Pathophysiologie des
Gastrointestinaltrakts
Eva Untersmayr-ElsenhuberInstitut für Pathophysiologie
Medizinische Universität Wien
16.05.2007
Vorlesungsablauf
07.05.07: Pathophysiologie Ösophagus 08.05.07: Pathophysiologie des Magens 09.05.07: Nahrungsmittelallergien/-Intoleranzen
14.05.07: Pathophysiologie des Intestinums 15.05.07: Entzündliche u. maligne Darmerkrankungen 16.05.07: Mukosale Immunität
- Luminale Verteidigung:sekretorisch, unspezifisch
MukusSerös Lysozym, Laktoferrin, Peroxidase, …
Sekretorisch, spezifisch: IgAFlora
- Statische Verteidigung:EpithelienPaneth ZellenEnterochromaffine ZellenGoblet Zellen
- Mobile und rekrutierbare Verteidigung:Intraepitheliale LymphozytenNeutrophile, Eosinophile Granulozyten
Immunität der MukosaDarmschleimhaut (400 m2) größte Kontaktfläche nach außen Schutz vor Noxen, Toxine, Pathogene
Aber auch Aufnahmeort für lebenswichtige Nährstoffe Nahrungsaufnahme
Darm als Immunorgan – GALT
Mechanismen der natürlichen und adaptiven Immunantwort
Organe der spezif. Abwehr: GALT (gut associated lymphoid tissue)
Darm als Immunorgan – GALT
Nahrungsaufnahme Schutz von Pathogenen
Intestinale Mukosa
• Lumen: sekretorisch, unspezifisch
• Statisch
• Rekrutierbar
Mukosale Abwehr
Fluid phase: Mukus• Mucin Glykoproteine (MGs): 30 – 90% Karbohydrate
mit Serin- oder Threonin-Galactosaminyl Glykopeptidbindung
• Lubrizierender Biofilm
• Protektion vor physikalischen und chemischen Schäden
Fluid phase: Mukus
1 – 2 m layer
Mucin-2: dünn-flüssiger• verhindert Kolonisierung und virale Infektion (HIV, HSV)
durch Fluid phase Karbohydrate
Mucin-1 (MG1): größer, zäher• Barriere gegen Toxine, Enzyme, Säuren, Carcinogene• AB0 and Lewis Antigene• sIgA• Komplexe mit Amylase, Prolin-rich-Proteins (PRPs),
Statherin, Histatins
1 – 2 m layer
Fluid phaseUnspezifische Immunfaktoren
• Lysozym
• Laktoferrin
• Peroxidase
• Histatine: Histidin-reiche -helikale Peptide, bakteriostatisch,In Saliva sind sie die wichtigsten anti-fungalen Faktoren (Candida a.), Abnahme - HIV Infektionen begünstigt
• PRPs: Proline-rich proteins (25 – 40%), binden Pflanzen-polyphenole, übersättigen Saliva mit Ca-Phosphat
• Cystatine: aus Monozyten/Makrophagen,binden bakterielle Pili – anti-adhäsiver Effect
Spezifischer Faktor: sIgA
PRP: Baxter et al Biochemistry 1997
Lysozym (Muramidase)
NAMNAG
Polymerisierung
Murein
Kationische Proteine (in Parotis: 1-10 mg/L)Trennen β-1,4-Bindung zwischen NAG & NAM
Spaltung des Murins aus Bakterienwänden
N-acetyl-glucos-amine
N-acetyl-muramin-
säure
Lysozym (Muramidase) • Bindet NAG-NAM Strukturen• Aktivität gegen Gram-positive Bakterien• tötet auch Organismen ohne Peptidoglykan (Fungi) weil kationisch
Gram positive Zellwand
Gram negative Zellwand
Gram positiveBacillaceaeMicrococcaceaeMycobacteriaceaePeptococcaceaeGram negativeAcetobacteriaceaeAlcaligenaceaeBacteroidaceaeChromatiaceaeEnterobacteriaceaeLegionellaceaeNeisseriaceaeNitrobacteriaceaePseudomonadaceaeRhizobiaceaeRickettsiaceaeSpirochaetaceaeVibrionaceae
1. Laktoferrin – äußere Membran
PEPSIN
2. Laktoferricin (RRWQWRMKKLG)– innere Membran
• aus Neutrophilen und Epithelzellen
• Transferrin Familie
• Eisen-bindendes Glykoprotein (Parotis: 1-10mg/L)
• 10-20 mg/L in Saliva, 1g/L (!) in Muttermilch
• eliminiert Fe++, Kofaktor für bakterielles Wachstum
• destabilisiert äußere Bakterienwände erlaubt Attacke durch mikrobizide Peptide
Laktoferrin
H2O2 H2O + Oxidation eines Substrates (Elektronen-Donor)
Thiocyanat ist der Haupt-Donor : SCN-
Die Reaktion: H2O2 + SCN- H2O + OSCN-
Bakterien: (Streptococci)Peroxid
ThiocyanatMukosa
oxidiertThiole in
Bakt. wandHypothio-cyanite
Peroxidasen ausSpeicheld.-Epithel
1) ABWEHRNeutralisation des Peroxids
2) ANGRIFFErzeugung von Hypocyanit
Entero-chromaffine Z.:„Gelbe Zellen“:Gehören zu APUD
Sie produzieren Serotonin, Gastrin, Sekretin, Somatostatin, VIP, Enteroglukagon,Cholezysteokinin
Paneth Zellen:
Lysozym, Peptidase- und - DEFENSINE :antimikrobielle Polypeptidebeinhalten IgG, IgA
.
Zellen beteiligt an „sekret.“ Abwehr
Defensine
-Defensine
- Faltblatt
Kationische antibiotische Peptide
Aus Neutrophilen
-Defensine
- Faltblatt-Struktur, Disulfidbrücken
Kationische antibiotische Peptide
Fungizide und bakterizide Aktivität gegen Gram-positive Bakterien
Aus Paneth Zellen(– in Mäusen Kryptidine)
Aus UCLA-DOE Inst. for Genomics and Proteomics
• In Vertebraten & Invertebraten, Pflanzen• Lysieren bakterielle Zellwände • Lumen:
sekretorisch, spezifisch
• Statisch
• Rekrutierbar
Mukosale Abwehr
Spezifischer Faktor in Fluid phase• IgA: der prominenteste Isotyp in der Mukosa
• Meist produzierte Ig-Klasse, 2/3 davon ist sIgA
• Hauptquelle: Knochenmark
Produktion (mg/Tag) IgA IgGZirkulation 2100 2100
Saliva 200 2
Tränen 5 ?
Galle 400 160
Kleines Intestinum 5200 600
Grosses Intestinum 1200 140
Nasopharynx 45 15
Urin 3 3
Total 9200 3000
J
sc
Mestecky 1986; Clin Immunol Immunopathol.
Sekretorisches IgA Sekretorisches IgA: Dimer - (22L)2,J
Serum IgA: Monomer – (22L)
Disulfid-Brücken
J-chain:Plasma
zellen
sc:polyIgR
IgA1Bakt. . Haben IgA-spez. Proteasen
Erweiterte, hoch glykosylierte Gelenksregion
sIgA
mIgA
Fluid phase: Spezifische Abwehr
IgA1: gewöhnlich in Serum
Disulfid-brücken
J-chain:Plasma
Zellen
sc:polyIgR
IgA1Bakt. IgA-
spez. ProteasenStreptococcus sanguis,
S.pneumoniae, Hämophilus influenzae, Neisseria gonorrh.,
Neisseria. mening.
Fluid phase: Spezifische AbwehrIn Mukosa ist 50% IgA2
IgA2 hat 2 Allotypen: A2m(1) und A2m(2) (98% in Kaukasiern)
Funktionelle Adaption:IgA2 hat keine Gelenksregion (aa 217-241 deletiert)
IgA1Bact. IgA-
specific proteases
• verkürztes, inflexiblesGelenk
• Lösliches 2L
2L
(2)2,J
IgA2
Isotypische, allotypische Variation
Epithelzelle
poly-IgR
Endo- und Transzytose
IgA-Dimer + sekretorische Komponentemit 5 Ig-like DomänenPlasmazelle
IgA-Dimermit J-chain
Phosphorylation
• IgA Sekretion - Neutralisation• Antigentransport
• Endogene Reinfektion, e.g. EBV
IgA: sekretorisches Immunglobulin
Induktionsorgan
•Peyers Patch60% B-Zellen
40% T-Zellen
0,4% Myeloide Zellen
Mesenterial-Lymphknoten:B-Zellreifung und Proliferation
Effektororgane• Urogenital-Trakt• Darm• Speichel- und Tränendrüsen• Brust• Respirationstrakt
Pathways für IgA
Mukosale Immunität in NeonatenKolostrom: 2 Tagen 10 – 20 mg/ml sIgA
Milch: ~ 5 Monate 0,5 mg/ml sIgA(IgG: 0,3 – 0,5 mg/ml in Milch)
Passive orale Immunotherapy
IgA
• Lumen: Die Flora
• Statisch
• Rekrutierbar
Mukosale Abwehr
Darmflora• Wir sind steril geboren
• Natürliche AbfolgeDurch Ingestion – Entwicklung des Immunsystems
• Bacteroides (Anaerobier), Bifidobacteria (30%), Eubacteriae (Anaerobier)E. Coli (fakultative Anaerobier)
• Erwachsener Mensch 1 x 1014 Zellen- 10% menschl. Zellen
• Kolon: > 400 SpeziesDichte von 1 x 1011 Organismen / mL
• Kompetition mit pathogenen Populationendurch Substrat-Streit, ungünstigen pHund Colicine – antibakterielle Substanzen
• Brust versus Formula Fütterung
• Brustmilch: unverdaubare Karbohydrate – Präbiotika unterstützen Bifidabacteria und Lactobacilli (Probiotika)
• Geburt: Maternale Flora (Kolon, Vagina) bildet die hauptsächliche kindliche Darmflora
• Th2 Dominanz – Gegenregulierung durch Bakterien, die TGF and IL-10 stimulieren
• Bewirken IgA Antworten und natürliche Abwehr
Kolonisierung in Neonaten
• Lumen
• Statisch: Epithelien, Paneth, Enterochromaffine, Goblet Zellen
• Rekrutierbar
Mukosale AbwehrDifferenzierte Epithelien:
• antimikrobielle Substanzen
• Zilien, Tight junctions
• Mukus Produktion
• Epithelialer Turn-over:EGF oder TNF(Makrophagen und Keratinozyten)
• Desquamation
• Epithelialer Repair: PDGF, TGF
(Thrombozyten, Keratinozyten)
Statische Abwehr: Barriere
apikal
basolateral
Brush border
perijunct. Aktinomyosin-Ring
second messengersCalzium, cAMP,Proteinkinase C
Kisses (Membranfusion)
parazellulär transzellulär
Big things: Rezeptor-m. Endozytose
Small things: Pinozytose
Mukosale Barriere - Tight junctions
Aktivierter Enterozyt / Keratinozyt:– Ionen Sekretion, Permeabilität– Antigen Präsentation (MHC I and II) – akt. Suppressor T-Zellen
(oral Tolerance)– poly-IgR und secretory component– ICAM Expression und
Langerhans Migration– produziert IL1, IL-5, IL-6, IL-8, TNF-
Epithelzelle moduliert ImmunantwortBakterien
IFN, TNF
Goblet ZellenMukus Produktion:
• Basale Sekretion
• Irritantien – stimulierte Sekretion: Exozytose der Granula
• Asthma: IL-4 und IL-13 binden an IL-4R -Kette, aber nur IL-13 induziert die Goblet Zell Hyperplasie (Kondo et al. American J. of Respiratory Cell and Molecular Biology 2002)
• Lumen
• Statisch
• Mobil und rekrutierbar
Mukosale Abwehr
Intraepitheliale Lymphozyten: IEL• Thymus-unabhängige und -abhängige T-Zellen• 80% CD8+• 50% tragen TCR or (TCR-2), 50% TCR (TCR-1)• -Zellen differenzieren im kleinen Intestinum
• Der TCR-2scannt nicht-klassische MHC I auf Epithelzellennach Aktivierung – secretory (Leishman et al. Science 2002)
• TCR-1: wahre IEL, dendritic epidermal T-cell (DETC), IL-6 Prod.,Partizipation in Wundheilung (Jameson et al. Science 2002)
• Beteiligung bei viralen Infektionen und Toleranzinduktion ?
V
C
TCR-1 TCR
V
C
V
C
V
C
V
C
V
C
CD8+
ADCCTrigger
IgE
Fc-RI
Invasion von Antigenen
IgA
C3b
Respiratory burstPhagozytose
ECF
MBP, H2O2 CR
Bei parasitären Erkrankungen
Mastzellen und Granulozyten
• Lumen
• Statisch
• Rekrutierbar Neutrophile, Monozyten, T-Zellen, B-Zellen, NK-Zellen
Mukosale Abwehr
Musc. mucosae
Peyersche Platten (Plaques)
Effektor
Glandulae intestinales(Lieberkühn crypts)
Villi intest.
0-niveau
Goblet
Lamina propria
Mukosale Abwehr: Effektor Organ
• Fluid phase und Kolonisation• Residierende Zellen• Mobile und rekrutierbare Zellen
Musc. mucosae
Peyersche Plaques
Antigen aus Lumen
Induktor Organ
Glandulae intestinales(Lieberkühn crypts)
Villi intest.
0-niveau
Goblet
Lamina propria
M-Zellen
MALT: 85 % des lymphat.
Gewebes
67 % der AK-Produktion
Mukosale Abwehr: Induktor Organ
Endozytose
LysosomenPhagosomen
T
B
B
Small things Big things
MT
Die Natur des Antigens und Aufnahmestelle: entscheidend für Antwort
Antigentransfer
B-cellAktivierung
IgA-Produktion
Peptid-Transfer ohne Verdau
Sekretorisches IgAIgG: ADCC IgE: MastzellSensibilisierung
Plasmazelle
Pinozytose
Differenzieren durch lösliche B-Zell Faktoren(Kerneis Science 277; 1987)
Membranöse, M-Zellen
Antigen
Processingund PräsentationMit MHC II
IgA
B
Th
B
help
P
Thhelp
B M
Ko-stimulation
und Ko-stimulation
Induktion von ImmunitätAntigen Präsentation entscheidet zwischen
Immunität und Toleranz
Wie wird eine T-Zelle aktiviert?Signal 1: Spezifische Interaktion MHC/TCR
Signal 2: Kostimulation B7/CD28
Folge:
Proliferation, Zytokinsynthese
T- Zell AktivierungDie T-Helferzelle hilft B-Zellen
Synthetisierte Zytokine induzieren Isotypswitch
B- Zell Aktivierung
Aktion Th1 Th2 Th3(T-switch cells)
produziert IFN, IL-2 IL-4, IL-5, IL-10 TGF-
Aktiviert durch
IL-2 IL-2/IL-4 IL-4
Macht Type IV Reaktivität
IgG1, IgE IgA
Supprimiert Th2 Th1 Th1/Th2
Charakteristika von Th-Zell Subsets Antigentransfer über Epithelzelle
Toleranz über Anergie
AG-Erkennungohne Kostimulation
Endozytose
Lysosomen
Epithelzellen:MHC II Präsentation,
aber keine KostimulationTOLERANZ
Phagosomen
B-Zellen, Makrophagen:MHC II Präsentation und KostimulationIMMUNITÄT
T
B
B
Small things Big things
MT
Lokalisation des Antigentransfer
Wörterbuch Immunologie und Allergologie (Springer 2004)
Gastrointestinaltrakt (Erika Jensen-Jarolim)
Quellenangabe
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