Obwohl das adaptive Immunsystem 4 bis 7 Tage benötigt, um eine wirksame Immunantwort zu entwickeln, kann es die Bedrohungen für den Wirtskörper sehr viel spezifischer erkennen.
Das adaptive Immunsystem besteht aus B-Zellen und T-Zellen, die zu den Lymphozyten gehören. Die B-Zellen können nach ihrer Aktivierung proliferieren und Antikörper sezernieren, die spezifische Strukturen erkennen und binden können. Durch die anschließende Präsenz der Antikörper im Blut wird gegen bestimmte Pathogene eine dauerhafte Immunität generiert, die den Wirtskörper schützt. Somit sind B-Zellen ein sehr wichtiger Bestandteil des adaptiven Immunsystems, und durch die Produktion spezifischer Antikörper sind sie auch Teil einer humoralen Immunantwort.
Ein weiterer Vorteil des adaptiven Immunsystems ist die Bildung eines immunologischen Gedächtnisses, wodurch der Körper, beispielsweise auf eine erneute Infektion durch das
gleiche Virus, schneller reagieren kann als bei einer erstmaligen Infektion. Dadurch kommt es zu einer schnelleren Proliferation von B-Zellen und T-Zellen, die Antikörper sezernieren bzw.
zu Effektorzellen differenzieren und das Antigen schneller beseitigen. Nachdem das Antigen erfolgreich bekämpft wurde, kommt es anschließend zu einer weiteren Differenzierung der adaptiven Immunzellen. Dabei bleiben nur die langlebigen Gedächtnis-B-Zellen und Gedächtnis-T-Zellen am Leben, wohingegen die kurzlebigen Effektorzellen absterben.
Im Gegensatz zu B-Zellen bewirken die T-Zellen eine zellvermittelte Immunität, wobei mehrere Arten von T-Zellen existieren, die unterschiedliche Co-Rezeptoren auf ihrer Oberfläche exprimieren und unterschiedliche Funktionen aufweisen. Dazu gehören die CD4 T-Zellen, die die von APCs präsentierten Peptid:MHC-Klasse-II-Komplexe mit Hilfe ihres T-Zell-Rezeptors (T cell receptor, TCR) spezifisch erkennen können. Die CD4 T-Zellen sind als Typ1 T-Helferzellen (Th1) in der Lage den professionellen cytotoxischen CD8 T-Zellen Hilfe zu leisten, indem sie Cytokine sezernieren, insbesondere Interleukin-2 (IL-2), oder durch Zell-Zell-Kontakt über spezielle Rezeptoren Co-Stimulation vermitteln (Bevan, 2004).
Darüber hinaus können CD4 T-Zellen ebenfalls cytotoxisch wirken und sowohl Pathogene und Tumorzellen beseitigen (Takeuchi and Saito, 2017). Die Typ2 T-Helferzellen (Th2) sind CD4 T-Zellen, die durch die Ausschüttung von IL-4 eine B-Zell-vermittelte Immunantwort fördern, wobei gleichzeitig eine Th1-Immunantwort unterdrückt wird. Es gibt außerdem noch die Th17-Helferzellen (Th17), die durch die Ausschüttung von IL-17 definiert werden (Park et al., 2005). Die Th17-Helferzellen spielen eine Rolle bei der Entstehung von Autoimmunität, können aber auch eine Abstoßung von Tumorzellen bewirken (Bettelli et al., 2007; Muranski et al., 2008). Zu den CD4 T-Zellen gehören auch die regulatorischen T-Zellen (Tregs), die als CD4+ CD25+ FoxP3+ T-Zellen beschrieben werden (Ramsdell, 2003). Die Tregs sind Suppressor-T-Zellen, die vorwiegend in der Peripherie durch die Ausschüttung von anti-inflammatorischen IL-10 und transformierendem Wachstumsfaktor-beta (transforming growth factor β, TGF-β) immunsuppressiv auf Effektor-T-Zellen wirken und so Toleranz induzieren können. Ein für die Immunabwehr sehr bedeutender Typ von T-Zellen sind die CD8 T-Zellen. Sie können mit antigenpräsentierenden Zellen interagieren und die präsentierten Peptid:MHC-Klasse-I-Komplexe spezifisch mittels ihrem T-Zell-Rezeptor erkennen. Durch die somatische Rekombination von genetischen Abschnitten (V(D)J-Rekombination) erreichen die TCRs von T-Zellen eine sehr hohe Variabilität. Aufgrund dieser Variabilität entsteht ein großes Repertoire an T-Zellen, und somit an T-Zell-Klonen mit unterschiedlichen Spezifitäten, mit deren Hilfe das Immunsystem eine große Vielzahl verschiedener Peptid:MHC-Komplexe spezifisch erkennen kann. Zur
Vermeidung von Autoimmunität seitens des adaptiven Immunsystems gibt es die zentrale Toleranz, die dafür sorgt, dass möglichst alle autoreaktive Zellen aus dem Repertoire der B- und T-Zellen entfernt werden. Dadurch wird vermieden, dass eine adaptive Immunantwort körpereigene Strukturen erkennt und angreift. Damit eine naive (also Antigen-unerfahrene) CD8 T-Zelle aktiviert wird, muss sie im Lymphknoten ihr entsprechendes Peptid:MHC-Klasse-I-Komplex auf der Oberfläche einer antigenpräsentierenden Zelle spezifisch erkennen. Die Interaktion zwischen TCR und Peptid:MHC-Komplex ist jedoch nicht ausreichend, um die T-Zelle zu aktivieren, sondern löst stattdessen bei der T-Zelle Anergie aus. Eine anerge T-Zelle kann dann keine Immunantwort gegen das spezifische Antigen ausführen. Für die Aktivierung benötigen naive CD8 T-Zellen zusätzlich zur Erkennung des Peptid:MHC-I-Komplexes durch ihren TCR (Signal 1) auch eine Co-Stimulation durch die antigenpräsentierende Zelle (Signal 2). Auf der Oberfläche von naiven CD8 T-Zellen wird konstitutiv der co-stimulierende Rezeptor CD28 exprimiert, das an seine Liganden CD80 (B7-1) und CD86 (B7-2) auf der Oberfläche der antigenpräsentierenden Zelle bindet und dadurch eine starke Co-Stimulation an die T-Zelle vermittelt (Jenkins et al., 1991; Harding and Allison, 1993). Zusätzlich ist für die Proliferation von T-Zellen auch eine Ausschüttung von inflammatorischen Cytokinen (Signal 3) forderlich (Haring et al., 2006).
Hierbei fungiert das durch dendritische Zellen produzierte IL-12 als T-Zell-stimulierendes Cytokin und beschleunigt die Differenzierung von naiven T-Zellen zu Effektor-T-Zellen (Curtsinger et al., 1999). Ebenso können Interferone (IFNα, IFNβ, IFNγ) stimulierend auf T-Zellen wirken und ihre Expansion fördern (Curtsinger et al., 2005; Whitmire et al., 2005).
Zusätzlich können T-Zellen auch selbst IL-2 produzieren, um ihre Proliferation zu beschleunigen. Die ausdifferenzierten cytotoxischen CD8 Effektor-T-Zellen verlassen die lymphatischen Gefäße und treten in die Blutbahn ein. Durch die Blutzirkulation werden die T-Zellen in die Peripherie gebracht und können somit schließlich an den jeweiligen Ort der Inflammation und in die Organe migrieren, um ihr spezifisches Antigen zu bekämpfen. Wenn die CD8 Effektor-T-Zelle ihr Antigen auf Körperzellen erkennt, in Form von präsentierten Peptid:MHC-Klasse-I-Komplexen, werden die entsprechenden Zellen direkt getötet. Es gibt diverse Mechanismen mit derer Hilfe CD8 T-Zellen die spezifisch erkannten Zielzellen töten können (Harty et al., 2000). Zum einen können die cytotoxischen CD8 T-Zellen lytische Granula freisetzen, die Perforin und Granzym B enthalten. Perforin bildet porenartige Strukturen in der Membran der Zielzelle, durch die Granzym B in die Zelle gelangt und anschließend die Apoptose der Zielzelle induzieren kann. Außerdem wirken die CD8 T-Zellen cytotoxisch durch die Sekretion der proinflammatorischen Cytokine Interferon
gamma (IFNγ) und Tumornekrosefaktor alpha (TNFα). Zusätzlich bewirkt das IFNγ bei Zellen eine generelle Erhöhung der Expression von Molekülen der MHC-Klasse-I, wodurch den CD8 T-Zellen vermehrt Peptid:MHC-Klasse-I-Komplexe präsentiert werden. Dadurch wird eine Erkennung von Zielzellen mittels TCR begünstigt. Darüber hinaus inhibiert IFNγ direkt die virale Replikation und aktiviert Makrophagen, die zur Quelle der Inflammation migrieren, um Pathogene zu phagozytieren. Die Produktion von IFNγ geht somit direkt mit der cytotoxischen Aktivität von CD8 T-Zellen einher (Ghanekar et al., 2001). Das Cytokin TNFα agiert in Synergie mit IFNγ bei der Hochregulation von Molekülen der MHC-Klasse-I und kann zusätzlich Nekrose bei Tumorzellen auslösen (Marley et al., 1989; Liu et al., 2011).
In der Grundlagenforschung wird der adoptive Transfer von T-Zellen eingesetzt, um immunologische Fragestellungen zu beantworten. Dabei wird unter anderem auch das Thy1/OT-I-System verwendet. Beim OT-I-System (OVA transgenic-I T-cell receptor), handelt es sich um CD8 T-Zellen, die transgen für einen T-Zell-Rezeptor sind (OT-I-Rezeptor). Somit können diese CD8 T-Zellen (OT-I-Zellen) das OVA257–264 Epitop SIINFEKL H-2Kb-restringiert erkennen. Dabei werden die Mäuse für Versuchszwecke so gezüchtet, dass die CD8 T-Zellen außer dem transgenen OT-I-TCR auch den Membranrezeptor CD90.1 (Thy1.1) auf ihrer Oberfläche aufweisen. Dadurch sind sie nach adoptivem Transfer unterscheidbar von der endogenen CD8 T-Zell-Population in den Empfänger-Mäusen, die positiv für CD90.2 (Thy1.2) ist. Seit seiner Etablierung findet dieses Modell vielmals Verwendung in der immunologischen Grundlagenforschung (Hogquist et al., 1994; Foulds et al., 2002; Pham et al., 2009).