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24.1: Was ist das Immunsystem?
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What is the Immune System?
 
PROTOKOLLE

24.1: What is the Immune System?

24.1: Was ist das Immunsystem?

Overview

The immune system comprises diverse biological structures and processes that protect the body from disease. These processes can be classified into innate and adaptive immunity. To work effectively, the immune system needs to detect pathogens by distinguishing the body’s own structures from foreign elements. If this determination fails, autoimmune diseases occur in which the immune system reacts against the body’s own tissue.

The Innate Immune System Acts Fast and Non-specifically

The innate immune system is the first line of defense against infection. It comprises physical barriers and a variety of cells that act quickly and non-specifically against elements that are foreign to the host (i.e., non-self). Examples of physical barriers in mammals are skin, the lining of the gastrointestinal tract, and secretions, such as mucus or saliva. Once an invader overcomes physical barriers, cells of the inflammatory response are recruited to the entry site: mast cells release a plethora of chemicals that attract other cells of the innate immune system and activates the adaptive immune system. Phagocytic cells, such as neutrophils and macrophages, ingest and destroy pathogens. Natural killer cells, a special type of white blood cell, destroy virus-infected cells. Together, cells of the innate immune system eradicate the invader or hinder its spread, and activate the adaptive immune system.

Pattern Recognition Receptors Enable Organisms to Distinguish Self from Non-self

How can an organism distinguish its own tissue (self) from a foreign element or invader (non-self)? This ability is conferred by pattern recognition receptors (PRRs). These receptors recognize microbe-associated molecular patterns (MAMPs) that are unique to bacteria, viruses, parasites, or fungi. Examples are parts of the bacterial outer membrane or double-stranded RNA of viruses. MAMPs are not specific to a distinct species or pathogen variant but represent a hallmark of a broad class of pathogens (i.e., gram-negative bacteria or fungi). The innate immune system, therefore, acts non-specifically against pathogens.

The Adaptive Immune System Is Highly Specific

Vertebrates evolved the adaptive immune system, which stores a “memory” of a previous attack and can subsequently mount a stronger response against specific pathogens. While the innate immune system employs a broad range of cell types, the adaptive immune system relies on two kinds of white blood cells to target pathogens: B cells and T cells. While T cells are part of the cell-mediated immunity, B cells constitute the humoral branch of adaptive immunity.

B cells can directly destroy a foreign particle or differentiate into plasma cells that release antibodies. Antibodies then target the invader for destruction by other cells. T cells perform several functions, depending on their surface receptor composition and chemical arsenal. All T cells carry surface receptors that are each specific to a single antigen. After encountering the antigen, T cells can stimulate other parts of the immune system or actively destroy infected or cancerous cells. Some B and T cells remain available long after the infection has been cleared and, upon repeated exposure to the same foreign element, mount a stronger and faster immune response.

While the innate immune system acts within minutes to hours of a threat or infection, the adaptive immune system responds over days. Only the adaptive immune system “learns” (i.e., adapts) within the lifetime of an organism.

Autoimmune Diseases

Autoimmune diseases occur when the immune system does not function properly. Autoimmune diseases, generally, develop when the immune system is unable to differentiate the body’s healthy tissue from a foreign element. Typically, one of three pathological effects arises from an autoimmune disease: damage or destruction of tissues, altered organ growth, or altered organ function.

One example of such an autoimmune disease is Type 1 diabetes mellitus (T1DM). During the onset of T1DM, usually in children through early adulthood, immune cells produce antibodies that attack the insulin-producing cells of the pancreas, so-called β cells. The result is the destruction of β cells and subsequently the inability to regulate the blood sugar level. T1DM currently cannot be cured, but insulin treatment, a special diet and exercise help patients manage the disease. It is essential to diagnose the disease early and start management before all insulin-producing cells are destroyed.

Überblick

Das Immunsystem umfasst verschiedene biologische Strukturen und Prozesse, die den Körper vor Krankheiten schützen. Diese Vorgänge lassen sich in angeborene und adaptive Immunität einteilen. Um wirksam zu arbeiten, muss das Immunsystem Krankheitserreger erkennen, indem es die körpereigenen Strukturen von fremden Elementen unterscheidet. Gelingt diese Unterscheidung nicht, kommt es zu Autoimmunerkrankungen, bei denen das Immunsystem gegen körpereigenes Gewebe reagiert.

Das angeborene Immunsystem wirkt schnell und unspezifisch

Das angeborene Immunsystem bildet die erste Verteidigungslinie gegen eine Infektion. Es besteht aus physischen Barrieren und einer Vielzahl von Zellen, die schnell und unspezifisch gegen Elemente vorgehen, die dem Wirt fremd sind. Beispiele für physische Barrieren bei Säugetieren sind die Haut, die Auskleidung des Magen-Darm-Trakts und Sekrete, wie Schleim oder Speichel. Sobald ein Eindringling physische Barrieren überwindet, werden Zellen der Entzündungsreaktion an die Eintrittsstelle geschickt. Mastzellen setzen eine Fülle von Chemikalien frei, die andere Zellen des angeborenen Immunsystems anziehen und das adaptive Immunsystem aktivieren. Fresszellen, wie Neutrophile und Makrophagen, nehmen Krankheitserreger auf und zerstören sie. Natürliche Killerzellen zerstören virusinfizierte Zellen. Bei ihnen handelt es sich um eine spezielle Art von weißen Blutkörperchen. Zusammen beseitigen die Zellen des angeborenen Immunsystems den Eindringling oder verhindern seine Ausbreitung und aktivieren das adaptive Immunsystem.

Mustererkennungsrezeptoren ermöglichen es Organismen, das Eigene vom Fremden zu unterscheiden

Wie kann ein Organismus sein eigenes Gewebe von fremden Elementen oder einem Eindringling unterscheiden? Diese Fähigkeit wird durch Mustererkennungsrezeptoren (MERs) gewährleistet. Diese Rezeptoren erkennen mikrobenassoziierte molekulare Muster (MAMMs), die für Bakterien, Viren, Parasiten oder Pilze einzigartig sind. Beispiele sind Teile der bakteriellen Außenmembran oder doppelsträngige RNA von Viren. MAMMs sind nicht spezifisch für eine bestimmte Spezies oder Pathogenvariante, sondern stellen ein Kennzeichen einer breiten Klasse von Pathogenen dar (d.h. gramnegative Bakterien oder Pilze). Das angeborene Immunsystem agiert daher unspezifisch gegen Pathogene.

Das adaptive Immunsystem ist hochspezifisch

Wirbeltiere haben das adaptive Immunsystem entwickelt, welches ein “Gedächtnis” eines früheren Angriffs speichert und anschließend eine stärkere Reaktion gegen spezifische Krankheitserreger auslösen kann. Während das angeborene Immunsystem eine breite Palette von Zelltypen verwendet, stützt sich das adaptive Immunsystem auf zwei Arten von weißen Blutkörperchen, um Krankheitserreger zu bekämpfen: B-Zellen und T-Zellen. Während T-Zellen Teil der zellvermittelten Immunität sind, bilden B-Zellen den humoralen Zweig der adaptiven Immunität.

B-Zellen können ein fremdes Partikel direkt zerstören oder sich zu Plasmazellen entwickeln, die Antikörper freisetzen. Die Antikörper zielen dann auf den Eindringling ab, damit andere Zellen ihn zerstören können. T-Zellen erfüllen mehrere Funktionen, abhängig von ihrer Oberflächenrezeptor-Zusammensetzung und ihrem chemischen Arsenal. Alle T-Zellen tragen Oberflächenrezeptoren, die jeweils für ein einzelnes Antigen spezifisch sind. Nachdem sie auf das Antigen gestoßen sind, können T-Zellen andere Teile des Immunsystems stimulieren oder infizierte oder krebsartige Zellen aktiv zerstören. Einige B -und T-Zellen bleiben noch lange nach der Abheilung der Infektion verfügbar und lösen bei wiederholter Aussetzung gegenüber des gleichen fremden Elements eine stärkere und schnellere Immunantwort aus.

Während das angeborene Immunsystem innerhalb von Minuten bis Stunden nach einer Bedrohung oder Infektion wirkt, reagiert das adaptive Immunsystem über Tage. Nur das adaptive Immunsystem “lernt” (d.h. es passt sich an). Dies geschieht während der gesamten Lebensdauer eines Organismus.

Autoimmunkrankheiten

Autoimmunerkrankungen treten auf, wenn das Immunsystem nicht mehr richtig funktioniert. Autoimmunkrankheiten entstehen im Allgemeinen, wenn das Immunsystem nicht in der Lage ist, das gesunde Gewebe des Körpers von einem fremden Element zu unterscheiden. Typischerweise entsteht eine von drei pathologischen Auswirkungen einer Autoimmunkrankheit: Schädigung oder Zerstörung von Gewebe, verändertes Organwachstum oder veränderte Organfunktionen.

Ein Beispiel für eine solche Autoimmunerkrankung ist der Diabetes mellitus Typ 1 (T1DM). Während des Ausbruchs von T1DM, der in der Regel bei Kindern bis ins frühe Erwachsenenalter auftritt, produzieren Immunzellen Antikörper, die die insulinproduzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse, so genannte β-Zellen, angreifen. Das Ergebnis ist die Zerstörung der β-Zellen und in der Folge die Unfähigkeit, den Blutzuckerspiegel zu kontrollieren. T1DM ist derzeit nicht heilbar. Eine Insulinbehandlung, eine spezielle Diät und Bewegung helfen den Patienten jedoch, die Krankheit in den Griff zu bekommen. Es ist wichtig, die Krankheit frühzeitig zu diagnostizieren und mit der Behandlung zu beginnen, bevor alle insulinproduzierenden Zellen zerstört werden.


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