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1.1 T- Lymphozyten - Untergruppen und deren Funktionen
1.1 T- Lymphozyten - Untergruppen und deren Funktionen
T-Zellen sind Teil des Immunsystems des menschlichen und höheren tierischen Organismus. Sie werden zusammen mit den B-Zellen als Lymphozyten, eine Untergruppe der Leukozyten, bezeichnet. Lymphozyten gehören zur adaptiven Immunabwehr. Sie erlangen auf ihrem Reifungsweg, im Gegensatz zu Zellen des unspezifischen angeborenen Immunsystems (wie Phagozyten, polymorph-kernige neutrophile Granulozyten und dem Komplementsystem) die Fähigkeit, spezifisch auf nur ein Antigen reagieren zu können.
T-Zellen reifen aus derselben Vorläuferzelle wie die B-Zellen im Knochenmark heran und verlassen es als T-Vorläufer-Zellen, im Gegensatz zu den B-Zellen, jedoch früh durch die Blutbahn Richtung Thymus. Dort findet die vollendete Entwicklung und Differenzierung zu funktionstüchtigen T-Zellen statt. Nach der Reifung im Thymus verlassen sie diesen und zirkulieren in sekundäre lymphatische Organe, wie die Lymphknoten. Alle ausgereiften T-Zellen, die den Thymus verlassen, kennzeichnet die Expression des T-Zell-Rezeptors (t-cell receptor, TCR) auf ihrer Oberfläche. Je nach Phänotyp, Funktion und Signalmolekül-Ausschüttung werden die Zellen weiter in verschiedenen Untergruppen eingeteilt: In T-Helferzellen und ihre Subpopulationen, regulatorische T-Zellen und ihre Untergruppen, zytotoxische T-Zellen und NK-T-Zellen. Zusätzlich werden die T-Zellen in unterschiedliche Aktivierungszustände eingeteilt. Man unterscheidet hierbei naive, Effektor- und Gedächtnis-T-Zellen. Die T-Zellen, die den Thymus nach ihrer Reifung verlassen haben, werden als naive T-Zellen bezeichnet, da sie bisher noch nicht aktiviert wurden. Nach dem Eintreten in einen Lymphknoten kommt es durch Kontakt mit antigenpräsentierenden Zellen, wie beispielsweise dendritischen Zellen (DC), zur Aktivierung, Proliferation und Weiterdifferenzierung der T-Zellen. Sind die T-Zellen ausdifferenziert und haben ihre jeweiligen Funktionen aufgenommen, werden sie als Effektor-Zellen bezeichnet. Einige der T-Zellen schlagen nach ihrer Aktivierung den Weg zu Gedächtnis-T-Zellen (memory t-cell) ein. Sie verweilen in einer inaktiven Form, bis sie reaktiviert werden.
Im Folgenden wird kurz auf die einzelnen T-Zell-Subpopulationen eingegangen.
Die T-Helferzellen (TH-Zellen) exprimieren zusätzlich zum TCR den Rezeptor CD4.
Sie werden noch weiter in TH1, TH2, TFH- und TH17-Zellen unterteilt. Die
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Weiterdifferenzierung einer CD4+-T-Zelle in eine der vier Subpopulationen hängt von der Präsenz des jeweiligen Zytokinmilieus ab, das von Zellen des angeborenen Immunsystems und DC je nach Konfrontation mit mikrobiellen oder parasitären Antigenen erstellt wird.
Zytokine sind Glykopeptide, die regulatorisch auf Zellen einwirken können. Man kann im wesentlichen fünf Hauptgruppen von Zytokinen unterscheiden: Interferone, Interleukine, koloniestimulierende Faktoren (Colony-Stimulating Factor, CSF), Tumornekrosefaktoren (TNF) und Chemokine.
IFN-γ und IL-12 initiieren die Differenzierung der CD4+-T-Zellen zu TH1-Zellen (Szabo et al., 1997). TH1-Zellen schütten wiederum auch enorme Mengen an IFN-γ aus und erhalten dadurch einerseits ihren Differenzierungsweg per feed-back-Mechanismus aufrecht und wirken anderseits aktivierend auf Makrophagen (Murphy et al., 2002). IFN-γ fördert in den Makrophagen die Verschmelzung von Phagosomen mit Lysosomen, sowie die Produktion des bakteriziden Stickstoffmonoxids und reaktiver Sauerstoffradikale. Die Verschmelzung von Phagosom mit Lysosom verbessert die Peptidpräsentation der aufgenommenen Antigene.
Peptidpräsentation wird durch zwei Molekülkomplexe, Haupthistokompatibilitätskomplexe I und II (major histocompatibility complex, MHCI und MHCII) genannt, vollführt. Nur antigenpräsentierende Zellen exprimieren MHC-II, welcher wiederum auch nur von den CD4+-T-Zellen erkannt werden. Die TH1-Zellen sind somit unabdingbar für die Bekämpfung von einigen intrazellulären Bakterien und Virusinfektionen. Durch ihre IFN-γ und IL-12-Produktion besitzen selbst-reaktive TH1-Zellen jedoch auch die Fähigkeit, Organ-spezifische Autoimmunerkrankungen, wie z. B. systemischen Lupus Erythematodes, Multiple Sklerose, Diabetes mellitus Typ I und Krankheiten aus dem rheumatischen Formenkreis zu initiieren (Izui 1997; Schulze-Koorps et al., 2001; Suarez-Pinzon und Rabinovitch., 2001; Kang et al., 2006).
TH2-Zellen differenzieren sich aus den CD4+-T-Zellen durch verstärkte IL-2 und IL-4-Produktion in ihrem Umfeld (Le Gros et al., 2008). Sie sind der Schlüssel für die Aktivierung der humoralen Abwehr. Als humorale Immunantwort wird die Antikörperproduktion der B-Zellen bezeichnet. Bis vor einigen Jahren war es den TH2-Zellen vorbehalten, dass nur sie die B-Zellen zur Hochregulation der kostimulatorischen Moleküle CD40 und MHCII, sowie zur Proliferation und Differenzierung in Plasmazellen anregen. Plasmazellen produzieren als humorale Immunantwort die neutralisierenden Antikörper gegen den jeweiligen Angreifer (Abbas et al., 1990). Um diese Fähigkeit zu erlangen, müssen die B-Zellen einen Klassenwechsel ihrer Antikörpermoleküle (isotype switch) von IgM zu IgA, IgG oder IgE vollziehen. Die mit TH2-Zell-Hilfe produzierten löslichen Antikörper sind somit für die
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jeweilige Bekämpfung von extrazellulären Pathogenen, insbesondere gegen Würmer, notwendig. Des Weiteren aktivieren die TH2-Zellen durch die Ausschüttung von IL-5, IL-10 und IL-13 Mastzellen, eosinophile und basophile Granulozyten (Romagnani, 1991). Bei Dysregulation in Richtung TH2-Zellen kommt es zu Störungen wie Allergien und Asthma (Hashimoto et al., 1992).
Es wurde in den letzten Jahren jedoch präzisiert, dass es sich hauptsächlich um follikuläre T-Helfer-Zellen (TFH-Zellen) handelt, die B-Zellen Hilfe zur Antikörperproduktion geben. TH1- und TH2-Zellen leiten die B-Zell-Antworten nur in eine bestimmte Richtung, da beispielsweise die TH2-Zellen durch IL-4 Stimulation B-Zellen alleinig zum isotype switch zu IgE, gegen Parasiten, anregen. TFH-Zellen charakterisieren sich durch die Expression des Chemokinrezeptors CXCR5, dem kostimulatorischen Molekül ICOS und CD40L. Sie differenzieren sich aus naiven T-Zellen durch IL-21-Stimulation aus dem Umfeld. Mit Hilfe von CXCR5 können sie in das Keimzentrum der Lymphknoten eintreten und dort durch ihre Produktion von Zytokinen, wie IL-4, IL-10, IL-21 und IFN-γ, die B-Zellen zur jeweils benötigten Antikörperproduktion anregen (King et al., 2008).
In den letzten Jahren wurde eine weitere T-Helfer-Zell-Subpopulation entdeckt (Harrington et al., 2005; Park et al., 2005). Sie wird auf Grund ihrer Fähigkeit zur hohen IL-17-Produktion als TH17-Zellen bezeichnet. TH17-Zellen werden durch die massive IL-17-Ausschüttung besonders zur Abwehr und Bekämpfung von einigen extrazellulär vorkommenden Bakterien, wie Propionibacterium acnes, Klebsiella pneumoniae, Bacteroides, Boerrelia spp., und pilzähnlichen Erregern wie Pneumocystis carinii und Candida albicans benötigt (Infante-Duarte et al., 2000; Ye et al., 2001; Huang et al., 2004;
Khader et al., 2007; Rudner et al., 2007). Durch ihre starke IL-17 Produktion sind TH 17-Zellen maßgeblich an der Verursachung der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE), ein Mausmodell für die Multiple Sklerose, beteiligt (Aranami et al., 2008). Die Differenzierung der TH17-Zellen aus den CD4+-T-Zellen erfordert den Transformierenden Wachstumsfaktor (Transforming Growth Factor, TGF) und gleichzeitige Stimulation mit IL-6 oder IL-21.
Je nachdem, durch welche Zytokine die Triggerung des TH-Zellen-Differenzierung bestimmt wird, werden die anderen Differenzierungswege blockiert und der jeweils eigeschlagene Weg unterstützt und gefördert (Szabo et al., 2003; Kaplan et al., 1996).
Der Differenzierungsweg der TH17-Zellen ist reziprok zu dem Entwicklungsgang einer regulatorischen T-Zellen (TREG)-Subpopulation. Diese TREG-Untergruppe differenziert sich aus CD4+-T-Zellen unter Stimulation von TGF in Verbindung mit IL-2 (Burchill et al., 2x
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2007), IL-7 und IL-15 (Vang et al., 2008). TGF induziert hierbei die Expression des Transkriptionsfaktors Forkhead-Box-Protein P3 (Foxp3), ein für diese TREG-Subpopulation unabdingbares Zellkern-Protein, welche wiederum von IL-6 und IL-21 gehemmt wird. TREG
werden auf Grund ihrer Funktion deshalb regulatorische T-Zellen genannt, da sie in der Peripherie Toleranz regulieren. Dies vollführen sie, indem sie die gegen Selbst-Antigen-gerichteten T-Zellen unterdrücken und/oder zerstören (Takahashi et al., 1998), die Antigenpräsentation und Kostimulation der Antigen-präsentierende Zellen vermindern (Cederbom et al., 2000), sowie die Antikörper-Produktion durch B-Zellen unterdrücken (Ludwig-Portugall et al., 2008). TREG lassen sich an Hand ihres Phänotyps, der Zytokinproduktion und Funktion weiter unterteilen in CD4+CD25+FoxP3+ TREG, TR1-Zellen, Typ3-T-Helferzellen (TH3-Lymphozyten) und neutrale Killer-T-Zellen (NK-T-Zellen).
CD4+CD25+FoxP3+ TREG entstehen im Thymus. Auf welchen verschiedenen Wegen die TREGs ihre regulatorische Funktionen gegenüber FoxP3--Zellen ausüben, ist bis heute Teil reger Diskussion. Mehrere Theorien zeigen sich aus in vitro-Versuchen als erwiesen, wobei deren Bestätigung in vivo teilweise noch ausstehen. Einige Theorien seien hier erwähnt.
Gemäß Thornton und Stevach (1998) und Oberle (2007) induzieren die TREG Apoptose, indem sie durch ihre starke IL-2 Auszährung die Produktion der mRNA von IL-2 und weiteren Effektor-Zytokinen in den Ziel-Zellen verhindern. Dies führt zum Proliferations-Stillstand der Zellen und weiter zur Apoptose durch den proapoptotischen Faktor Bim (Pandiyan et al., 2007).
Eine weitere Theorie über die Wirkungsweise der TREG beschäftigt sich mit der Sekretion von Suppressor-Zytokinen. Diesbezüglich entdeckten Collison et al. (2007) das neues Zytokin, IL-35, das in Zellen einen Zell-Zyklus-Stillstand indizieren kann.
Ein weiteres Molekül, das bei den Zell-Zell-Interaktionen eine Rolle zu spielen vermag, ist das Galektin-1, zugehörig zu der β-Galaktosidase-bindende-Protein-Familie. Von TREG
sekretiertes Galaktin-1 bindet an verschiedene Glykoproteine wie CD45, CD43, CD7, und führt mitunter zum Zell-Zyklus-Stillstand sowie zur Apoptose. Des Weiteren inhibiert es die Produktion von proinflammatorischen Zytokinen (Garín et al., 2007). Der letzte hier beschriebene Vorgang der TREG beschreibt die Zellzytolyse. Grossman et al. (2004) beschreibt, dass die Zytolyse durch den Perforin/Granzym-Weg, unabhängig des Fas-FasL-Weges, erfolgt. Dem gegenüber demonstriert Gondek et al. (2005) eine durch Granzym B herbeigeführte Apoptose, die unabhängig von Perforin initiiert wird.
Einheitlicher beschrieben sind die Funktionswege der TREG bezüglich der APC. Es seien im Folgenden einige beschrieben. TREG binden mit ihrem Oberflächenprotein LFA-1 an das
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ICAM-1 auf den APC und anschließend mit ihrem CTLA-4 an die kostimulatorischen Moleküle CD80 und CD86 seitens der APC. Durch die daraus resultierenden Signale kommt es zu einer Herunterregulation von CD80/86 und folgend zur verminderten Kostimulationsfähigkeit seitens der APC auf naive CD4+-T-Zellen. Dieser Prozess erfolgt auch in Anwesenheit von stark DC aktivierenden Stimuli, wie LPS, Zymosan und IFN-γ (Onishi et al., 2008). Ein weiteres Oberflächenprotein der TREG, LAG-3 (CD223), bindet mit höherer Affinität als CD4 an MHCII-Moleküle. Bei unreifen DC übermittelt diese Bindung Signale, die zur Unterdrückung der DC-Reifung und verminderter Stimulations-Fähigkeit führen (Liang et al., 2008). Des Weiteren exprimieren TREG das Protein CD39, welches ATP und AMP hydrolysiert. ATP wird z.B. durch zerstörte Zellen freigesetzt. TREG spalten das ATP mit Hilfe von CD39 und reduzieren dadurch proinflammatorische DC-Stimulation (Deaglio et al., 2007). Mutationen im FoxP3 führen im Menschen zum XPED-Syndrom (X-linked polyendocrinopathy, immunodeficiency and diarrhea syndrome) (Wildin et al., 2001), welches sich durch Diabetes Typ I und Diarrhoen bereits im Neugeborenen-Alter, sowie Autoimmunreaktionen gegen viele Organe des Körpers äußert.
TR1-Zellen kennzeichnen sich dadurch aus, dass sie enorme Mengen an IL-10 und TGF-β ausschütten. TR1-Zellen sind für die Immunregulation bedeutend, da sie die TH1- und TH2-vermittelte Immunantwort auf Pathogene, Tumore und Selbst-Antigene durch IL-10 und TGF-β supprimieren (Groux, 2003).
Typ3-T-Helferzellen sezernieren größere Mengen an TGF-β und vermitteln insbesondere nach oraler Antigen-Stimulation die IgA-Produktion. Sie haben wie die TR 1-Zellen supprimierende Eigenschaften gegenüber TH1- and TH2-Zellen. (Weiner, 2001).
NK-T-Zellen exprimieren das Molekül NK1.1 und sind eine besondere TREG -Unterpopulation. Sie besitzen zwar den Zell-Rezeptor (TCR) und gehören deshalb der T-Zell-Familie an, binden aber statt an MHC-Moleküle auf antigenpräsentierenden Zellen an das CD1d-Molekül. CD1d-Moleküle sind MHC-Komplexen ähnlich, präsentieren im Gegensatz zu Peptiden jedoch Glykolipide. Sind NK-T-Zellen aktiviert, haben sie durch starke Ausschüttung von IL-4, IFN-β und -γ, IL-10 und GM-CSF (granulocyte macrophage colony-stimulating factor) große aktivierende Stimulationskraft gegenüber dendritische Zellen, T-, B- und weiteren NK-T-Zellen (Biron et al., 1999).
Zytotoxische T-Zellen (cytotoxic t-cells, CTL) erkennen mit ihrem Ko-Rezeptor CD8 alle Peptide, die ihnen durch MHC-I-Moleküle präsentiert werden. MHC-I wird, im Gegensatz zu MHCII, von jeder kernhaltigen Zelle exprimiert. Dadurch erkennen CTL viral
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infizierte Zellen und sind in der Lage, durch verschiedene Wege, wie Fas- oder Perforin-induzierten Signalwege, die Apoptose dieser Zelle einzuleiten (Andersen et al., 2006).
T-Gedächtniszellen gibt es sowohl mit dem CD4+- als auch mit dem CD8+-Phänotyp.
Sie differenzieren sich nach ihrer ersten Aktivierung durch Antigene weiter in einen inaktiven Zustand. In diesem Status können sie für Jahre überleben, bis sie demselben Antigen wieder begegnen und von ihm reaktiviert werden. Dabei schütten sie in kurzer Zeit enorme Mengen an Zytokinen aus und steigern die Vermehrung von antigenspezifischen T-Zellen um das 10- bis 100-fache.