Immunpathologie und Ernährung Teil 3a 2010 11bflm.wzw.tum.de/cms/UserFiles/File/Immunpathologie_und_Ernaehrung_Teil... · Immunpathologie und Ernährung 1. Ernährung und Immunfunktion

Immunpathologie und Ernährung

1. Ernährung und Immunfunktion2 Entzündung und Stoffwechsel2. Entzündung und Stoffwechsel

• Mechanismen der Entzündung• Überernährung und Entzündung• Überernährung und Entzündung• Mangelernährung und Entzündung• Postaggressionsstoffwechsel und Immundefizienz• Postaggressionsstoffwechsel und Immundefizienz

3. Darm und EntzündungD ii t I t I ität d T l• Darm-assoziiertes Immunsystem: Immunität und Toleranz

• Gastrointestinale InfektionenCh i h t ü dli h D k k• Chronisch entzündliche Darmerkrankungen

• Glutensensitive EnteropathieL b itt l ll i• Lebensmittelallergie

The „Inner Tube of Life“

Immunorgan zur Regulation von Immunität und Toleranz

1 Anatomie des Darm-assoziierten Immunsystems1. Anatomie des Darm-assoziierten Immunsystems2. Darmepithelzellen als Barriere mit Immunfunktion3. Lymphozyten im Darm und Antigenpräsentation4 Mik b Wi t I t kti4. Mikroben-Wirts Interaktion5. Mechanismen der Toleranz

Darm als Grenzfläche zwischen Umwelt und Wirt

Mucin

Microbes and food

Intestinal epithelium

Gut-associated immuneSystem (GALT)System (GALT)

Enteric nervous system(ENS)( )

Mesenteric and visceral fat

Anatomie der Immunabwehr im Darm

M Zellen

Muzin

DC

sIgA

EpithelMØDC

Peyer’schePlaquesImmun-

T-ZellenB-Zellfollikel

botenstoffe

Crypt LympheB-ZellenT-Zellen

Mesenterial-lymphknotenZirkulation im

Bl tBlut

Das Darm-assoziierte Immunsystem = GALT

E k llPeyer‘sche Plaque, B-Zell FollikelLamina Propria Lymphozyten, IEL

Effektorstellen

p y p y ,

Induktive Stellen

Anatomie der Immunabwehr im Darm

I d kti dEffektormechanismen Induktion derImmunantwort

Effektormechanismenoder Toleranz

Payer’sche Plaques und Mesenteriallympknoten

Darmepithel und Immunzellen der Lamina Propria y p

Darm-assoziiertes Immunsystem

p

1. Differenzierung2. Proliferation3 Verteilung “Homing”3. Verteilung Homing

Anatomie der Immunabwehr

Mukosa-assoziiertes lymphatisches Gewebe

stem

sm

unsy

s

Verbindung der mukosalen Oberflächen

es Im

m Verbindung der mukosalen Oberflächenüber das lymphatische System und die systemische Zirkulation

mie

de

Ana

tom

A




Das Darmrohr und seine Oberflächen

Darmrohr0,33 m2 (x1)

Kerkring‘sche Falten1m2 (x3)

Darmzotten (Villus)10m2 (x30)

Das Darmrohr und seine Oberflächen

Mikrovillusstruktur aufDarmepithelzellen200m2 (x600)

Das Darmrohr und seine Oberfächen

Verbindungspunkte (Junction)Verbindungspunkte (Junction)der Darmepithelzellen

Biologie des Darmepithels

Darmepithelzellenp

1 Absorption von Nährstoffen1. Absorption von Nährstoffen

2 Barrierefunktion2. Barrierefunktion

3 I f k i3. Immunfunktion

Darmepithelzellen

unstirred water layer

Mukusschicht

unstirred water layer

Hydrolasen nFcR MHCTLRHydrolasenTransporter

nFcR MHCCD1d

TLR

I B

NF-κB

IκBα

NF κBSignaltransduktionEnergie

pIgR nFcR

Basalmembran

p g nFc

Fibroblasten

Lösliche Mediatorenzellulärer Kommunikation

Absorption

Charakteristika von Epithelzellen

1. Cohasive interaction between cells, alleviating the formation of cell layers

2 Existence of three membrane domains: apical lateral2. Existence of three membrane domains: apical, lateral, basal

3. Tight junctions between apical and lateral domain

4. Apicobasal polarized allocation of the various organelles, transporters and cytoskeleton components

5. Lack of motility and a cablestone-like morphology

Zelltypen der Darmepithelschicht

1. Enterozyten (~80%)

2. Becherzellen

3. Panethzellen

4. Follikelassoziiertes Epithel (M-Zellen)

5. Enteroendokrine Zellen

Heterogene Einzelzellschicht des Darmepithels

Tsukita et al. 2001 NatureCosnier et al. 2006 Nature

Stammzellen in der Epithelkrypte

Parker et al. Nature 2007

Lgr5 Genexpressionals Stammzellmarker

Lgr5(Leucine rich repeat containing(Leucine-rich-repeat-containingG-protein-coupled receptor 5)ist ein Orphan G-Proteingekoppelter Rezeptorg pp p

P: Paneth CellsCBC: Crypt Base Columnar Cells

Immunfunktion von Darmepithelzellen

1 A ti ä t ti1. AntigenpräsentationMHC Klasse I und II MoleküleMHC-verwandte Moleküle (z B CD1d)MHC verwandte Moleküle (z.B. CD1d)

2. Immunglobulintransportneonatale Fc Rezeptor für IgG (FcRn)Polymere IgR (IgA-Transport)

3. ImmunaktivierungK ti l t i h M l külKostimulatorische MoleküleZytokine und ZytokinrezeptorenToll-like RezeptorenToll like Rezeptoren

4. AbwehrmechanismenAntimikrobielle Substanzen

Darmepithelzellen im Kontakt mit der Basalmembran

Apical

Kontaktstellen der Darmepithelzellen

Adh

Apical

Tight Junctions

Adherence Junctions

Desmosomes

Lateral

Gap Junctions

Basal Hemidesmosomes

Gleichgewicht zwischen Proliferation und Differenzierung

Proliferation

RestitutionRestitution

Differenzierung

Signalgeber in der Proliferation und Differenzierung

Signaltransduktion über E-Cadherin und β-Catenin




Antigenaufnahme und Prozessierung im Darm

Spezialisierte Lymphozyten im Darm

IEL

IntraepithelialeLymphozyten (IEL)

Epithel

Basalmembran

L i P i

Lamina Propria

Lamina Propria

Lymphozyten (LPL)

LPL

Spezialisierte Lymphozyten im Darm

IEL ist eine spezialisierte Lymphozytenpopulation. bestehend aus

IEL

IEL ist eine spezialisierte Lymphozytenpopulation. bestehend ausαβ und γδ CD3+ T-Zellen (CD45 RO+, αEβ7+). Sie haben zum Ziel dasDarmepithel zu überwachen. IEL produzieren Zytokine und habenzytotoxische Funktion (CTL). IEL-Epithelzell Verhältnis 1:6. CD4+ <

IELy ( ) p

CD8+ (1:10).

LPL sind hoch aktivierte Lymphozyten. Die Aktivierung erfolgt

LPL

weniger über TCR/CD3, sondern über kostimulatorische Signale derCD2-CD58/CD28-CD80 Rezeptoren. Die geringe proliferativeAktivität der LPL Population wird über Redox-Gleichgewichte(C t i /C ti ) d t hi h f kt i T t h(Cysteine/Cystin) und trophische faktoren wie Tryptophan(IDO=Indolamin-2,3-dioxygenase) gesteuert. Fördern die terminaleDifferenzierung mukosaler B-Zellen zu sIgA+ Plasmazellen.

Anatomie des ImmunsystemsImmunabwehr im Darm - Lymphozyten

Oberflächenmarker PBL (%) LPL (%) IEL (%)Oberflächenmarker PBL (%) LPL (%) IEL (%)

CD4+ 65 65 20

CD8+

αβ TCR

35

95

35

95

80

50

γδ TCR

Integrin αEβ7+

3

0

3

30-40

50

90Integrin αEβ7

IL-2R (α-chain) CD25+

CD45RO

0

<5

30 50

30 40

15-30

65 95

90

15-30

85CD45RO+

CD45RA+

30-50

60-90

65-95

10-22

85

15-20

TCR polyklonal oligoklonal oligoklonalTCR polyklonal oligoklonal oligoklonal

Migration von Lymphozyten in den Darm

Infiltration naiver Lymphozyten in PP des GALT

1. Hochendotheliale Venolen (HEV) in der parafollikolären Region der PP e primieren MAdCAM 1 (m cosal addressin cell adhesion molec le 1)exprimieren MAdCAM-1 (mucosal addressin cell adhesion molecule 1)

2. Modifizierte MAdCAM-1 Strukturen besitzen in der „Mucin-like Domain“ L-Selektin-bindende O-linked Zuckerstrukturen (CHO) und bindet an L-Selektin

3 L Selektin ist stark exprimiert auf naiven Lymphozyten3. L-Selektin ist stark exprimiert auf naiven Lymphozyten 4. α4β7 Integrin (Darmaddressierung) interagiert mit MAdCAM-1 allerdings

weniger stark exprimiert in naiven Lymphozyten5 Interaktion zwischen ICAM-1/2 (Intercellular adhesion molecule 1) auf HEV mit5. Interaktion zwischen ICAM-1/2 (Intercellular adhesion molecule 1) auf HEV mit

LFA-1 (Leucocyte function-associated molecule 1)

Migration von Lymphozyten in den Darm

Homing von Effektorlymphozyten in die Lamina propria

1. Flache Lamina propria Venolen (LPV) im diffusen GALT exprimieren MAdCAM-1 (mucosal addressin cell adhesion molecule 1) interagieren mit stark exprimiertem α4β7 Integrin (Darmaddressierung) p β g ( g)

2. L-Sektin unabhängige Interaktion zwischen Effektorzellen und LPV3. Interaktion zwischen ICAM-1/2 (Intercellular adhesion molecule 1) auf LPV mit

LFA-1 (Leucocyte function-associated molecule 1)

Mukosa-assoziiertes lymphatisches Gewebe

Produktion von IgA im Darm

Immunabwehr im Darm - Lymphozyten

Humorale Zusammensetzung des Immunsystems im Darm

Schleimhäute• Gastrointestialtrakt• Respiratorischer Trakt

Lymphorgane• Knochenmark• Lymphknoten• Respiratorischer Trakt

• Urogenitaltrakt• Sekundäre Drüsen

• Lymphknoten• Milz

13% IgM

6% IgG1% IgD

1% IgD

13% IgM

30% IgA

80% IgA

g

52% IgG80% IgA

17% IgM

> 6 x 1010 Zellen ~ 2,5 x 1010 Zellen

B2 cells B1 cells

hi h/ l l hi h

Peyer’sPatches

(PP)

IgMhigh/IgDlow

CD5- and Mac1-

IgMlow/IgDhigh

CD5+ and Mac1+( )

Bone marrow-derived

Th-dependent

Peritoneal/pleural cavities

Th independentMesentericLymph Nodes

(MLN)

Th-dependent

Antigen-specific IgAresponses

Th-independent

Multireactivity with bacterial and auto-antigens

IgM and IgA cells express germ line

sIgA

express germ-line encoded V-genes

No affinity maturation

Lamina PropriaNatural IgA producingB-cells

Not found in PP and peripheral lymph nodes

Transepithelialer Transport von sekretorischem IgA

Funktion von sekretorisches IgA im Darm

1

Lamina propria Epithel Lumen

1

2

3

4

B Zell Differenzierung und IgA Produktion

Mikroorganismen induzieren sekretorisches IgA im Darm

Macpherson et al. 2000 Science

IgA und Toleranzinduktion – Round trip

Cothésy 2007 J. Immunol.






a.Dendritenzellrouteb.M-Zellroutec. Epithelzellroute

Antigenpräsentation durch dendritische Zellen (DC) im Darm

Antigenpräsentation über dendritische Zellen

Antigenpräsentation im Darm

a.Dendritenzellrouteb.M-Zellroutec. Epithelzellroute

Antigenpräsentation über Peyer`sche Plaques



CD20 B-ZellmarkerCD3 T-ZellmarkerCD3 T-Zellmarker

Follikel-assoziiertes Epithel und M-Zellen

Antigenaufnahme aus dem DarmlumenAntigenaufnahme aus dem Darmlumen

M-ZellenM Zellen

Follikel-assoziiertes Epithel und M-Zellen

Follikel-assoziiertes Epithel (FAE)überzieht Lymphfollikel im Darm und hat

i li i t M ( i f ld) Z ll dispezialisierte M (microfold)-Zellen, dieAntigene aus dem Darm aufnehmen undsubepithelialen Lymphozten präsentieren.

FAE hat spezifische Glycocalyx ohnemembran-assoziierte Hydrolasen, kaumy ,Mukus- oder Defensin/Lysozym-produzierende Zellen, exprimiert keinLaminin 2 und kein pIgR und hat keineLaminin-2 und kein pIgR und hat keinesubepithelialen Myofibroblasten.

Follikel-assoziierte Crypten

Anatomie des ImmunsystemsStruktur und Funktion der Domregion

SED: subepitheliale DomregionIFR: interfollikulare RegionIFR: interfollikulare Region

Fakten zur Funktion der M-Zelle

1. M-Zellen sind polarisiert, bilden tight junctions aus und formen ausgeprägte apikale und basolaterale Membranstrukturen

2. Charakteristisch für M-Zellen sind intraepitheliale Taschen (M-cell pockets), die Bindungsstellen für Lymphocyten enthalten

3. Aufnahme (Transzytose) von Antigenen (Mikroorganismen, Nahrungs-bestandteile, Partikel) durch:

Clathrin-vermittelte Liganden-induzierte EndozytoseFlüssig-Phase PinozytoseFlüssig-Phase PinozytoseAktin-abhängige Phagozytose

4. Subepitheliale Domregion (SED) enthält Antigen-präsentierende Zellen u.a. Dendritische Zellen (DC)

5. M-Zelldifferenzierung erfordert Lymphozyten, da SCID Mäuse (severe-combined immuno-deficient) keine Lymphfollikel FAE und M-Zellen ausbildenimmuno-deficient) keine Lymphfollikel, FAE und M-Zellen ausbilden

6. Antigenaufnahme durch M-Zellen und Prozessierung in Lymphfollikel vermittelt überwiegend systemische Toleranz (Oral tolerance = specific immunological unresponsiveness) gegenüber luminalen Mikroorganismen und Nahrungsbestandteilen, nicht aber Enteropathogenen

Villus-assoziierte M-Zellen

M Zellen

Rot (TRITC-UEA)( )Ulex europaeus agglutinin

Enterozyten

Grün (FITC-WGA)Wheat germ agglutinin

Becherzellen

UEA + WGAUEA + WGA

Jang et al. 2004 PNAS

Villus-assoziierte M-Zellen in Abwesenheit von PP

PP null Mäuse LTα-/-

M Zellen

Rot (TRITC-UEA)( )Ulex europaeus agglutinin

Enterozyten

Grün (FITC-WGA)Wheat germ agglutinin

Becherzellen

UEA + WGAUEA + WGA

TNF/LTα-/- Inhibition ofDifferentiation 2(Id2-/-)

Antigenpräsentation im Darm

a.Dendritenzellrouteb.M-Zellroutec.Epithelzellroute

Lymphozyteninteraktion mit Darmepithelzellen

CD8+

IEL MHC II CD1dIELγδ TCR

MHC II CD1d

αβ TCRCD2

CD4+

IELMHC II

CD58

MICA / MICB

β2m

αβ TCR CD4+

CD58

MHC IIC II 8

CD1dβ2

gp180αβ TCR

CD8+ αβ TCRCD28

CD4LPL

MHC IIM

HC

CD

58MHC ICD8+

IEL β2mR

αβ TCR

CD4+

αβ

TCC

D2CD8+

IELCD4+

LPL

Darmepithelzellen sezernieren Exosomen mit MHC Molekülen

Darmepithelzellen sezernieren Exosomen mit MHC Molekülen




Induktion spezifischer Immunität oder oraler Toleranz

ToleranzImmunität

Orale Toleranz

Tag 1 Tag 21 Tag 24

Antigen Antigen

ImmunitätA

Antigen Antigen

ImmunitätA

Antigen Antigen

ToleranzB

Antigen

T ZellTransfer

ToleranzC

Welche Zellen und Faktoren vermitteln orale Toleranz

Orale Toleranz beschreibt die systemische Reaktionslosigkeit des Immunsystems auf ein Antigen nach vorangegangener oraler Gabe

1. CD4+ Zellen

y g g g g

• TH3 Zellen → Suppression durch die Sekretion von TGF-β

• TR1 Zellen → Suppression durch die Sekretion von IL-10

CD4+CD25+ Zellen Suppression durch TGF β gebunden auf der• CD4+CD25+ Zellen → Suppression durch TGF-β gebunden auf der Zelloberfläche (Zell-Zell-Kontakt)

2 CD8+ Zellen2. CD8+ Zellen

3. Natürliche Killer T Zellen (NKT)

Regulation oraler Toleranz

1. Dosis des Antigens

• High-dose resultiert in Lymphocyten Anergy/Deletion

• Low-dose resultiert in der Aktivierung regulatorischerT Zellen

2. Form des Antigens

• Lösliche Antigene sind tolerogener als partikuläre Antigene

3. Genetik des Wirts

4. Darmmikrobiota des Wirts

5. Alter des Wirts

• Neugeborene haben eine stärker immunogene AntwortNeugeborene haben eine stärker immunogene Antwort

Signale zur Toleranzinduktion in T-Zellen

l

Regulation oraler Toleranzn im Darm

Nahrungsantigen

CommensaleBakterien

Enteropathogene

InnateImmunantwort

NaïveTH

AdaptiveImmunantwort

T foxp3 IL-4 IgA/GCD8 GATA3TbetTH1

foxp3TReg IL-5

IgA/GB

CD8CTL

GATA3TH2

TH3IFN-γTNF

IL-10TGF-β

IFN-γTNF

TGF-β IgA-JB




3. Darm und EntzündungD ii t I t I ität d T l• Darm-assoziiertes Immunsystem: Immunität und Toleranza. Vitamin A und T-Zelldifferenzierung

G t i t ti l I f kti• Gastrointestinale Infektionen• Chronisch entzündliche Darmerkrankungen

Gl t iti E t thi• Glutensensitive Enteropathie• Lebensmittelallergie

Struktur von Vitamin A und seiner Derivate

Aufnahme und Metabolisierung von Vitamin A

Sekretion von Retinol in das Lymphsystem und Portalvene

• Retinol bindet in EnterozytenCRBP IIan CRBP-II

• Retinylester werden in yChylomikronen eingebaut

Aufnahme und Metabolisierung von Vitamin A

Retinol wird zu all-transRetinsäure oxidiertRetinsäure oxidiert

• ADH = alcohol dehydrogenase• SDR = short chain dehydrogenase/reductase• RALDH = retinal dehydrogenase

Retinsäure (all-trans) und regulatorische T Zellen

Retinsäure (all-trans) und regulatorische T Zellen

Retinsäure induziert α4β7 Integrin und Homing in den Darm

RA-treated T cells (green) homepoorly to PLN, but home efficientlyto MLN and PPto MLN and PP.

Retinsäure induziert α4β7 Integrin und Homing in den Darm

Retinsäure induziert IgA Produktion durch B-Zellen

• RA programs DCs toimprint mucosalimprint mucosalhoming properties on activated B cells

• GALT-DC activityleads to an increaseof α4β7 and CCR9β

• GALT-DC induce IgAsecretion in B cells




3. Darm und EntzündungD ii t I t I ität d T l• Darm-assoziiertes Immunsystem: Immunität und Toleranzb. Aminosäuren und Immunfunktion

G t i t ti l I f kti• Gastrointestinale Infektionen• Chronisch entzündliche Darmerkrankungen

Gl t iti E t thi• Glutensensitive Enteropathie• Lebensmittelallergie

Arginin und Immunfunktion

Arginin

Arg ist eine nicht-essentielle Aminosäure. Arg ist beteiligt an derProtein-, Harnstoff- und Nukleotidbiosynthese, ATP Gewinnung undNO Freisetzung NO ist ein Mediator der Immunantwort und wirktNO Freisetzung. NO ist ein Mediator der Immunantwort und wirktzytotoxisch auf Tumorzellen und Mikroorganismen. Arg als Vorläuferfür Polyaminsynthese, die eine Bedeutung für DNA Replikationh bhaben.

Arg stimuliert die Thymusfunktion, verbessert dieLymphozytenproliferation, Wundheilung, NK Zellaktivität,Makrophagen Zytotoxicität, DTH Antwort. Arg verringert die Mortalitätbei Sepsis und erhöht die Resistenz gegen Infektionen.p g g

Arg in einer Konzentration von 40 g/Tag (Normal ~ 4g/Tag) erhöhtMitogen vermittelte LymphozytenproliferationMitogen vermittelte Lymphozytenproliferation.

Metabolismus von Arginin

Gly

Creatine

Arginin als Substrat für NOS und ARG

Bronte and Zanovello 2005 Nature Rev. Immunol.


NO Harnstoff


NOHA = N-hydroxy-L-Arginin; CAT2B = Kationischer Aminosäuretransporter; MBP = Major Basische Protein

Arginin als Immunmodulator

Myeloide Suppressorzellen reduzieren freies L-Arg und produzieren HarnstoffHemmung der translatorischen Aktivität der T Zellen


Zea et al. 2004 Cell. Immunol.

L-Arg reguliert die Expression der CD3 Zetta-Kette des T-Zellrezeptors


Myeloide Suppressorzellen produzieren NOHemmung der IL-2 Produktion der T Zellen

Arginin und Immunfunktion

Bronte and Zanovello 2005 Nat. Immunol.

Tryptophanstoffwechsel und Immunfunktion

Mellor and Munn 2004 Nat. Rev. Immunol.

Tryptophanstoffwechsel und Immunfunktion

I d l i 2 3 di l S h lt i h T l d I itätIndolamin-2,3-dioxygenase als Schalter zwischen Toleranz und Immunität


Effekte der IDO im Immunsystem


Tryptophan als Substrat der Immunantwort

IDO; Indolamin-2,3-Dioxygenase

IFN-γ

Tryptophan-katabolismus

Hemmung von

• Pathogenen• Tumore• Effektor T-Zellen

IDO als Regulator T-Zell-vermittelter Toleranz

T cells DC

Fallarino et al. 2003 Nature Immunol.

IDO als Regulator T-Zell-vermittelter Toleranz

Wechselwirkung zwischen T Zellen und DC induziert Tryptophankatabolismus

Fallarino et al. 2003 Nature Immunol.

Immunpathologie und Ernährung Teil 3a 2010 11bflm.wzw.tum.de/cms/UserFiles/File/Immunpathologie_und_Ernaehrung_Teil... · Immunpathologie und Ernährung 1. Ernährung und Immunfunktion

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