Pathophysiologie des

Gastrointestinaltrakts

Eva Untersmayr-ElsenhuberInstitut für Pathophysiologie

Medizinische Universität Wien

eva.untersmayr@meduniwien.ac.at

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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