Pädiatrische Rheumatologie
Autoren
Thomas Kamradt

T-Lymphozyten in der pädiatrischen Rheumatologie

T-Lymphozyten (T-Zellen) sind wesentlich für protektive und pathogene Immunantworten. Sie sind wichtige Effektorzellen des Immunsystems und erfüllen bedeutende Aufgaben bei der Initiation und der Regulation von Immunantworten. Die Antigenrezeptoren der T-Zellen (T-Zell-Rezeptor, TZR) werden im Thymus durch den Prozess der somatischen Rekombination gebildet. Dadurch entsteht zwar ein nahezu unbegrenztes Repertoire an TZRs, allerdings können so auch autoreaktive TZRs rekombiniert werden. Durch Selektionsprozesse im Thymus werden gefährliche TZRs weitgehend eliminiert. Ebenfalls im Thymus wird entschieden, ob eine T-Zelle zu einer CD4+-T-Helfer (Th) oder zu einer CD8+ zytotoxischen T-Zelle differenziert. Außerhalb des Thymus entwickeln die T-Zellen dann unterschiedliche Effektorfunktionen. Hierzu sind instruktive Signale von antigenpräsentierenden Zellen wichtig. Die Toleranz gegenüber Selbstantigenen wird durch zelluläre Interaktionen auch außerhalb des Thymus aufrechterhalten.

Grundlagen zur Funktion der T-Zellen

T-Lymphozyten (T-Zellen) nehmen bei der Bildung von Immunantworten eine wesentliche Rolle ein, da sie einerseits wichtige Effektorzellen des Immunsystems sind und andererseits bedeutende Aufgaben bei der Initiation, der Aufrechterhaltung und der Regulation von Immunantworten erfüllen. Wohl am deutlichsten wird die zentrale Rolle dieser Zellpopulation am Beispiel der HIV-Infektion illustriert, in deren Folge es aufgrund eines zunehmenden Mangels an T-Helferzellen zu opportunistischen Infektionen kommt, die letztendlich tödlich verlaufen.
Alle T-Zellen besitzen einen Antigenrezeptor, den T-Zell-Rezeptor (TZR), und exprimieren zusätzlich Korezeptoren, anhand derer sich eine erste funktionelle Unterteilung vornehmen lässt. Es gibt T-Zellen, die den Korezeptor CD8 exprimieren. Diese werden auch als zytotoxische T-Zellen bezeichnet. Diese CD8-positiven (CD8+) zytotoxischen T-Zellen sind darauf spezialisiert, infizierte Körperzellen zu erkennen und zu töten. Ihr T-Zell-Rezeptor erkennt Antigene im Kontext mit MHC-Klasse-I-Molekülen. MHC-Klasse-I-Moleküle werden auf der Membran aller kernhaltigen Zellen exprimiert. Sie präsentieren Antigene, die aus dem Zytosol stammen, also von der Zelle selbst produziert wurden. Dabei handelt es sich normalerweise um zelleigene Proteine, die keine Aktivierung der zytotoxischen T-Zellen induzieren. Bei Infektionen mit Viren oder anderen intrazellulären Erregern werden jedoch auch virale bzw. mikrobielle Proteine von der infizierten Zelle produziert und gelangen mit den MHC-Klasse-I-Molekülen auf die Zellmembran, wo sie von CD8+-T-Zellen erkannt werden können. Durch die Zerstörung der infizierten Zellen verhindern zytotoxische T-Zellen die Bildung neuer viraler Partikel.
CD4-positive T-Zellen werden als T-Helferzellen (Th) bezeichnet. Sie erkennen Antigene, die von MHC-Klasse-II-Molekülen präsentiert werden. MHC-Klasse-II-Moleküle werden normalerweise ausschließlich von professionellen antigenpräsentierenden Zellen exprimiert; dazu zählen dendritische Zellen, Makrophagen und B-Zellen. Bezüglich ihrer Effektorfunktion stellen CD4+-T-Zellen eine heterogene Zellpopulation dar. So können sie unter anderem Makrophagen und andere Effektorzellen des angeborenen Immunsystems aktivieren und die Bildung von Immunglobulinen durch B-Zellen steuern. Diese vielfältigen und hocheffektiven Funktionen ermöglichen die erfolgreiche Abwehr fast aller Pathogene durch das Immunsystem. Eine inadäquate oder fehlregulierte T-Zell-Antwort ist an der Entstehung von Autoimmunerkrankungen wie Typ-1-Diabetes, multipler Sklerose oder rheumatoider Arthritis, aber auch von allergischen Erkrankungen beteiligt.

Entwicklung von T-Zellen

T-Zellen entwickeln sich wie alle Zellen des Immunsystems aus undifferenzierten Vorläufern, den hämatopoetischen Stammzellen. Die lymphoiden Vorläuferzellen entstehen im Knochenmark aus pluripotenten Stammzellen. Während die B-Lymphozyten im Knochenmark ausreifen und als funktionsfähige Zellen ins Blut gelangen, wandern unreife T-Zell-Vorläufer aus dem Knochenmark über das Blut in den Thymus ein. Dort finden alle wesentlichen Entwicklungsschritte vom T-Zell-Vorläufern bis hin zur reifen T-Zelle statt. Eine Aplasie des Thymus, beispielsweise beim DiGeorge-Syndrom, führt zu einer drastisch verringerten Anzahl der peripheren T-Zellen und damit der zellulären Immunantwort und der T-Zell-abhängigen Antikörperproduktion. Wesentliche Teile der intrathymischen Entwicklung und Reifung von T-Zellen sind die Generierung der T-Zell-Rezeptoren sowie die positive und negative Selektion der T-Zell-Vorläufer.

Entstehung der Diversität der T-Zell-Rezeptoren

Die Antigenrezeptoren der T-Zellen (T-Zell-Rezeptoren, TZR) bestehen aus zwei Ketten, entweder einer α- und einer β-Kette oder einer γ- und einer δ-Kette. T-Zellen mit einem αβ-TZR stellen mit >90 % den Hauptanteil der T-Zellen im Organismus. T-Zellen mit einem γδ-TZR kommen vorwiegend als intraepitheliale T-Zellen vor und unterscheiden sich in Antigenspezifität und Funktion deutlich von αβ-T-Zellen. Die physiologische Funktion der γδ-T-Zellen ist immer noch nicht sicher bekannt. Deshalb werden im Folgenden nur die αβ-T-Zellen besprochen.
Eine weitere Zellpopulation, die einen T-Zell-Rezeptor exprimiert, sind natürliche Killer-T-Zellen (NKT-Zellen). Diese Zellen exprimieren sowohl T-Zell- als auch NK-Zell-Marker. Ihre Rolle in der Pathogenese von Autoimmunerkrankungen ist derzeit noch so unklar, dass auf ihre nähere Beschreibung hier verzichtet wird.
Wie Immunglobuline sind auch T-Zell-Rezeptoren nicht durch ein einzelnes Gen im Erbgut kodiert, sondern entstehen durch Rekombination (auch als Umlagerung bezeichnet) einzelner Gensegmente während der Entwicklung jeder T-Zelle. Diese Gensegmente werden als V-Gene (variable), D-Gene (diversity), J-Gene (joining) und C-Gene (constant) bezeichnet. Jede TZR-β-Kette besteht also aus jeweils einem V-, D-, J- und C-Element; die TZR-α-Ketten weisen keine D-Elemente auf, bestehen also aus jeweils einem V-, J- und C-Element. Die Segmente, aus denen die α-Kette entsteht, liegen auf Chromosom 14 und bestehen aus 70 Vα, 61 Jα und einem C-Gen, während die für die β-Kette kodierenden Gensegmente (52 Vβ, 13 Jβ, 2 Dβ und 2 Cβ) auf Chromosom 7 liegen (Abb. 1).
Der erste Schritt in der Generierung eines TZR besteht in der erfolgreichen Rekombination der Gene für die β-Kette. Diese erfolgt zunächst durch die Zusammenlagerung eines Vβ- mit einem Jβ-Segment zu einem VJβ-Segment. Im zweiten Schritt lagert sich dieses VJβ-Segment mit einem D-Segment zu einem VDJβ-Gen zusammen. Dieses rearrangierte VDJβ ergibt zusammen mit einem Cβ-Segment die komplette TZR-β-Kette. Durch die hohe Anzahl verschiedener V-, D- und J-Gene können allein durch die Rekombination dieser Gene >2000 verschiedene β-Ketten generiert werden. Diese Diversität durch Rekombination wird noch dadurch erhöht, dass an den Verbindungsstellen der einzelnen Gensegmente zufällig Nukleotide eingefügt werden können.
Die rearrangierte TZR-β-Kette wird zunächst zusammen mit einer invarianten Surrogat-α-Kette (und dem CD3-Komplex, s. unten) auf der Zelloberfläche exprimiert. Die Expression dieses Prä-T-Zell-Rezeptors hat mehrere Konsequenzen:
  • Erstens wird eine weitere Rekombination der für die β-Kette kodierenden Gene unterdrückt, sodass jede T-Zelle nur eine β-Kette exprimieren kann. Dies bezeichnet man als allelische Exklusion.
  • Zweitens führt die Aktivierung des Prä-TZR zu einer Proliferation der T-Zell-Vorläufer.
Dadurch kommt es zu einer Expansion der T-Zell-Vorläufer mit diesem erfolgreich rekombinierten TZR-β-Ketten-Locus. Nach dem Ende der proliferativen Phase ist jede dieser T-Zellen mit gleichartig rearrangierter β-Kette in der Lage, individuell die Gene für die α-Kette zu rearrangieren. Das bedeutet, dass beliebige Kombinationen aus der rearrangierten β-Kette mit einer rearrangierten α-Kette gebildet werden können. Dies bezeichnet man als kombinatorische Diversität. Die Rekombination der TZR-α-Kette erfolgt genauso wie die Rekombination der β-Ketten-Gene, mit der Ausnahme, dass für die α-Kette keine D-Gensegmente existieren.
Bemerkenswert an der Rekombination der TZR-Gene ist die enorme Anzahl der möglichen T-Zell-Rezeptoren, die hierdurch entstehen können. Allein die Kombination der verschiedenen Gensegmente erlaubt knapp 6 Mio verschiedene TZR. Durch das zufällige Einfügen von Nukleotiden an den Verbindungsstellen der einzelnen Gensegmente wird die Anzahl der theoretisch denkbaren T-Zell-Rezeptoren auf >1016 erhöht.
Der extrazelluläre Teil der α- und der β-Kette besitzt eine konstante und eine variable Region. Für die variablen Regionen kodieren die V- und J-Segmente (und D-Segmente bei der β-Kette) der rearrangierten Keimbahn-DNA, während die C-Gene für den konstanten Anteil der Ketten kodieren. Die variable Region beider Ketten zusammen bildet den antigenbindenden Teil des TZR. Beide Ketten sind kovalent miteinander verbunden. Sie besitzen beide eine Transmembranregion und einen kurzen zytoplasmatischen Teil. Der zytoplasmatische Teil der TZR-Ketten selbst besitzt keine Bindungsstellen für Signaltransduktionsmoleküle. Die αβ-Kette ist daher immer gemeinsam mit einem Komplex verschiedener invarianter Moleküle exprimiert, die die Signaltransduktion in die Zelle vermitteln. Dieser Komplex wird als CD3-Komplex bezeichnet und besteht aus zwei ε-, einer γ- und einer δ-Kette, die auf der Zelloberfläche exprimiert werden, sowie zwei intrazellulären ζ-Ketten. Alle diese Ketten besitzen sogenannte ITAM (immunoreceptor tyrosine-based activation motif), an denen durch Phosphorylierung von Tyrosinresten die Signaltransduktionskaskade in Gang gesetzt wird.
Die Diversität der T-Zell-Rezeptoren entsteht durch 3 Mechanismen:
  • In jeder T-Zelle werden die Gene für die α- und β-Untereinheiten rearrangiert (Diversität durch Rekombination).
  • Dabei können an den Verbindungsstellen der einzelnen Gensegmente noch zufällig Nukleotide eingefügt werden (junktionale Diversität).
  • Die zufällige Kombination der rearrangierten α- und β-TZR-Ketten wird als kombinatorische Diversität bezeichnet.

MHC-Restriktion von T-Zellen

Im Gegensatz zu B-Zellen können T-Zellen keine löslichen Antigene erkennen. Prinzipiell können T-Zellen durch Pathogene oder deren Bestandteile nicht direkt aktiviert werden. Außerdem erkennen T-Zellen ausschließlich Peptide, und ignorieren demzufolge alle anderen chemischen Substanzklassen. Jedes Antigen muss also zunächst in der Zelle in Peptide zerlegt werden und wird dann von bestimmten Molekülen gebunden, die sie schließlich den T-Zellen präsentieren. Diese für die Antigenpräsentation spezialisierten Moleküle werden als MHC-Moleküle (major histocompatibility complex-Moleküle) bezeichnet.
Die Gene, die für die MHC-Moleküle kodieren, sind beim Menschen auf dem Chromosom 6 lokalisiert. Man unterscheidet 3 Klassen von MHC-Genen: Klasse-I- und Klasse-II-Gene kodieren unter anderem für die Moleküle, mit denen Antigene präsentiert werden, während Klasse-III-Gene für verschiedene andere Moleküle kodieren, die für die Immunabwehr wichtig sind (z. B. Komplementfaktoren, Tumornekrosefaktor). Beim Menschen werden diese Gene als HLA (human leukocyte antigen) bezeichnet. Klasse-I-Moleküle sind Heterodimere, die aus einer α-Kette und einer konstanten β-Kette, dem β2-Mikroglobulin, bestehen. Sie werden auf der Oberfläche aller kernhaltigen Zellen exprimiert. Beim Menschen existieren drei unterschiedliche Genorte für MHC-I-α-Ketten, die zusammen mit der β2-Mikroglobulin HLA-A-, -B- oder -C-Moleküle formen.
Die Klasse-II-Moleküle werden normalerweise nur auf Zellen exprimiert, die auf die Präsentation von Antigenen spezialisiert sind. Solche professionellen antigenpräsentierenden Zellen (APZ) sind beispielsweise B-Zellen, Makrophagen und dendritische Zellen. HLA-Klasse-II-Moleküle bestehen aus einer α- und einer β-Kette. Diese Ketten werden kodominant exprimiert. Jeder Mensch exprimiert deshalb für jeden Genort der MHC-Klasse-II-Moleküle (DR, DP, DQ) zwei α- und zwei β-Ketten (je eine von Vater und Mutter). Diese bilden dann die αβ-Heterodimere der MHC-Klasse-II-Moleküle. Die Tatsache, dass in jedem Menschen verschiedene Genorte existieren, die für unterschiedliche Proteine mit gleicher Funktion kodieren, wird als Polygenie bezeichnet.
HLA-Moleküle sind hochpolymorph. So existieren beispielsweise in der menschlichen Population fast 4000 verschiedene Allele, die für die α-Kette von HLA-B kodieren. Die HLA-Moleküle werden kodominant exprimiert. Ungeachtet der verschiedenen allelen Varianten der HLA-Moleküle in der Gesamtpopulation exprimiert jeder einzelne Mensch also je zwei HLA-A, -B oder -C und zwei HLA-DR, -DP und -DQ. Durch den enormen Polymorphismus der HLA-Gene in der Population sind die meisten Menschen heterozygot an jedem dieser Genorte. Deswegen exprimiert jeder Mensch 6 verschiedene HLA-Klasse-I-Moleküle (je ein HLA-A, -B oder -C von Vater und von Mutter). Da die HLA-Klasse-II-Moleküle aus einer α- und einer β-Kette bestehen, für die jeweils allele Formen existieren, wird die Diversität dieser Moleküle noch gesteigert, indem Kombinationen aus α- und β-Ketten mütterlicher und väterlicher Herkunft gebildet werden.
Trotz ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung aus entweder einer polymorphen α- und einer konstanten β-Kette (HLA-Klasse I) oder zwei polymorphen Ketten (HLA-Klasse II) sind sich beide Moleküle äußerlich sehr ähnlich. Beide Klassen von HLA-Molekülen besitzen an ihrer Oberfläche eine Grube, in die das antigene Peptid gebunden wird. Diese Bindungstasche wird bei den Klasse-I-Molekülen von der α-Kette allein und bei den Klasse-II-Molekülen gemeinsam von der α- und der β-Kette gebildet. Diese Struktur aus Antigenbindungsgrube und dem daran gebundenen Antigenpeptid ist die eigentliche Struktur, die Kontakt mit dem T-Zell-Rezeptor hat und von diesem erkannt wird. Die allelen Formen der HLA-Moleküle unterscheiden sich hauptsächlich in dem Bereich der einzelnen Ketten, die diese Bindungstasche für das Antigen bilden. Das bedeutet, dass die allelen Formen der Moleküle unterschiedliche Spezifitäten für die Bindung von Peptiden besitzen. Jeder Mensch verfügt also über ein individuelles Repertoire an antigenbindenden Molekülen, die unterschiedliche Peptide binden können.
Der Polymorphismus der HLA-Moleküle in der Population und die Polygenie im Individuum vergrößern also das Repertoire von Peptiden, die gebunden und den T-Zellen präsentiert werden können. So wird einerseits verhindert, dass sich Pathogene durch Mutation der Bindung ihrer Peptide an die HLA-Moleküle der Immunantwort entziehen können. Andererseits macht dies ein genau auf die exprimierten HLA-Moleküle abgestimmtes TZR-Repertoire notwendig. Diese Abstimmung findet durch Selektionsprozesse im Thymus statt. Diese Selektionsprozesse sorgen dafür, dass eine T-Zelle ein Peptid nur im Kontext mit einem bestimmten HLA-Molekül erkennen kann. Wenn das gleiche Peptid von einem anderen HLA-Molekül präsentiert wird, kann die gleiche T-Zelle dadurch nicht aktiviert werden. Dieses Phänomen wird als MHC-Restriktion von T-Zellen bezeichnet.
Antigenpräsentation ist die einzig bekannte Aufgabe von HLA-Molekülen. Die Häufung bestimmter HLA-Allele bei Patienten mit Autoimmunerkrankungen und deren Assoziation mit schweren Verläufen ist also ein wichtiger Hinweis auf eine Beteiligung von T-Zellen in der Pathogenese von Autoimmunität (Abschn. 6).
T-Zellen können nur durch an HLA-Moleküle gebundene Peptide aktiviert werden. Diese HLA-Moleküle sind:
  • polygen, d. h. es existieren mehrere unterschiedliche Moleküle mit gleichartiger Funktion, und
  • polymorph, d. h. von jedem Gen existieren in der Population allele Varianten.
Die T-Zellen eines Individuums erkennen nur Antigene, die von MHC-Molekülen des Individuums präsentiert werden. Dies wird als MHC-Restriktion von T-Zellen bezeichnet.

Positive und negative Selektion

Die mehr oder weniger zufällig verlaufende Rekombination der TZR-Gene und die Diversität der HLA-Moleküle, die durch deren Polygenie und Polymorphismus verursacht wird, garantieren einerseits, dass ein möglichst breites Spektrum an Antigenen durch die T-Zellen erkannt werden kann. Andererseits ist es dadurch auch möglich, dass TZR entstehen, die keine Peptid/HLA-Moleküle erkennen können, also für die Immunantwort nutzlos sind. Die andere mögliche Konsequenz aus der zufälligen Zusammensetzung der TZR ist, dass solche TZR entstehen, die körpereigene Antigene erkennen und so Autoimmunität verursachen können. Durch die Selektion der T-Zellen im Thymus soll verhindert werden, dass solche nutzlosen oder potenziell gefährlichen T-Zellen in das periphere Immunsystem entlassen werden. Diese Prozesse sind sehr strikt: Nur ca. 5 % der T-Zell-Vorläufer verlassen jemals als reife T-Zelle den Thymus. Die Selektionsprozesse verlaufen in zwei Stufen, die als positive oder negative Selektion bezeichnet werden.
Während der positiven Selektion interagieren die T-Zell-Vorläufer mit kortikalen Epithelzellen des Thymus, auf denen sowohl MHC-Klasse-I- und -Klasse-II-Moleküle exprimiert werden. In diesem Stadium werden von den T-Zellen beide Korezeptoren (sowohl CD4 als auch CD8) exprimiert. Falls der TZR also entweder ein Klasse-I- oder ein Klasse-II-Molekül erkennt, erhält die T-Zelle ein Aktivierungssignal und differenziert sich weiter. T-Zellen, die MHC-Klasse-I-Moleküle erkennen, exprimieren dann nur noch CD8 und entwickeln sich zu zytotoxischen T-Zellen. Diejenigen T-Zellen, die Klasse-II-Moleküle erkennen, exprimieren später nur noch CD4 und differenzieren sich zu T-Helferzellen. T-Zellen, deren TZR überhaupt nicht sinnvoll mit den MHC-Molekülen des Individuums interagieren kann, werden durch Apoptose eliminiert.
Bei der positiven Selektion werden also die T-Zellen ausgewählt, die überhaupt in der Lage sind, selbst MHC-Moleküle zu erkennen und gleichzeitig wird ihre Zugehörigkeit zu den funktionell unterschiedlichen T-Zell-Subpopulationen festgelegt. Die überlebenden T-Zellen wandern tiefer in das Mark des Thymus ein und begegnen dort sowohl antigenpräsentierenden Zellen, die über das Blut einwandern, als auch Stromazellen des Thymus. Diese Zellen exprimieren Selbstpeptid/MHC-Moleküle. Die T-Zellen, deren TZR mit hoher Avidität diese Selbstantigen/MHC-Komplexe erkennt, sterben durch Apoptose. Somit werden T-Zellen eliminiert, die körpereigene Antigene erkennen und damit potenziell gefährlich sind. Im Thymus wird dazu eine Reihe von Autoantigenen exprimiert, die normalerweise nur in bestimmten Organen oder Geweben exprimiert werden. Diese promiskuitive Genexpression in den Stromazellen des Thymus wird unter anderem durch das Molekül AIRE (autoimmune regulator) gesteuert. Ein durch Mutationen verursachter Funktionsverlust des AIRE-Proteins ist die Ursache des APS-1 (autoimmune polyglandular syndrome 1), auch als APECED (autoimmune polyendocrinopathy, candidiasis, ectodermal dystrophy) bekannt. Diese monogene Autoimmunerkrankung ist durch erhöhte Titer organspezifischer Autoantikörper gekennzeichnet. Die Autoimmunattacken richten sich insbesondere gegen die endokrinen Organe.
Die Elimination von T-Zellen, die körpereigene Strukturen sehr gut erkennen können, ist ein wesentlicher Mechanismus, mit dem Autoimmunität verhindert wird. Die Abwesenheit immunologischer Attacken gegen körpereigene Strukturen wird als immunologische Toleranz bezeichnet. Da der Thymus ein primäres lymphatisches Organ ist, wird die Elimination autoreaktiver T-Zellen im Thymus als zentrale Toleranz bezeichnet.
Durch Selektionsprozesse im Thymus wird das durch Rekombination zufällig generierte T-Zell-Rezeptor-Repertoire an das individuelle Muster von HLA-Molekülen des Organismus angepasst:
  • Durch positive Selektion werden T-Zell-Vorläufer eliminiert, die nicht mit den HLA-Molekülen des Körpers interagieren können.
  • Durch negative Selektion werden T-Zellen eliminiert, die eine zu hohe Affinität zu Selbstpeptid/MHC-Molekülen aufweisen.
  • Die negative Selektion ist ein wichtiger Mechanismus der Verhinderung von Autoimmunität. Sie wird auch als zentrale Toleranz bezeichnet.

Antigenpräsentation und Aktivierung von T-Zellen

Generierung von MHC/Peptid-Komplexen

HLA-Klasse-I- und -Klasse-II-Moleküle unterscheiden sich durch die Herkunft der Antigene, die sie T-Zellen präsentieren. HLA-Klasse-I-Moleküle, die auf allen kernhaltigen Zellen exprimiert werden, präsentieren normalerweise Antigene, die von der Zelle selbst synthetisiert werden. Dies können beispielsweise virale Proteine sein, die im Zytoplasma synthetisiert werden. Diese Proteine werden von einem Proteinkomplex, dem Proteasom, in Peptidfragmente degradiert. Die Antigenpeptide werden vom Transportprotein TAP (transporter associated with antigen processing) in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums transportiert und dort mit der α-Kette des HLA-Klasse-I-Moleküls und β2-Mikroglobulin zum kompletten Klasse-I-Molekül komplexiert. Der komplette Komplex aus HLA-Klasse-I-Molekül und Peptid wird dann auf der Oberfläche der Zelle exprimiert.
HLA-Klasse-II-Moleküle werden normalerweise nur von professionellen antigenpräsentierenden Zellen, also Makrophagen, dendritischen Zellen und B-Lymphozyten, exprimiert. Diese Zellen nehmen exogene Antigene durch Phagozytose auf. Die dadurch entstandenen Vesikel, sogenannte Phagosomen, fusionieren dann mit Lysosomen. Dadurch sinkt der pH-Wert in den Vesikeln ab, was zur Aktivierung verschiedener Proteasen führt. Durch diese Proteasen werden dann die aufgenommenen Antigene degradiert. Die MHC-Klasse-II-Moleküle werden wie die Klasse-I-Moleküle im endoplasmatischen Retikulum (ER) generiert. Im Gegensatz zum Klasse-I-Präsentationsweg werden die Antigenpeptide jedoch nicht dorthin transportiert, sondern die MHC-Klasse-II-Moleküle werden in speziellen Vesikeln (MHC class II compartment, MIIC) mit den antigenen Peptiden beladen. Dabei ist es essenziell, dass die MHC-Klasse-II-Moleküle nicht bereits bei ihrer Bildung im ER mit Peptiden binden, die dorthin transportiert oder von der Zelle selbst gebildet werden. Dies wird durch eine invariante Kette verhindert, die die antigenbindende Grube des MHC-Klasse-II-Moleküls blockiert. Auf ihrem Weg zur Zelloberfläche fusionieren die Phagosomen, die das prozessierte Antigen enthalten, mit den MIIC-Vesikeln. Durch die aktivierten Proteasen wird dann die invariante Kette vom MCH-II-Molekül entfernt und dieses mit dem Antigenpeptid beladen. Der Komplex aus Peptid und MHC-II wird dann auf der Zelloberfläche exprimiert.
Die Antigene, die von HLA-Klasse I oder HLA-Klasse II präsentiert werden, unterscheiden sich in ihrer Herkunft:
  • HLA-Klasse I präsentiert Peptide, die von der Zelle selbst synthetisiert werden.
  • HLA-Klasse II präsentiert Peptide, die von APZ aufgenommen werden.
  • In beiden Fällen kann es sich um körpereigene oder von Pathogenen stammende Peptide handeln.

T-Zell-Aktivierung

Nachdem sie den Thymus über den Blutstrom verlassen haben, erreichen naive T-Zellen sekundäre lymphatische Organe wie Lymphknoten und Milz. Dort verlassen sie die Blutbahn, wandern durch das lymphatische Gewebe und erreichen dann wieder den Blutstrom. Naive T-Zellen rezirkulieren also ständig durch die sekundär-lymphatischen Organe. Nur in den sekundären lymphatischen Organen sind die Bedingungen gegeben, die zur Aktivierung naiver T-Lymphozyten notwendig sind. Demzufolge müssen die Antigene auch in diese Organe transportiert werden. Dies geschieht im Wesentlichen durch antigenpräsentierende Zellen (APZ). Besonders effiziente APZ sind dendritische Zellen (DZ). Diese sind strategisch an allen Eintrittspforten des Körpers für Mikroorganismen lokalisiert, also in der Haut und in den oberen Schichten der Schleimhaut von Atmungs-, Verdauungs- und Urogenitaltrakt. Die DZ patrouillieren durch diese Gewebe und phagozytieren ständig Antigene. Dies können einerseits körpereigene Antigene aus abgestorbenen Zellen oder aber Antigene von Pathogenen sein.
Seit einiger Zeit weiß man, dass die lebenswichtige Unterscheidung zwischen harmlosen Selbstantigenen und Fremdantigenen, die eine adaptive Immunantwort notwendig machen, nicht allein von den Lymphozyten mit ihren klonalen Antigenrezeptoren getroffen wird. Die sogenannte Fremd/Selbst-Unterscheidung wird maßgeblich von den Zellen des angeborenen Immunsystems, z. B. den phagozytierenden DZ getroffen. DZ und andere Zellen des Immunsystems besitzen sogenannte Toll-like-Rezeptoren (TLR). Diese TLR entstehen nicht, wie T-Zell-Rezeptoren, durch die Rekombination bestimmter Gensegmente im Individuum. Sie sind demnach keine klonalen Rezeptoren, sondern sind evolutionär hochkonserviert. Sie sind deswegen auch nicht in der Lage, ein breites Spektrum von unterschiedlichen Antigenen individuell zu erkennen. Stattdessen erkennen sie bestimmte molekulare Signaturen, die entweder typisch für bestimmte Mikroorganismen sind, aber nicht beim Menschen vorkommen (z. B. Lipopolysaccharid, LPS) oder mit nekrotischem Zelltod verbunden sind (z. B. Harnsäure). Diese molekularen Signaturen werden auch als PAMP (pathogen-associated molecular patterns) oder DAMP (danger associated molecular patterns) bezeichnet. Ein Beispiel dafür ist Lipopolysaccharid (LPS, Endotoxin), ein Bestandteil gramnegativer Bakterien. LPS bindet an den TLR4 und induziert eine massive Aktivierung der Zelle. Andere Beispiele für PAMP, die von spezifischen TLR erkannt werden, sind doppelsträngige RNA (spezifisch für Viren, bindet an TLR3), bestimmte Lipoproteine (spezifisch für grampositive Bakterien) und Zymosan (spezifisch für Hefen, binden TLR2) und CpG-Motive in der DNA (v. a. bei Bakterien, binden TLR9). Insgesamt sind 11 unterschiedliche TLR mit Spezifität für unterschiedliche PAMP bekannt. Sie sind also von entscheidender Bedeutung für die immunologische Selbst/Fremd-Unterscheidung.
Die Aktivierung von Toll-like-Rezeptoren auf DZ führt zu einer Reihe von Veränderungen, die für die Induktion einer T-Zell-Antwort notwendig sind. Dies wird als Ausreifung der DZ bezeichnet:
  • Es kommt zu einer vermehrten Expression kostimulatorischer Moleküle (s. unten) und damit zu einer verbesserten Präsentation von Peptid/MHC-Komplexen.
  • Reife DZ sind nicht mehr in der Lage, weiter Antigene zu phagozytieren. Dies soll verhindern, dass Autoantigene von bereits durch TLR-Signale aktivierten DZ aufgenommen und präsentiert werden können.
  • Aktivierte DZ migrieren in die jeweiligen drainierenden Lymphknoten, den Ort der T-Zell-Aktivierung.
Rezirkulierende naive T-Zellen wandern über „high endothelial venules“ aus dem Blutstrom in die Lymphknoten ein. Dort haben sie viele transiente Kontakte mit DZ. Man geht davon aus, dass eine DZ pro Stunde mit ca. 500–5000 verschiedenen T-Zellen interagieren kann. T-Zellen, die auf ihrem Weg durch den Lymphknoten nicht auf eine APZ treffen, deren Peptid/MHC-Komplexe sie erkennen können, verlassen den Lymphknoten wieder und zirkulieren durch andere sekundär-lymphatischen Organe. Diese ständige Rezirkulation der Lymphozyten durch den Körper erhöht die Wahrscheinlichkeit des Zusammentreffens einer T-Zelle mit einer bestimmten TZR-Spezifität mit einer DZ mit dem entsprechenden Peptid/MHC-Komplex. Es wird angenommen, dass die Frequenz von naiven T-Zellen, die spezifisch für ein bestimmtes Antigen sind, nur zwischen 0,0001 und 0,000001 % aller T-Zellen beträgt. Deswegen sind die DZ, die Antigene aus peripheren Geweben in die Lymphknoten transportieren, in den Bereichen der Lymphknoten lokalisiert, in denen die rezirkulierenden T-Zellen aus dem Blut in diese Organe eintreten.
Erkennt eine T-Zelle mit ihrem TZR den entsprechenden Peptid/MHC-Komplex, kommt es zur Ausbildung einer komplexen Struktur, die aus Peptid/MHC/TCR-Komplexen sowie Adhäsionsmolekülen besteht, dem sogenannten „supramolecular activation cluster“ (SMAC). Dieser SMAC stabilisiert die Interaktion mit der APZ und sorgt gleichzeitig für eine Konzentration der für die Signalübermittlung ins Zellinnere notwendigen Moleküle. Die Bindung des TZR und der entsprechenden Korezeptoren (CD4 oder CD8) am Peptid/MHC-Komplex setzt eine komplizierte Signaltransduktionskaskade in Gang, die hier nur in den Grundzügen dargestellt werden kann. Diese Kaskade beginnt mit der Aktivierung der Tyrosinkinasen Lck und Fyn. Lck ist mit dem zytoplasmatischen Teil der CD4-oder CD8-Korezeptoren assoziiert. Die Bindung dieser Korezeptoren zusammen mit dem TZR am Peptid/MHC-Molekül bringt Lck in die Nähe bestimmter Regionen in den invarianten Ketten des TZR/CD3-Komplexes. Solche Regionen findet man an einer ganzen Reihe von aktivierenden Rezeptoren im Immunsystem, sie werden daher als „immunreceptor tyrosine-based activation motif“ (ITAM) bezeichnet. Lck (und Fyn, das durch die TZR-Aktivierung mit der ε- und ζ-Kette des TZR/CD3-Komplexes assoziiert) beginnen nun, die Tyrosinreste der ITAM zu phosphorylieren. Diese Phosphorylierung erlaubt die Bindung des Moleküls ZAP-70 (zeta-associated protein) an der ζ-Kette des TZR/CD3-Komplexes. ZAP-70 aktiviert dann weiter Adaptermoleküle, die im Wesentlichen 3 Signaltransduktionskaskaden in Gang setzen:
  • Zunächst kommt es zur Aktivierung von Phospholipase C-γ. Dieses Enzym spaltet Phosphatidylinositolbisphosphat (PIP2) in Diacylglycerol (DAG) und Inositoltrisphosphat (IP3).
  • DAG führt dann zur Aktivierung der Proteinkinase C, die daraufhin den Transkriptionsfaktor NF-κB aktiviert.
  • IP3 erhöht die intrazelluläre Kalziumkonzentration, was zur Aktivierung der Phosphatase Calcineurin führt, die wiederum den Transkriptionsfaktors NFAT (nuclear factor of activated T cells) aktiviert.
  • Weiterhin kommt es zur Aktivierung einer Kaskade von MAP-Kinasen, die AP-1, einen weiteren Transkriptionsfaktor, aktivieren. Diese aktivierten Transkriptionsfaktoren setzen schließlich die Genexpression in Gang.
Verschiedene Immunsuppressiva blockieren die Signaltransduktion des T-Zell-Rezeptors: Ciclosporin A und Tacrolimus binden an die intrazellulären Proteine Cyclophilin bzw. FK-bindendes Protein. Beide Komplexe binden an Calcineurin und verhindern dessen Aktivierung durch die gestiegene intrazelluläre Kalziumkonzentration, was dann die Aktivierung von NFAT verhindert.
Genetische und experimentelle Daten zeigen, dass Mutationen oder Varianten von Molekülen, die an der Signaltransduktion von T-Zellen beteiligt sind, die Suszeptibilität für Autoimmunerkrankungen erhöhen. Eine veränderte Signaltransduktion kann nicht nur zu einer verminderten oder verstärkten T-Zell-Aktivierung führen, sondern auch die Selektion der T-Zell-Vorläufer im Thymus beeinflussen, weil in diesen Selektionsprozessen auch TZR-Signale beteiligt sind. So kommt es bei Mäusen mit einer ZAP-70-Mutation zum Auftreten einer spontanen Arthritis, die der rheumatoiden Arthritis in vielen Aspekten ähnlich ist.
Die Aktivierung naiver T-Zellen erfolgt in den sekundären lymphoiden Organen durch professionelle antigenpräsentierende Zellen. Diese besitzen Rezeptoren, mit denen sie molekulare Muster von Pathogenen erkennen können. Nur wenn sie über diese Rezeptoren aktiviert wurden, können antigenpräsentierende Zellen zur T-Zell-Aktivierung und damit zur Initiation einer adaptiven Immunantwort führen.

Kostimulation

Ein Signal über den T-Zell-Rezeptor allein ist nicht ausreichend für die Aktivierung von T-Zellen. Zur vollständigen Aktivierung brauchen T-Zellen zusätzliche, sogenannte kostimulatorische Signale. Diese werden typischerweise von antigenpräsentierenden Zellen vermittelt. Die am besten charakterisierten kostimulatorischen Moleküle sind CD80 und CD86, die früher auch als B7.1 und B7.2 bezeichnet wurden und auf antigenpräsentierenden Zellen exprimiert werden. Beide Moleküle interagieren mit CD28 auf T-Zellen, das ein aktivierendes Signal in die T-Zelle vermittelt. CD28 wird von naiven T-Zellen konstitutiv exprimiert und ist essenziell für deren Aktivierung. Die Antigenerkennung naiver T-Zellen durch ihren TZR ohne Kostimulation über CD28 führt zur funktionellen Inaktivierung der T-Zellen. Diese funktionelle Inaktivierung wird als Anergie bezeichnet und ist einer der Mechanismen, mit denen Toleranz im Immunsystem aufrechterhalten wird.
Nach ihrer Aktivierung können T-Zellen noch eine Reihe anderer Moleküle exprimieren, welche die Aktivierung und Effektorfunktionen von T-Zellen modulieren. Eines dieser Moleküle ist „cytotoxic T lymphocyte antigen-4“ (CTLA-4) oder CD152. CD152 vermittelt im Gegensatz zu CD28 inhibitorische Signale in die Zelle. Durch seine im Vergleich zu CD28 etwa 1000-fach höhere Affinität zu CD80/CD86 kann CD152 das CD28-Molekül von dessen Interaktionspartnern verdrängen und so inhibierend auf die T-Zellen wirken. Die kompetitive Inhibition der CD28/B7-Interaktionen wird therapeutisch für die Therapie von Autoimmunerkrankungen ausgenutzt. Durch die Injektion eines Fusionsproteins aus dem extrazellulären Teil des CTLA-4-Moleküls und dem Fc-Teil von humanen Immunglobulinen (CTLA-4Ig) wird die Bindung von CD28 an B7-Moleküle und damit die Kostimulation verhindert. Dieses immunmodulatorische Therapieprinzip ist bei der rheumatoiden Arthritis wirksam und zugelassen.
Ebenfalls nach ihrer Aktivierung wird von T-Zellen das Molekül „inducible costimulator“ (ICOS) exprimiert. ICOS gehört wie CTLA-4 zur CD28-Familie. Der Ligand für ICOS (ICOS-Ligand, wird auch als LICOS, B7h oder B7RP1 bezeichnet) wird auf antigenpräsentierenden Zellen, aber auch in nichtlymphoiden Geweben (wie beispielsweise Endothelzellen oder Fibroblasten) exprimiert. Kostimulatorische Signale über ICOS können T-Zell-Effektorfunktionen somit nicht nur in lymphatischen Organen, sondern auch in peripheren Geweben regulieren. ICOS/ICOS-Ligand-Interaktionen scheinen insbesondere entscheidend für T-Zell-vermittelte B-Zell-Antworten und für die Aufrechterhaltung immunologischer Toleranz wichtig zu sein.
Zwei weitere Mitglieder der CD28-Familie sind PD-1 (programmed cell death-1) und BTLA (B and T lymphocyte attenuator), die wie CTLA-4 inhibitorische Signale in die T-Zellen vermitteln. Die Liganden für diese Moleküle gehören zur B7-Familie und werden als PD-L1 (B7-H1), PD-L2 (B7-DC), B7-H3 oder B7-H4 (B7x/B7-S1) bezeichnet. Es wird angenommen, dass PD-1 mit PD-L1 und PD-L2 interagieren kann. Der Ligand für BTLA ist HVEM (herpes virus entry mediator) und kann sowohl inhibitorische wie pro-inflammatorische Signale vermitteln. PD-1 und BTLA werden von B-Zellen exprimiert und scheinen somit eine breite immunregulatorische Funktion zu haben.
Weitere kostimulatorischer Signale werden über Rezeptor/Liganden-Paare vermittelt, die zur Tumornekrosefaktor-(TNF-)/TNF-Rezeptor-Familie gehören. Eines dieser Moleküle ist CD154 (CD40-Ligand), das von aktivierten T-Zellen exprimiert wird und mit CD40 auf APZ interagiert. CD40-CD154-Interaktionen sind bidirektional; das bedeutet, dass Signale über diese Moleküle nicht nur die T-Zellen, sondern auch die APZ aktivieren können. Weitere wichtige Mitglieder der TNF-Familie sind OX40 (CD134), 4-1BB (CD137) und GITR (glucocorticoid-induced TNF-receptor).
Interessanterweise vermitteln die konstitutiv exprimierten kostimulatorischen Moleküle (CD28 und andere, hier nicht erwähnte) ausnahmslos aktivierende Signale in die T-Zelle, während die durch T-Zell-Aktivierung exprimierten Moleküle sowohl aktivierende (ICOS, OX40, 4-1BB) als auch hemmende (CTLA-4, PD-1) Signale vermitteln können. Von allen bekannten kostimulatorischen Liganden sind nur B7.1 und B7.1 ausschließlich auf APZ exprimiert. Alle anderen können auch von anderen Zellen, wie Endothel- oder Epithelzellen und Fibroblasten, exprimiert werden. Die koordinierte Expression der aktivierenden oder inhibierenden kostimulatorischen Moleküle und ihrer jeweiligen Liganden zu bestimmten Zeitpunkten und in bestimmten Geweben erlaubt eine exakte zeitliche und räumliche Modulation der Immunantwort. Die Blockade der sogenannten koinhibitorischen Moleküle (CD152 und PD-1) erlaubt die Aktivierung von T-Lymphozyten und ist ein wesentliches Element der Therapie verschiedener Tumorerkrankungen.
Ein Signal über den Antigenrezeptor allein ist nicht ausreichend zur Aktivierung von T-Zellen, sondern führt zu deren funktioneller Inaktivierung, der Anergie. Daher werden zur T-Zell-Aktivierung immer kostimulatorische Signale benötigt. Die Moleküle, über die diese Signale vermittelt werden, werden entweder konstitutiv oder aktivierungsabhängig exprimiert. Die koordinierte Expression der Liganden zu bestimmten Zeitpunkten und an bestimmten Orten kann regulierend auf die Immunantwort einwirken.

Effektormechanismen von T-Zellen

Nach ihrer Aktivierung über den TZR und kostimulatorische Moleküle beginnen T-Zellen das Zytokin Interleukin-2 (IL-2) zu sezernieren. Gleichzeitig beginnen sie, den IL-2-Rezeptor zu exprimieren. Dieser Rezeptor besteht aus der α-Kette (CD25) und zwei weiteren Ketten. Die Aktivierung dieses Rezeptors durch die autokrine oder parakrine IL-2-Sekretion führt zur Proliferation dieser T-Zellen. Diese Proliferation kann über mehrere Tage andauern und führt zu einer massiven Expansion der T-Zellen mit der gleichen Antigenspezifität, die pathogene Mikroorganismen effizient bekämpfen können. Während dieser Proliferation beginnen die T-Zellen Rezeptoren für Chemokine und Adhäsionsmoleküle zu exprimieren, die sie für den Eintritt in periphere Gewebe, den Ort der Effektor-T-Zell-Antwort, benötigen.

Effektorfunktionen von CD8+-T-Zellen

Obligat intrazellulär lebende Mikroorganismen oder Viren sind für Antikörper und andere Moleküle des Immunsystems nur schwer zu erreichen. Um solche Pathogene zu eliminieren, muss die Wirtszelle mit beseitigt werden. Auf diese Aufgabe sind CD8-positive, sogenannte zytotoxische T-Zellen spezialisiert. Sie erkennen körperfremde Antigene, die aus dem Zytoplasma stammen und die im Kontext mit MHC-Klasse-I-Molekülen präsentiert werden. Zu einer solchen Antigenpräsentation sind im Prinzip alle kernhaltigen Zellen des Körpers befähigt, da sie alle MHC-I exprimieren. Die Aktivierung von CD8+-T-Zellen erfolgt jedoch ausschließlich durch antigenpräsentierende Zellen im Lymphknoten. Dafür gibt es verschiedene Gründe:
  • Den MHC-I-exprimierenden Zellen fehlen kostimulatorische Moleküle, die für die T-Zell-Aktivierung essenziell sind.
  • Naive T-Zellen sind aufgrund ihres Expressionsmusters von Chemokinrezeptoren und Adhäsionsmolekülen gar nicht in der Lage, in andere Gewebe als die sekundär lymphatischen Organe einzuwandern.
  • Die Effektorfunktion von zytotoxischen T-Zellen, nämlich die Zerstörung von Zielzellen, ist für den Körper potenziell gefährlich. Deswegen sind CD8+-Zellen für ihre Aktivierung auf die Hilfe von CD4+-T-Zellen angewiesen. CD4+-T-Zellen, die Antigen/MHC-Komplexe auf der gleichen APZ wie die CD8+-Zelle erkennen, stimulieren die Expression von kostimulatorischen Molekülen durch CD40-Ligand/CD40-Interaktionen auf dieser Zelle. Erst diese vermehrte Kostimulation ist dann ausreichend für eine vollständige Aktivierung von CD8+-T-Zellen.
Wenn die zytotoxische T-Zelle vollständig aktiviert wurde, ist sie in der Lage, in die infizierten Organe einzuwandern. Dort tötet sie nach erneuter Erkennung des Peptid/MHC-Komplexes die jeweilige Zielzelle ab. Die erneute Erkennung stellt sicher, dass nur infizierte, nicht aber nichtinfizierte Zellen in der Nachbarschaft abgetötet werden.
Zytotoxische T-Zellen können Zielzellen über verschiedene Mechanismen abtöten. Durch die Freisetzung von Perforin können sie Poren in der Membran der Wirtszelle verursachen. Durch diese Poren gelangt dann eine Reihe von Proteasen in das Zytoplasma der Zielzelle und setzt dort die Apoptose in Gang. Außerdem können zytotoxische T-Zellen auch Fas-Ligand exprimieren. Fas-Ligand (CD178) ist ein Mitglied der Tumornekrosefaktor-Familie. Die Ligation von Fas (CD95) auf Zielzellen durch Fas-Ligand induziert in der Zielzelle Apoptose. Eine weitere Effektorfunktion von CD8-positiven T-Zellen ist die Sekretion von Zytokinen, wie beispielsweise Interferon-γ und TNF-α, die die Expression von MHC-Klasse-I-Molekülen erhöhen und Makrophagen aktivieren können.
Bei chronischer Antigenexposition, z. B. chronischen Virusinfektionen oder Tumoren können zytotoxische T-Zellen dysfunktional werden, d. h. sie sind in ihrer Proliferation und Effektorfunktion eingeschränkt. Diesen Zustand bezeichnet man als „Exhaustion“ (Erschöpfung). Es hat sich gezeigt, dass durch Blockade der PD-1 PD-1L Interaktionen erschöpfte T-Zellen wieder reaktiviert werden können.
Fast alle Körperzellen exprimieren MHC-Klasse-I-Moleküle und können daher von zytotoxischen T-Zellen zerstört werden. CD8+-T-Zellen sind beim Typ-1-Diabetes wichtige Effektorzellen bei der Zerstörung der insulinproduzierenden β-Zellen des Pankreas. Auch die Assoziation der ankylosierenden Spondylitis mit HLA-B27, einem Klasse-I-HLA-Molekül, ist ein Hinweis auf eine Beteiligung dieser Zellen an der Pathogenese dieser Autoimmunerkrankung.
Die Aufgabe von zytotoxischen Effektor-T-Zellen besteht v. a. darin, infizierte Zielzellen abzutöten. Dies erfolgt durch die Freisetzung von Perforin oder durch eine Apoptoseinduktion über Fas-Ligand/Fas-Interaktionen. Die Aktivierung von CD8+-T-Zellen wird von CD4+-T-Zellen kontrolliert.

Effektorfunktionen von CD4+-T-Zellen

CD4+-T-Helferzellen aktivieren und steuern verschiedene Aspekte der Immunantwort. Die Aktivierung und Steuerung der Immunantwort erfolgt hauptsächlich über die Wirkung von Zytokinen. CD4+-T-Zellen können eine Vielzahl unterschiedlicher Zytokine produzieren. Dazu gehören unter anderem die Interleukine (derzeit sind >35 bekannt), Interferone, Tumornekrosefaktor und Transforming growth factor (TGF). Dazu kommen noch Chemokine, mit denen das Migrationsverhalten von Zellen gesteuert wird.
Naive Th-Zellen können v. a. IL-2 und TNF-α produzieren. Effektor/Gedächtnis-Th-Zellen sind bezüglich ihrer Zytokinproduktion eine heterogene Zellpopulation. Keine ausdifferenzierte Th-Zelle exprimiert gleichzeitig alle Zytokine und Chemokine, die von Th-Zellen prinzipiell produziert werden könnten. Stattdessen exprimieren unterschiedliche Th-Zellen unterschiedliche Sets von Zytokinen, von denen manche auffallend häufig koexprimiert werden. Anhand der Zytokinproduktion kann man nach einem vereinfachten Schema T-Helferzellen in unterschiedliche Subpopulationen kategorisieren. Diese funktionelle Differenzierung findet außerhalb des Thymus, nach Aktivierung der T-Helferzellen statt.
Zu den wesentlichen Subpopulationen gehören T-Helfer-1-Zellen (Th1), Th2, Th17 und TfH-Zellen (Follikuläre T-Helferzellen). Die Entscheidung, ob sich eine proliferierende T-Zelle in eine Th1- Th2-, oder andere Th-Zelle differenziert, wird ihr hauptsächlich vom Zytokinmilieu während der Differenzierung diktiert. Deshalb nennt man diese instruierenden Zytokine auch „Signal 3“ bei der Aktivierung von Th-Zellen.
T-Helfer-1-Zellen sezernieren hauptsächlich Interferon-γ (IFN-γ) und TNF-β.
Die wichtigste Funktion von Th1-Zellen ist die Aktivierung von Makrophagen. Dies erfolgt durch die IFN-γ-Sekretion und Signale über CD40-Ligand/CD40-Interaktionen. Aktivierte Makrophagen sind essenziell für die zellvermittelte Immunität und damit für die Abwehr intrazellulär lebender Mikroorganismen, wie Mykobakterien. Th1-Zellen sind andererseits an der Pathogenese verschiedener chronisch entzündlicher Erkrankungen beteiligt. Die Entwicklung von Th1-Zellen wird von IL-12 gefördert und von IL-4 gehemmt (Abb. 2).
Th2-Zellen produzieren v. a. IL-4, IL-5 und IL-13 und sind essenziell für die Abwehr extrazellulärer Erreger, insbesondere Parasiten. Andererseits sind sie wesentlich für die Pathogenese allergischer Erkrankungen. Die Entwicklung von Th2-Zellen wird von IL-4 gefördert und von IL-12 gehemmt (Abb. 2).
Th17-Zellen produzieren v. a. die proinflammatorischen Zytokine IL-17, TNF-α und IL-6. IL-17 wird für die Überwindung von Pilzinfektionen und Infektionen mit bestimmten extrazellulären Bakterien benötigt. IL-17 hat auch entzündungsfördernde Wirkungen nicht nur auf hämatopoetische Zellen, sondern auch auf Stromazellen wie Fibroblasten. Th17-Zellen sind besonders wichtig für die Entstehung von Gewebsentzündungen und damit in der Pathogenese von gewebsdestruktiven Autoimmunerkrankungen (Abb. 2). Die Entwicklung von Th17-Zellen wird von IL-6 und TGF-β gefördert, für ihr Überleben benötigen sie IL-23.
Follikuläre T-Helferzellen (TfH) produzieren u. a. IL-21. Sie interagieren in den sekundär lymphatischen Organen mit B-Lymphozyten, sowohl beim Klassenwechsel als auch bei der Affinitätsreifung. Im Gegensatz zu den vorgenannten Th Subpopulationen ist es bis heute nicht möglich, TfH in vitro aus naiven T-Helferzellen zu differenzieren.
Eine weitere Subpopulation von CD4+-Lymphozyten sind die regulatorischen T-Zellen (Treg), die Immunantworten supprimieren. Ein Teil der Treg erwirbt diese Effektorfunktion schon im Thymus. Diese Zellen werden als natürliche Treg (nTreg) bezeichnet. Ein anderer Teil der Treg differenziert in der Peripherie nach Antigenkontakt, ähnlich wie für Th1, Th2 und Th17 beschrieben. Die Entwicklung von Treg-Zellen wird von TGF-β gefördert und von IL-6 gehemmt.
T-Zellen können also in Abhängigkeit vom Aktivierungszustand, der von kostimulatorischen Molekülen, Zytokinen etc. bestimmt wird, unterschiedliche transkriptionelle Programme aktivieren, die zu unterschiedlichen Effektorfunktionen führen. Th1-, Th2- und Th17-Zellen sind nicht nur durch die Produktion einer jeweils spezifischen Kombination von Zytokinen charakterisiert. Für jedes dieser funktionellen Subsets wurden Transkriptionsfaktoren beschrieben, deren Überexpression zur Produktion der Subset-spezifischen Zytokine führt. Anschaulich und zugleich etwas vereinfacht werden diese Transkriptionsfaktoren daher auch als Master-Transkriptionsfaktoren bezeichnet. Es sind t-bet (für Th1), GATA-3 (für Th2), RORγt (für Th17) Bcl6 (Für TfH), und FOXP3 (für Treg). Allerdings ist die Expression dieser Transkriptionsfaktoren in vivo nicht in allen Fällen exklusiv. Th-Zellen können also z. B. gleichzeitig t-bet und RORγt einfügen.
Die schematische Einteilung in Th1, Th2, Th17 (und möglicherweise weitere) funktionelle Subsets ist zum grundsätzlichen Verständnis der Th-Zell-Effektorfunktionen sinnvoll, auch wenn die Realität erheblich komplexer ist. So gibt es durchaus Th-Zellen, die Zytokine unterschiedlicher Subsets koexprimieren, also z. B. das Th1-Zytokin IFN-γ und das Th2-Zytokin IL-4. Das immunsuppressive Zytokin IL-10 kann von Th1-, Th2- und Th17-Zellen produziert werden. Einige IL-17 produzierende Th-Zellen produzieren gleichzeitig IL-22, andere nicht. Die Liste der Beispiele ließe sich noch erheblich verlängern. Konzeptionell wichtig ist, dass die Zytokinproduktion von Th-Zellen erheblich flexibler ist als noch vor wenigen Jahren vermutet wurde und ganz offensichtlich durch Umwelteinflüsse in vivo erheblich beeinflusst werden kann. Insofern erscheint es nicht sinnvoll, jedes entdeckte Zytokin-Ko-Expressionsmuster zum Anlass zu nehmen, ein neues Th-Subset zu deklarieren (Th3, Th9, Th22 …).
T-Zellen können nicht nur Immunantworten initiieren und aufrechterhalten, sondern auch herunterregulieren (Abschn. 5.3).
Eine bemerkenswerte Eigenschaft von T-Zell-Antworten ist, dass sich ein immunologisches Gedächtnis ausbilden kann. Durch dieses immunologische Gedächtnis wird gewährleistet, dass bei einem erneuten Kontakt mit dem gleichen Antigen eine schnellere und effektivere Immunantwort ausgeprägt wird. Diese sogenannte sekundäre Immunantwort basiert darauf, dass es im Verlauf jeder T-Zell-Antwort zur Bildung von Gedächtnis-T-Zellen kommt. Man kann zwei unterschiedliche Arten von Gedächtnis-T-Zellen unterscheiden:
  • So genannte Effektor-Memory-T-Zellen sind nach ihrer Aktivierung sehr schnell in der Lage, große Mengen von Zytokinen zu produzieren und in entzündete Gewebe einzuwandern.
  • Zentrale Memory-Zellen rezirkulieren durch sekundärlymphatische Organe.
Beide Typen von Gedächtniszellen reagieren empfindlicher auf TZR-Stimulation und sind weniger auf Kostimulation angewiesen. Durch die Bildung von Gedächtnis-T-Zellen ist die Frequenz von antigenspezifischen T-Zellen ca. 100- bis 1000-fach höher als vor einer Immunantwort. Demzufolge sind sowohl quantitative als auch qualitative Veränderungen der T-Zell-Population verantwortlich für das immunologische Gedächtnis.
Die Effektorfunktionen von Th-Zellen werden hauptsächlich über Zytokine vermittelt. Anhand der Zytokinproduktion lassen sich die Th-Zellen in verschiedene Subpopulationen einteilen, die verschiedene Arme der Immunantwort aktivieren können. Die Bildung von Gedächtnis-T-Zellen erlaubt bei erneutem Kontakt mit dem Antigen eine schnellere und effizientere Immunantwort.

T-Zell-Toleranz

Zentrale Toleranz

Der Antigenrezeptor der T-Zellen wird zufällig durch die Rekombination bestimmter Gensegmente generiert. Dies stellt einerseits sicher, dass das Repertoire der T-Zell-Rezeptoren ausreicht, um alle Erreger effektiv erkennen und bekämpfen zu können, und verhindert, dass sich Erreger durch Anpassung an ein bestimmtes TZR-Repertoire der Immunantwort entziehen können. Andererseits bietet dieser Mechanismus die Möglichkeit zur Entstehung von T-Zellen, die körpereigene Antigene erkennen können. Diese autoreaktiven T-Zellen können dann wiederum die Grundlage für Autoimmunerkrankungen sein. Diese Zellen zu eliminieren ist somit für den Körper essenziell und erfolgt durch die negative Selektion. Dabei werden den sich entwickelnden T-Zell-Vorläufern von Stromazellen und APZ Selbstantigen/MHC-Komplexe präsentiert. Die T-Zellen, die diese Autoantigene sehr gut erkennen, sterben durch Apoptose ab und werden so eliminiert (Abb. 3).
Dieser Prozess ist eine Erklärung für die Assoziation bestimmter HLA-Moleküle mit Autoimmunerkrankungen: Möglicherweise sind bestimmte HLA-Moleküle schlechter als andere in der Lage, bestimmte Autoantigene zu präsentieren, was zu einer mangelhaften Elimination bestimmter autoreaktiver T-Zellen führen kann. Die Präsentation der Autoantigene wird durch den Transkriptionsfaktor AIRE reguliert. AIRE sorgt dafür, dass normalerweise organ- oder gewebsspezifisch exprimierte Antigene auch in den Stromazellen des Thymus exprimiert werden. Ein Funktionsverlust des AIRE-Gens hat beim Menschen ein katastrophales Autoimmunsyndrom (APS-1 oder APECED) zur Folge, das verschiedene Organe betrifft. Dieses schwere Krankheitsbild, das durch eine beeinträchtigte negative Selektion verursacht wird, unterstreicht die Bedeutung der zentralen Toleranz.

Periphere Toleranz

Die Elimination der autoreaktiven Zellen im Thymus ist unvollständig. In der Tat kann man bei gesunden Menschen T-Zellen nachweisen, die klinisch relevante Autoantigene erkennen. Höchstwahrscheinlich beherbergen alle Menschen autoantigenspezifische T-Zellen. Eine Aktivierung dieser Zellen kann zu Autoimmunerkrankungen führen. Dies wird am besten durch die gebräuchlichen Tiermodelle demonstriert, bei denen eine Immunisierung von Mäusen bestimmter Stämme mit Kollagen Typ II oder Myelinantigenen zu einer chronischen Arthritis oder einem der Multiplen Sklerose ähnlichen Krankheitsbild führt. Da klinisch evidente Autoimmunität beim Menschen relativ selten ist, müssen also noch weitere Mechanismen im peripheren Immunsystem existieren, mit denen diese autoreaktiven T-Zellen unter Kontrolle halten werden. Einer dieser Mechanismen ist T-Zell-Anergie, d. h. die funktionelle Inaktivierung von T-Zellen. Zur Induktion von Anergie kommt es, wenn eine T-Zelle über ihren TZR in Abwesenheit von kostimulatorischen Signalen aktiviert wird. In diesen T-Zellen werden wichtige Signaltransduktionsmoleküle verstärkt abgebaut. Anerge T-Zellen können dann nicht mehr aktiviert werden und stellen somit keine Gefahr für den Organismus mehr dar. Mäuse, die genetisch defizient für diesen verstärkten Abbau von Signaltransduktionsmolekülen sind, besitzen viele aktivierte T-Zellen und bilden erhöhte Level an Autoantikörpern. Darüber hinaus können anerge autoreaktive T-Zellen, die im Organismus verbleiben, die Aktivierung anderer autoreaktiver Zellen dadurch verhindern, dass sie mit ihnen um die Bindung an Selbstpeptid/MHC-Moleküle konkurrieren.
Eine andere mögliche Konsequenz der TZR-Aktivierung ohne gleichzeitige Kostimulation ist der aktivierungsinduzierte Zelltod. Dadurch kommt es zur Deletion autoreaktiver T-Zellen im peripheren Immunsystem.
Die besondere Bedeutung dieser Mechanismen der peripheren Toleranz liegt darin, dass die APZ ständig Autoantigen aufnehmen und präsentieren, dies aber in Abwesenheit inflammatorischer Stimuli durch mikrobielle Gefahrensignale zur Induktion von Toleranz führt (Abb. 4). Somit sind diese Prozesse wesentlich für die Verhinderung von Autoimmunität.

Regulatorische T-Zellen

T-Zellen, die in der Lage sind, Immunreaktionen zu unterdrücken, werden als regulatorische T-Zellen (Treg) bezeichnet. Sie. exprimieren den Transkriptionsfaktor FOXP3. Ein Großteil der Treg-Zellen differenziert bereits im Thymus und verlässt diesen als bereits funktionelle Treg-Zellen. Derzeitige Vorstellungen gehen davon aus, dass während der negativen Selektion die T-Zellen, deren TZR-Autoantigene mit einer relativ hohen Affinität erkennen, sich zu Treg-Zellen differenzieren. Dies würde bedeuten, dass diese Zellpopulation vorwiegend Autoantigene erkennt. Allerdings können Treg-Zellen nicht nur den Verlauf von Autoimmunerkrankungen, sondern auch den von Infektionen im Tiermodell beeinflussen. Das bedeutet, dass regulatorische T-Zellen nicht nur T-Zell-Antworten gegen Autoantigene, sondern auch gegen exogene Antigene regulieren können.
Die Bedeutung der Treg-Zellen für die Aufrechterhaltung der immunologischen Toleranz wird durch das sogenannte IPEX-Syndrom (immune dysregulation, polyendocrinopathy, enteropathy, X-linked syndrome) verdeutlicht (Tab. 1). Das IPEX-Syndrom ist ein seltenes, früh einsetzendes und tödlich verlaufendes Polyautoimmunsyndrom, welches auf einer Mutation des FOXP3-Gens beruht. Wie die Suppression von Immunantworten durch Treg-Zellen funktioniert, ist im Detail noch nicht bekannt. Ganz offensichtlich gibt es verschiedene Effektormechanismen der Treg-Zellen. In einigen Tiermodellen konnte gezeigt werden, dass der suppressive Effekt der Treg-Zellen auf der Sekretion der immunsuppressiven Zytokine IL-10, IL-35 und TGF-β beruht. Treg-Zellen exprimieren in starkem Ausmaß die α-Kette des IL-2-Rezeptors (CD25). Dadurch sind sie in der Lage IL-2, einen wichtigen Wachstumsfaktor für T-Zellen, besonders effizient aufzunehmen. Da sie selbst kein IL-2 produzieren, gleichzeitig aber besonders effizient IL-2 aufnehmen können, entziehen sie den in ihrer Umgebung befindlichen Zellen diesen wichtigen Wachstumsfaktor. Treg-Zellen wirken nicht nur auf andere T-Zellen; sie können auch APZ dahingehend beeinflussen, dass diese eher immunsuppressiv als aktivierend wirken. Auch direkte zytotoxische Effekte von Treg-Zellen auf andere Zellen sind beschrieben worden. Wenn Treg-Zellen isoliert und in vitro aktiviert werden, verhalten sie sich wie anerge T-Zellen. Darüber hinaus sind sie in der Lage, die Proliferation anderer T-Zellen zu hemmen. Möglicherweise ist dieses Verhalten aber ein In-vitro-Artefakt, da In-vivo-Analysen gezeigt haben, dass Treg-Zellen eine hohe Teilungsrate sogar unter Ruhebedingungen haben. Da man also die Treg-Funktion derzeit noch nicht direkt messen kann, lassen sich noch keine sicheren Aussagen darüber treffen, ob eine Dysfunktion dieser Zellpopulation an der Pathogenese von Autoimmunerkrankungen des Menschen beteiligt ist.
Tab. 1
Seltene Autoimmunerkrankungen, die durch einen einzelnen Gendefekt verursacht werden
Gen
Erkrankung
Mechanismus
AIRE
APS-1 (APECED)
Gestörte Expression von Autoantigenen im Thymus, die zu einer Störung der negativen Selektion autoreaktiver T-Zellen führt
FOXP3
IPEX
Verringerte Anzahl CD4+CD25+-regulatorischer Zellen
CTLA4
Assoziiert mit Typ-1-Diabetes und Morbus Basedow
Gestörte T-Zell-Anergie; niedrige Aktivierungswerte von T-Zellen
FAS/FASL
ALPS
Gestörte Apoptose von autoreaktiven T- und B-Zellen
Aktuelle Arbeiten haben gezeigt, dass sich durch chronische Antigenstimulation aus naiven T-Zellen regulatorische FoxP3-positive T-Zellen induzieren lassen. Möglicherweise ist eine solche Induktion von Treg-Zellen ein neuer therapeutischer Ansatz für die Therapie von Autoimmunerkrankungen.
Die immunologische Toleranz wird durch mehrere redundante Mechanismen aufrechterhalten. Die Elimination autoreaktiver T-Zellen im Thymus wird als zentrale Toleranz bezeichnet. Im peripheren Immunsystem werden autoreaktive T-Zellen funktionell inaktiviert oder durch regulatorische T-Zellen unterdrückt.

T-Zellen und Autoimmunität

Das Auftreten von Autoimmunität wird auf mehreren Ebenen kontrolliert. Die zentrale Toleranz sorgt dafür, dass autoreaktive T-Zellen größtenteils eliminiert werden. Im peripheren Immunsystem sind eine ganze Reihe von Mechanismen an der Aufrechterhaltung von Toleranz beteiligt. Dazu zählen verschiedene inhibitorische Zytokine oder Rezeptoren, deren Aktivität von genetischen und Umweltfaktoren beeinflusst werden. Eine ganze Reihe genetischer Einflussfaktoren, die die Suszeptibilität für oder den Schweregrad von Autoimmunerkrankungen beeinflussen können, ist bereits bekannt.
Neben genetischen Risikofaktoren haben auch Umweltfaktoren Einfluss auf Autoimmunität. So können beispielsweise Infektionen akute Schübe von Autoimmunerkrankungen auslösen. Darüber hinaus hat das Mikrobiom wesentliche Einflüsse auf die funktionelle Differenzierung von Th-Zellen. Auch Rauchen oder bestimmte Veränderungen im Hormonhaushalt, z. B. durch Schwangerschaft, modulieren den Verlauf von und die Suszeptibilät für Autoimmunerkrankungen. Die Summe der individuellen Risikofaktoren prädisponiert also für die meisten Autoimmunerkrankungen.
Nur in seltenen Fällen führt ein einzelner Gendefekt zur Entstehung von Autoimmunität. Beispiele hierfür sind APECED und IPEX, denen eine Mutation von AIRE oder FOXP3 zugrunde liegt. Ein weiteres Beispiel ist ALPS (autoimmune lymphoproliferative syndrome), bei dem es durch eine Mutation des Moleküls Fas zu einer Störung des aktivierungsinduzierten Zelltodes von T-Zellen kommt. Ein großer Teil der aktivierten T-Zellen persistiert in sekundären lymphatischen Organen und peripheren Geweben und führen dort zu Autoimmunattacken. Auch Mutationen des inhibitorischen Moleküls CTLA-4 prädisponieren für Autoimmunerkrankungen wie Typ-1-Diabetes oder Morbus Basedow (Tab. 1).
Bei den meisten „klassischen“ Autoimmunerkrankungen, wie rheumatoide Arthritis, Multiple Sklerose und Typ-1-Diabetes, findet sich eine Assoziation mit verschiedenen HLA-Molekülen. Am stärksten ist die Assoziation der ankylosierenden Spondylitis mit HLA-B27: Über 98 % der Patienten besitzen dieses HLA-Allel. Auch die rheumatoide Arthritis ist mit bestimmten HLA-DR-Allelen (DRB1, Tab. 2) assoziiert. Interessanterweise besitzen diese HLA-DR-Allele ein gemeinsames Epitop (shared epitope). Dieses Epitop liegt in der antigenbindenden Grube des HLA-Moleküls. Die einzige bekannte Aufgabe von HLA-Molekülen ist die Präsentation von Antigenen für T-Zellen. Es lässt sich also vermuten, dass bestimmte HLA-Moleküle besonders gut geeignet sind, bestimmte krankheitsauslösende Selbstpeptide zu präsentieren und damit autoreaktive T-Zellen zu aktivieren. Eine alternative Erklärung wäre, dass es durch die Expression bestimmter HLA-Allele zu einer Veränderung der Selektion im Thymus und somit zum verstärkten Auftreten autoreaktiver T-Zellen kommt.
Tab. 2
Assoziation von HLA-Allelen mit Autoimmunerkrankungen
Erkrankung
HLA
Patienten [%]
Kontrollen [%]
Rheumatoide Arthritis
DR4
68
25
Typ-1-Diabetes
DR4
74
24
DR3
52
22
DR2a
4
26
Multiple Sklerose
DR2
59
26
Morbus Bechterew
B27
98
9
aHLA-DR2 kommt bei Patienten mit Typ-1-Diabetes seltener vor als bei gesunden Kontrollen. Das Vorliegen von HLA-DR2 schützt somit vor Erkrankung
Der Einfluss genetischer Faktoren auf die Suszeptibilität für Autoimmunerkrankungen darf jedoch nicht überschätzt werden. Studien haben gezeigt, dass nur eine geringe Konkordanz von Autoimmunität bei Zwillingen besteht. Es wird angenommen, dass genetische Faktoren nur zu 30 %, Umweltfaktoren aber zu 70 % für die Ausprägung von Autoimmunität verantwortlich sind. Der wichtigste Umweltfaktor sind Infektionen.
Die Assoziation bestimmter HLA-Allele mit Autoimmunerkrankungen ist ein wichtiger Hinweis auf eine Beteiligung von T-Zellen an Autoimmunität. In seltenen Fällen lassen sich Autoimmunsyndrome auf Mutationen einzelner Gene zurückführen, die an Toleranzmechanismen von T-Zellen beteiligt sind.
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