-be-tamed. N.J. Willis. „Edward Jenner und die Ausrottung der Pocken.“ Schottisches medizinisches Journal 42 (1997): 118–121. M. Alonso und J. C. Leong. „Lizenzierte DNA-Impfstoffe gegen das infektiöse hämatopoetische Nekrose-Virus (IHNV).“ Jüngste Patente auf DNA- und Gensequenzen (eingestellt) 7 Nr. 1 (2013): 62–65, issn 1872-2156/2212-3431. doi 10.2174/1872215611307010009. S. B. Halstead und S.J. Thomas. „Neue Impfstoffe gegen Japanische Enzephalitis: Alternativen zur Produktion im Mäusehirn.“ Expertenbewertung von Impfstoffen 10 Nr. 3 (2011): 355–64.

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    • Autoren: Nina Parker, Mark Schneegurt, Anh-Hue Thi Tu, Philip Lister, Brian M. Forster
    • Herausgeber/Website: OpenStax
    • Buchtitel: Mikrobiologie
    • Erscheinungsdatum: 01.11.2016
    • Ort: Houston, Texas
    • Buch-URL: https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    • Abschnitts-URL: https://openstax.org/books/microbiology/pages/18-5-vaccines

    © 20. August 2020 OpenStax. Von OpenStax produzierte Lehrbuchinhalte sind unter einer Creative Commons Attribution License 4.0-Lizenz lizenziert. Der OpenStax-Name, das OpenStax-Logo, die OpenStax-Buchcover, der OpenStax CNX-Name und das OpenStax CNX-Logo unterliegen nicht der Creative Commons-Lizenz und dürfen ohne die vorherige und ausdrückliche schriftliche Zustimmung der Rice University nicht reproduziert werden.


    Phagozytose

    Phagozytose ist eine spezielle Form von Endozytose durch die Zellen Feststoffe, einschließlich mikrobieller Krankheitserreger, internalisieren. Während die meisten Zellen zur Phagozytose fähig sind, sind es die professionellen Fresszellen des Immunsystems, einschließlich Makrophagen, Neutrophile und

    reifen dendritische Zellen, die sich in diesem Prozess wirklich auszeichnen. In diesen Zellen ist die Phagozytose ein Mechanismus, durch den Mikroorganismen eingeschlossen, abgetötet und für die Antigenpräsentation verarbeitet werden können und stellt eine wichtige Facette der angeborenen Immunantwort auf Krankheitserreger dar und spielt eine wesentliche Rolle bei der Initiierung der adaptive Immunantwort.

    Der Prozess der Phagozytose beginnt mit der Bindung von Opsonine (d.h. ergänzen oder Antikörper) und/oder spezifische Moleküle auf der Erregeroberfläche (so genannte pathogen-assoziierte molekulare Pathogene [PAMPs]) an Zelloberflächenrezeptoren auf den Fresszellen. Dies verursacht Rezeptor-Clustering und löst Phagozytose aus. Die Zellmembran erstreckt sich dann um das Ziel herum, umhüllt es schließlich und schnürt sich ab, um ein diskretes . zu bilden Phagosom. Dieses Vesikel kann durch Fusion mit späten Endosomen und Lysosomen reifen und ansäuern, um ein Phagolysosom, bei dem ein Abbau des Inhalts über die Wirkung von lysosomalen Hydrolasen erfolgen kann.

    Abbildung 1. (a) Drei Stufen der Phagozytoserezeptorbindung und Bildung eines Phagozytosebechers, Abschnüren und Bildung eines diskreten Phagosoms und Fusion mit Lysosomen. (B) Phagozytose menschlicher Makrophagen Candida albicans. Pfeile: Phagosomen gefärbt für Aktin (rot) und Calreticulin, ein Marker des endoplasmatischen Retikulums (grün). (C) IFN-g-behandelte Mausmakrophagen infiziert mit Mycobacterium bovis BCG (rot) und gefärbt für den lysosomalen Marker CD69 (LAMP3, grün).

    An der Phagozytose sind zahlreiche Rezeptoren beteiligt. Komplement-Rezeptoren und FC-Rezeptoren sind besonders wichtig für die Erkennung und Phagozytose von opsonisierten Mikroben und anderen Feststoffen. Andere Rezeptoren, einschließlich der Toll-like-Rezeptoren (TLRs), Scavenger-Rezeptoren (SR) und Lektine (wie DC-SIGN, dectin-1 und die Mannose-Rezeptor) sind auch für die Aufnahme vieler pathogener Mikroorganismen wichtig. Die Phagozytose ist typischerweise ein dynamischer Prozess, der eine Reorganisation des Aktinzytoskeletts und die Beteiligung von Aktin-bindenden Proteinen und Signalmolekülen erfordert.

    Darüber hinaus kann die Phagozytose durch zahlreiche pathogenassoziierte und körpereigene Moleküle beeinflusst werden, darunter Lipopolysaccharid (LPS) und Zytokine. Bestimmtes TNFα und IFNγ die Bildung und Reifung von Phagosomen vorantreiben. Dieser Prozess veranlasst die Phagozyten, Zytokine zu produzieren, die als Chemoattraktoren wirken, um die Migration und Aktivierung anderer Immunzellen zum Infektionsort zu verstärken.

    Etwas intrazelluläre Krankheitserreger, einschließlich Mycobacterium tuberculosis, haben Strategien entwickelt, um die Reifung der Phagosomen zu hemmen und können innerhalb des unreifen Phagosoms überleben und sich replizieren. Andere Krankheitserreger, wie z Escherichia coli und Neisseria-Meningitiden, haben Mechanismen entwickelt, um Opsonine zu fixieren, abzugeben und/oder abzubauen, um eine Aktivierung der Immunantwort zu verhindern und so der Immunüberwachung und Phagozytose zu entgehen.


    MATERIALEN UND METHODEN

    Reagenzien

    Herbimycin A, Genistein und Staurosporin wurden von Sigma Chemical Co. (St. Louis, MO) bezogen. Der Protein-Tyrosinkinase-Inhibitor PP2 [4-Amino-5-(4-chlorphenyl)-7-(t-butyl)pyrazolo(3,4-d)pyrimidin] und seine inaktive Kontrolle PP3 [4-Amino-7-phenylpyrazolo( 3,4-d)Pyrimidin], Piceatannol, Calphostin C, Gö 6976, PD98059 und SB203580 wurden von Calbiochem Novabiochem Corp. (San Diego, CA) bezogen. LY294002 wurde von Biomol (Plymouth Meeting, PA) bezogen. Calphostin wurde vor der Anwendung lichtaktiviert, wie vom Hersteller empfohlen.

    In allen Experimenten wurden pathogenfreie weibliche C57BL/6-Mäuse verwendet. Mäuse wurden von Charles River Laboratory (Wilmington, MA) im Alter von 7–8 Wochen gekauft und im Alter von 8–14 Wochen verwendet. Mäuse wurden in der Tierpflegeeinrichtung des Ann Arbor VA Medical Center (Ann Arbor, MI), die von der American Association for Accreditation of Laboratory Animal Care vollständig akkreditiert ist, untergebracht, wo sie mit Standard-Tierfutter (Rodent Lab Chow 5001, Purina, St. Louis, MO) und chloriertes Leitungswasser ad libitum. Diese Studie entsprach dem „Guide for the Care and Use of Laboratory Animals“ des NIH (Department of Health, Education & Welfare Publication Nr. NIH 80–23) und folgte einem vom Animal Care Committee des lokalen Institutional Review Board genehmigten Protokoll.

    Isolation und Kultur von Mø

    Mäuse wurden durch Erstickung in einem hohen CO .-Gehalt eingeschläfert2 Umgebung, die wir zuvor gezeigt haben, beeinträchtigt die Fähigkeit von AMø, apoptotische Thymozyten aufzunehmen, im Vergleich zu Mäusen, die durch Ausbluten eingeschläfert wurden, während sie mit Pentobarbital anästhesiert wurden, nicht [10]. Residente AMø und PMø wurden geerntet und kultiviert, wie zuvor ausführlich beschrieben [10]. PMø unter den peritonealen Lavagezellen wurden zuerst durch negative Selektion unter Verwendung von CD19- und CD90-konjugierten paramagnetischen Beads (Miltenyi Biotec, Auburn, CA) gemäß den Anweisungen des Herstellers angereichert. Mø wurden mit 2 × 10 5 Zellen/Well in sterilen 8-Well Lab-Tek-Objektträgern (Nalge Nunc International, Naperville, IL) ausplattiert und nach 1 h Inkubation bei 37 °C wurden nicht anhaftende Zellen durch sanftes Waschen entfernt. Mø-Monolayer wurden über Nacht in Vollmedium kultiviert [RPMI 1640 mit 10 % hitzeinaktiviertem fötalem Rinderserum (FBS), 25 mM HEPES, 2 mM L-Glutamin, 1 mM Pyruvat, 100 Einheiten/ml Penicillin/Streptomycin (alle von Gibco -BRL, Grand Island, NY) und 55 μM 2-Mercaptoethanol (Sigma Chemical Co.)] in einem 5 % CO2 Umgebung bei 37 °C vor der Verwendung im Phagozytose-Assay.

    Isolierung und Apoptose-Induktion in Thymozyten

    Thymusen wurden von normalen Mäusen geerntet und zerkleinert, um eine Einzelzellsuspension zu ergeben. Um die Apoptose zu induzieren, wurden Thymozyten mit RPMI 1640 resuspendiert, das 10 % hitzeinaktiviertes FBS in einer Konzentration von 1 × 10 6 /ml enthielt, und für 6 h mit einer Endkonzentration von 10 –6 M Dexamethason (Sigma Chemical Co.) inkubiert. Diese Behandlung ergibt eine Population mit einem geringen Prozentsatz an spätapoptotischen Zellen (11,4 ± 1,6 %, Mittelwert ± Sem , n= 7 Experimente), beurteilt durch Positivität für Annexin V und Färbung mit Propidiumiodid.

    Apoptose-Assay

    Die Leukozytenapoptose wurde durch durchflusszytometrische Analyse der Oberflächenexpression von Phosphatidylserin (PS) und Ausschluss von Propidiumiodid (PI) gemessen, einem sensitiven und spezifischen Maß für die frühe Apoptose [22, 23]. Dazu wurden 100 µl Aliquots mit Annexin V-Fluorescein Isothiocyanat (FITC Apoptosis Detection Kit, R&D Systems, Minneapolis, MN) nach Herstellerprotokoll angefärbt. Die Zellen wurden ohne Fixierung durch Durchflusszytometrie innerhalb von 1 Stunde nach der Färbung analysiert.

    Opsonisierung der roten Blutkörperchen von Ig-Schafen (SRBC)

    SRBC (Colorado Serum, Boulder 1 ml in Alsever-Lösung) wurden zweimal in 15 ml phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) ohne Kationen gewaschen. SRBC wurden resuspendiert (1,6 × 10 7 Zellen in 1,6 ml Endvolumen) in PBS, das Kaninchen-Anti-SRBC-Antiseren enthielt (Cedarlane Laboratories Ltd., Hornby, ON, Kanada 1 μg/2 × 10 6 SRBC) und wurden für 20 min bei inkubiert 37 °C. Diese Bedingungen wurden durch Agglutination als optimal bestimmt. SRBC wurden zweimal in 15 ml PBS ohne Kationen gewaschen und bei 1 × 10 7 /ml in komplettem Medium resuspendiert, und dann wurden 200 &mgr;l/Well zu den Mø-Monolayern zugegeben.

    Phagozytose-Assays

    Die Phagozytose apoptotischer Thymozyten in vitro wurde durch Koinkubation mit anhaftenden Mø-Monoschichten in Vollmedium wie zuvor beschrieben getestet [10]. Die Ergebnisse wurden als Prozentsatz von Mø ausgedrückt, der mindestens einen aufgenommenen Thymozyten enthält (Prozent phagozytischer Mø) und als phagozytischer Index, der durch Multiplizieren des prozentualen phagozytischen Mø mit der mittleren Anzahl phagozytierter Zellen pro Mø erzeugt wurde. Die Phagozytose von Ig-SRBC wurde auf genau dieselbe Weise durchgeführt, außer dass Ig-SRBC durch apoptotische Thymozyten ersetzt wurde.

    Westliche Analyse von Signalvermittlern

    Wie oben isolierte Mø wurden mit einer Dichte von 4 × 10 5 Zellen/Well in komplettem Medium in 24-Well-Gewebekulturplatten (Becton-Dickinson, San Jose, CA) ausgesät und durch Adhärenz über Nacht gereinigt. Dieses Verfahren führt zu >95% reinen Mø-Populationen, wie durch morphologische und Oberflächenmarker-Expressionsanalyse bestimmt. Apoptotische Thymozyten (4 × 10 6 /Well) wurden zugegeben und die Kulturen wurden in 5% CO&sub2; inkubiert2 bei 37 °C für verschiedene Zeiten. Als nächstes wurden Mø zweimal in Dulbecco's PBS mit 100 mM Natriumorthovanadat gewaschen und dann in 50 µl eiskaltem Lysepuffer [50 mM HEPES, pH 7,5, 150 mM NaCl, 1 mM Ethylendiamintetraacetat, 2 mM Ethylenglycol-bis(β- Aminoethylether)-N, N′-Tetraessigsäure, 1% Triton X-100, 10 mM Natriumfluorid, 1 mM Natriumorthovanadat und 1 × Protease-Inhibitor-Cocktail (Set III, Calbiochem-Novabiochem)]. Zytoplasmatische Lysate wurden in einer 12,5% Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) unter reduzierenden Bedingungen elektrophoretisiert, und Proteine ​​wurden auf eine feste Trägermembran [Polyvinylidendifluorid (PVDF), Millipore, Milford, MA] unter Verwendung von 10 mM 3 . übertragen -(Cyclohexylamino)-1-propansulfonsäure (Calbiochem-Novabiochem), pH 10,0 und 5% Methanol als Transferpuffer, wie zuvor beschrieben [24].

    Nach Inkubation der Membranen in Blockierungspuffer (5 % Protease-freies, Ig-freies Rinderserumalbumin Sigma Chemical Co.) in Tris-gepufferter Kochsalzlösung/Tween 20 (TBST 100 mM Tris-HCl, pH 7,5, NaCl 145 mM, 0,05 % Tween 20), wurden primäre Antikörper zugegeben und die Membranen wurden über Nacht bei 4°C inkubiert. Die verwendeten Antikörper waren Antipan ERK, Antipan JNKs und Antipan p38 von Santa Cruz Biotechnology (Santa Cruz, CA), Anti-IκB-α, Antiphospho-IκB-α, Antiphospho-ERK1/2 und Antiphospho-p38 von Cell Signaling (Beverly , MA) und Antiphospho-JNKs von Promega (Madison, WI). Membranen, zweimal in TBST gewaschen, wurden mit dem geeigneten Meerrettichperoxidase-konjugierten sekundären Antikörper (Pierce, Rockford, IL) inkubiert. Chemilumineszenz wurde durch Zugabe eines Substrats auf Peroxidase/Luminol-Basis (SuperSignal West Femto Maximum-Sensitivity-Substrat, Pierce) entwickelt. Die Signale wurden unter Verwendung eines Röntgenfilms (X-Omat, Kodak, Rochester, NY) nachgewiesen. Zur erneuten Probenahme wurden die Blots zweimal in TBST gewaschen und 30 min bei 55 °C in einem Puffer inkubiert, der 10 mM Tris-HCl, pH 6,8, 2 % SDS und 100 mM 2-Mercaptoethanol enthielt.

    Statistische Analyse

    Die Daten wurden als Mittelwert ± se ausgedrückt. Statistische Berechnungen wurden unter Verwendung von Statview- und SuperANOVA-Programmen (Abacus Concepts, Berkeley, CA) auf einem Macintosh PowerPC G3-Computer durchgeführt. Kontinuierliche Ratio-Skalendaten wurden von ungepaarten Student's ausgewertet T-Tests (für zwei Proben) wurde die Verwendung dieser parametrischen Statistik als angemessen erachtet, da gezeigt wurde, dass die Phagozytose apoptotischer Thymozyten durch PMø einer Gaußschen Verteilung folgt [25]. Signifikante Unterschiede wurden definiert als P < 0,05. Der IC50 der pharmakologischen Inhibitoren wurde aus Dosis-Wirkungs-Kurven unter Verwendung des Phagozytoseindex als Referenzvariable berechnet.


    Integrinabhängige Phagozytose und Gewebeumbildung

    Die Phagozytose beschränkt sich nicht auf die Beseitigung von Krankheitserregern durch professionelle Fresszellen. Es ist auch ein Mechanismus, der die Entfernung von ACs und Komponenten der ECM wie den Kollagenfibrillen ermöglicht, die während des Gewebeumbaus erzeugt werden (Lee et al., 1996 Ravichandran und Lorenz, 2007 ten Cate, 1972). Interessanterweise sind an diesen beiden Prozessen mehrere Integrine beteiligt.

    ΑVβ3, αVβ5 und Phagozytose apoptotischer Zellen

    ACs, die während der Entwicklung, des normalen Gewebeumsatzes, der Entzündung und der Reparatur entstehen, werden schnell beseitigt, um sekundäre Nekrose und die Freisetzung toxischer Materialien in die Umwelt zu vermeiden. Darüber hinaus ist die AC-Phagozytose im Allgemeinen mit einer Entzündungshemmung verbunden (Henson, 2005). Die an der AC-Phagozytose beteiligten Integrine sind αVβ3 und αVβ5, die am besten für ihre potenzielle Rolle bei der Angiogenese und Tumorzellmetastase bekannt sind (Reynolds et al., 2002 Taverna et al., 2004). Eine Vorbehandlung mit RGD-Peptiden oder mit &agr;V&bgr;3-blockierenden Antikörpern hemmt stark die Fähigkeit menschlicher Makrophagen, apoptotische Neutrophile zu phagozytieren (Savill et al., 1990). Im Gegensatz dazu verwenden DCs – Fresszellen, die auch αVβ3 exprimieren – αVβ5-Integrin, um ACs zu internalisieren (Akakura et al., 2004 Albert et al., 1998). Nichtsdestotrotz ist die integrinabhängige AC-Aufnahme in allen Fällen indirekt und wird durch MFG-E8 (Milchfettkügelchen-EGF-Faktor 8) vermittelt, ein Protein, das von Makrophagen und DCs sezerniert wird. MFG-E8 bindet Phosphatidylserin, ein „Eat-Me“-Signal, das kurz nach Induktion des apoptotischen Programms auf der Zelloberfläche exponiert wird (Akakura et al., 2004 Hanayama et al., 2002). Die entscheidende Rolle von MFG-E8 bei der Vermittlung der Erkennung von ACs durch Phagozyten wird durch die Tatsache veranschaulicht, dass die AC-Aufnahme in MFG-E8-knockout-Mäusen stark beeinträchtigt ist (Hanayama et al., 2004). Interessanterweise ist die αVβ5-vermittelte MFG-E8-abhängige Phagozytose nicht auf professionelle Phagozyten beschränkt: HEK293-Epithelzellen können auch ACs αVβ5-abhängig phagozytieren (Albert et al., 2000), ebenso wie retinale Pigmentepithelzellen während circadian-synchronisierter Phagozytose von Photorezeptoren, ein täglicher Prozess, der für das Sehen entscheidend ist (Finnemann et al., 1997 Nandrot et al., 2007 Nandrot et al., 2004).

    Die Signalwege, die die AC-Aufnahme vermitteln, wurden teilweise charakterisiert. Interessanterweise unterscheiden sie sich von denen, die durch das αMβ2-Integrin vermittelt werden (vgl. Abb. 2 und Abb. 3). Während die αMβ2-abhängige Phagozytose durch die RhoA-Aktivität vermittelt wird, ist die Integrin-abhängige AC-Aufnahme von Rac1 abhängig. Tatsächlich hemmt eine dominant-negative Mutante von Rac1 parallel die AC-Phagozytose, wobei die Spiegel von aktivem Rac1 während der AC-Challenge von Makrophagen und DCs ansteigen (Kerksiek et al., 2005 Leverrier und Ridley, 2001, Nakaya et al., 2006). Im Gegensatz dazu verstärkt eine dominant-negative RhoA-Mutante die AC-Phagozytose in Makrophagen (Leverrier und Ridley, 2001, Tosello-Trampont et al., 2003). Die Implikation von Rac1 an der AC-Aufnahme wird auch durch die Tatsache nahegelegt, dass, ähnlich wie bei der Rac1-abhängigen FcγR-vermittelten Phagozytose von IgG-beschichteten Kügelchen, die AC-Verschleißung eine Membran-Ruffling erfordert (Hoffmann et al., 2001 Ogden et al., 2001) .

    Bedeutsamerweise ist die Rolle von Rac1 bei der AC-Aufnahme phylogenetisch konserviert und wurde ursprünglich in Caenorhabditis elegans. In diesem genetisch kontrollierbaren Modellsystem wurde eine Reihe von Mutanten, denen es fehlt, sterbende Zellen und Zellleichen zu verschlingen (ced Mutanten) identifiziert. CED-Proteine ​​fallen in zwei teilweise redundante Wege (CED-1–CED-6–CED-7 und CED-2-CED-5–CED-12), die in CED-10 konvergieren, die C. elegans Ortholog von Säugetier Rac1. Im Wurm wird die lokale Aktivierung von CED-10 durch CED-5 und CED-12, Orthologe der Säugetiere Dock180 bzw. Elmo, sichergestellt. Es wird angenommen, dass CED-5 und CED-12 selbst in der Nähe von gebundenen ACs durch CED-2, das CrkII-Orthologe, rekrutiert werden (Brugnera et al., 2002 Ellis et al., 1991 Gumienny et al., 2001 Hedgecock et al. , 1983 Kinchen et al., 2005 Lu et al., 2004 Reddien und Horvitz, 2000 Wu et al., 2001 Zhou et al., 2001a).

    Bemerkenswert ist, dass der AC-Aufnahmeweg, der in C. elegans scheint bei Säugetieren konserviert zu sein. In der HEK293T-Epithelzelllinie wird die αVβ5-abhängige Phagozytose von ACs durch dominant-negative Mutanten von CrkII und Rac1 gehemmt und die Ligation von αVβ5 durch Vitronectin stimuliert die Bildung eines Komplexes zwischen p130Cas, CrkII und Dock180 (Albert et al., 2000 ). Die Rekrutierung eines CrkII-Dock180-Komplexes und die Aktivierung von Rac1 könnten jedoch von Rezeptoren abhängen, die mit Integrinen bei der Erkennung und/oder Aufnahme von apoptotischen Körpern zusammenarbeiten. Tatsächlich zeigen Makrophagen mehrere Erkennungsrezeptoren für ACs (Übersicht von Ravichandran und Lorenz, 2007). Ein solcher Rezeptor ist Mer, ein Tyrosin-Kinase-Rezeptor. Ähnlich wie Integrine bindet Mer Phosphatidylserin indirekt über das Serumprotein GAS6 (Nagata et al., 1996). Makrophagen aus Mer-Knockout-Mäuse werden bei der AC-Phagozytose sowohl in vitro als auch in vivo stark gehemmt (Cohen et al., 2002 Scott et al., 2001). Interessanterweise stimuliert Mer die Bildung eines ternären p130Cas-CrkII-Dock180-Komplexes in αVβ5-abhängiger Weise (Wu et al., 2005). Säugetier-Integrine tragen daher wahrscheinlich zusammen mit Co-Rezeptoren zur AC-Aufnahme bei. Die Bedeutung von CrkII im AC-Aufnahmeweg wurde kürzlich in Frage gestellt, da Dock180-Elmo Rac1 unabhängig von CrkII sowohl in Säugerzellen als auch in aktivieren kann C. elegans, möglicherweise über ein anderes Protein der Rho-Familie, RhoG (deBakker et al., 2004 Tosello-Trampont et al., 2007). Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass Dock180-Elmo direkt an einige Rezeptoren rekrutiert wird, z ., 2007).

    Andere phagozytäre Rezeptoren wie CD36 (Fadok et al., 1998 Greenberg et al., 2006 Lucas et al., 2006) und CD14 (Devitt et al., 1998) sind an der Bindung von ACs beteiligt und tragen zur AC-Phagozytose bei sowohl in vitro als auch in vivo. Ob sie die Signalgebung stromabwärts von αVβ5 oder αVβ3 induzieren oder modulieren, bleibt unbekannt. Insbesondere bleibt unklar, ob die Aktivierung von αVβ3 und αVβ5 durch Inside-Out-Signalgebung für die integrinabhängige Phagozytose von ACs notwendig ist und ob Co-Rezeptoren diesen Signalweg kontrollieren. Überraschenderweise konnte kürzlich gezeigt werden, dass das NPXY-Motiv von β5-Integrin zwar für die Adhäsion von Zellen an Vitronectin benötigt wird, aber für die αVβ5-abhängige Phagozytose nicht notwendig ist (Singh et al., 2007). Im Gegensatz zu β1-β3 beherbergt β5 nicht die herkömmliche Talin-Kopf-Domänen-Bindungsstelle, die durch einen Tryptophanrest gekennzeichnet ist, der sieben bis acht Aminosäuren vor dem NPXY-Motiv liegt. Es ist daher möglich, dass αVβ5 talinunabhängig aktiviert wird. Alternativ könnte die integrinabhängige AC-Phagozytose auf dem Niveau der Integrinverfügbarkeit an der Plasmamembran reguliert werden, wie kürzlich für die αVβ5-abhängige Phagozytose der äußeren Photorezeptorsegmente durch retinale Pigmentepithelzellen (RPE) gezeigt wurde. In diesen Zellen stimuliert CD81, das zur Familie der Tetraspanine gehört (Membranproteine, die die Aktivität von Oberflächenrezeptoren, einschließlich Integrinen), regulieren, die αVβ5-abhängige Phagozytose, indem es das Niveau der αVβ5-Expression an der Zelloberfläche erhöht (Chang und Finnemann, 2007) .


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