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I.  Einleitung

I.1. Aktivierung von T-Zellen

Die Fähigkeit Antigene spezifisch zu erkennen ist fundamental für das adaptive Immunsytstem. Dies erlaubt dem Organismus nicht nur gegen potentielle fremde Pathogene zu reagieren, sondern auch fremde von körpereigenen Komponenten zu unterscheiden. Im Gegensatz zum Antigenrezeptor von B Zellen, die freies Antigen binden können, erkennen T-Zellrezeptoren (TZR) ein Antigen-prozessiertes Peptid nur im Komplex mit einem körpereigenen Molekül, dem „Major Histo-compatibiliy Complex“ (MHC). Der TZR weist somit eine duale Spezifität für das Antigen und für das MHC-Molekül auf. Dies wird als MHC-restringierte Spezifität bezeichnet. Peptid/MHC Klasse I Komplexe werden von CD8, Peptid-MHC Klasse II Komplexe werden von CD4 T-Zellen erkannt. Durch diesen Kontakt und weitere kostimulatorische Zell-Zell-Interaktionen sowie löslichen Faktoren, den Zytokinen werden die T-Zellen aktiviert; es entstehen reife T-Zellen, die ihre Effektorfunktion ausführen.

Die adaptive Immunantwort wird wesentlich durch CD4+ T-Zellen, den sogenannten T Helfer Zellen, mitbestimmt. Diese lassen sich in zwei Subpopulationen unterteilen: T Helfer Zellen vom Typ1 (Th1) und vom Typ2 (Th2). Bestimmt wird die Differenzierung zu Typ1 oder Typ2 Zellen vor allem durch das Zytokinmilieu in dem die naiven T-Zellen aktiviert werden. In Anwesenheit von IL-12 entwickelt sich eine Th1-Antwort, in Anwesenheit von IL-4 wird eine Th2 Antwort initiiert. Für die zelluläre Immunantwort sind vor allem Th1-Zellen verantwortlich, die bewirken, dass Pathogene eliminiert werden. Th1-Zellen produzieren die Effektorzytokine IL-2 und IFNγ. Eine Fehlregulation von Th1-Immunanworten ist für verschieden Autoimmunerkrankungen beschrieben worden, so für systemischen Lupus Erythematodes (SLE), Multiple Sklerose (MS) und Erkrankungen des rheumatischen Formenkreises wie Rheumatoide Arthritis. Eine Th2 Antwort steuert die humorale Immunität. Die produzierten Effektorzytokine der T-Zelle sind hierbei IL-2, IL-5 und IL-10. Diese Zytokine aktivieren Mastzellen, Basophile, Eosinophile und B Zellen. Eine Fehlregulation von Th2 Antworten führt ebenfalls zur Immunpathologie, z.b. bei Reaktiver Arthritis oder Allergien.


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I.2.  Kostimulation von T-Zellen durch CD28

Während einer adaptiven Immunantwort wird ein breites Repertoire an spezifischen Effektor-T-Zellen generiert, die verschiedene funktionelle Möglichkeiten haben. Entscheidend für die Generierung einer funktionellen Vielfalt von T-Zellen

Abb.I.2.1: Stimulation der T-Zelle. Die T-Zelle benötigt ein Signal über den TZR und ein kostimulatorisches Signal durch CD28, das über MHC-präsentiertes Antigen und CD80 und CD86 auf der Antigen-präsentierenden Zelle (APZ) bereitgestellt wird. Eine Inhibition der T-Zellstimulation kann über CD152 erfolgen, das ebenfalls die Liganden CD80 und CD86 auf der APZ bindet.

sind positive und inhibitorische kostimulatorische Signale, die die T-Zelle während einer Antigen-spezifischen Stimulation durch die Antigen-präsentierende Zelle (APZ) erhält. Dadurch wird sichergestellt, dass die Aktivierung und die Expansion der T‑Zellen nur durch professionelle APZs erfolgen kann. Die wichtigsten kostimulatorischen Moleküle sind CD28 and CD152, zwei Mitglieder der Immunglobulin-Superfamilie, die Rezeptoren für solche Kostimulation darstellen (Abb.I.2.1).

Die Aktivierung der T-Zelle wird durch ein Antigen-spezifisches Signal am T-Zellrezeptor und ein Antigen-unspezifisches Signal durch ein kostimulatorisches Molekül initiiert. Das primäre kostimulatorische Molekül auf T-Zellen ist CD28 (Abb.I.1.2 und Abb.I.2.2). Die Stimulation von CD28 durch einen seiner Liganden CD80 oder CD86 auf APZs verstärkt die Aktivierung der Zelle durch Antigen, [Seite 9↓]induziert die Expression von IL-2 und Proliferation und verhindert Apoptose, vermutlich durch die Induktion von BclxL, einem „Überlebens-Faktor“ (Linsley und Ledbetter, 1993; Mueller et al., 1989; Schwartz, 1992; Boise et al., 1995; Daniel et al., 1997).

Abb.I.2.2: Das primäre kostimulatorische Molekül auf T-Zellen ist CD28. Erfährt eine T-Zelle ein Signal über den T-Zellrezeptor und CD28, wird ihre Proliferation eingeleitet, indem die IL-2 Transkription initiiert, die IL-2 mRNA stabilisiert und die G1-Kinasen exprimiert werden. G1-Kinasen sind essentiell für die Progression des Zellzyklus.

Neben CD28 gibt es auch andere Kostimulatoren zur Aktivierung von T-Zellen (Brunner, 1999), wie ICOS (Hutloff et al., 1999), CD30 (Vinay et al., 1998), CD27 (Lens et al., 1998), SLAM (Aversa et al., 1997), Ox40 (Weinberg et al., 1998; Higgins et al., 1999) und 4-1BB (Hurtado et al., 1997). Diese alternativen Kostimulatoren scheinen hauptsächlich in bestimmten Subpopulationen von T-Zellen relevant zu sein, in voraktivierten Zellen, Th1- oder Th2-Zellen oder in CD28-negativen T-Zellen (Watts et al., 1999). So sind ICOS, Ox40 und CD30 als Kostimulatoren für hochaktivierte T-Lymphozyten insbesondere des Typs2 beschrieben (Hutloff et al., 1999; Flynn et al., 1998; Annunziato et al., 1998; Del Prete et al., 1995), während SLAM Typ2 Polarisation inhibiert und als Kostimulator für T-Lymphozyten des Typs1 wirkt, wie 4-1BB (Aversa et al., 1997; Kim et al., 1998). 4-1BB scheint zudem die kostimulatorische Rolle von CD28 in chronisch aktivierten T-Zellen zu übernehmen [Seite 10↓](nicht publizierte Daten, erwähnt in Watts et al., 1999). CD27 beschleunigt allgemein Differenzierungsprozesse und die Expansion von T-Zellen (Lens et al., 1998). Die dargestellten kostimulatorischen Moleküle unterscheiden sich dadurch, dass sie zusammen mit ihre Liganden während bestimmter Differenzierungsstadien der Zellen dynamisch exprimiert werden. Die Vielfalt der kostimulatorischen Moleküle und ihre differentielle Expression ermöglichen eine sehr genaue Kontrolle über Aktivierung, Differenzierung und Effektorfunktionen der T-Zellen.

I.3. Abschaltung von Immunantworten

I.3.1 Genetische Mechanismen zur Begrenzung von Immunantworten

Bisher wurden einige Polymorphismen u.a. der Gene von Zytokinen gefunden, die zu einer genetischen Disposition für bestimmte Pathologien wie Allergien oder Autoimmunerkrankungen führen (Daser et al., 1996). Auf der anderen Seite wurden auch Genpolymorphismen identifiziert, z.b. eine Mutation im Gen für CCR5, die vor bestimmten Immunpathologien, wie einer HIV-Infektion schützen (Samson et al., 1996).

Bei Autoimmunerkrankungen wurden vor allem auch HLA-Allele, z.b. HLA-DR4 bei Rheumatoider Arthritis, für eine genetische Disposition ermittelt.HLA-Allele werden als protektiv bezeichnet, wenn sie vermindert in der Patientengruppe gegenüber der Kontrollgruppe auftreten (zusammengefasst in Bayrak et al., 1995). Protektive Allele wurden bei Diabetes mellitus (IDDM) beschrieben, wo verschiedene HLA-DQ Allele zusammen mit HLA-DR2 eine negative Assoziation bewirken. Bei Rheumatoider Arthritis (RA) wurde eine negative Assoziation für HLA-DR2, HLA-DR5 und HLA-DR7 gefunden. In der Maus wurden bisher zwar verschiedene Kandidaten für protektive Allele ermittelt, doch weder ihr Mechanismus der Schutzfunktion war bekannt, noch war ihre Funktion in einem Krankheitsmodell gezeigt worden.

Das protektive Allel H2Ab hat einen dominanten, protektiven Effekt auf die Antikörperantwort, wenn eine Immunantwort gegen allo-4-Hydroxyphenylpurovat Dioxigenase (HPPD) ausgelöst wird. H2Ak Allele fördern die Antikörperantwort. Wir [Seite 11↓]konnten durch Affinitätstudien zeigen, dass eine stärkere Bindung des antigenen Bereiches des Proteins an H2Ab ausgeschlossen ist (Brunner et al., 1996). Durch quantitative Polymerasenkettenreaktion konnten wir zeigen, dass während der Immunantwort in Anwesenheit des H2Ak-Allels im Lymphknoten verstärkt Th2 Zytokine, in Anwesenheit des H2Ab-Allels verstärkt Th1-typische Zytokine transkribiert werden. Besonders deutlich war der Unterschied bereits 11 Stunden nach der Immunisierung: Responstiere reagierten mit einer Ausschüttung von IL-4, die in geschützten Tieren verhindert war. Die Ergebnisse wurden durch eine Blockade von IL-4 bestätigt, die eine Antikörperantwort gegen allo-HPPD in H2Ak Mäusen verhinderte.

Da auch Polymorphismen in nicht-MHC-Genen, wie z.b. IL-1, IL-2, TNFα, eine Rolle bei immunologischen Krankheiten spielen können (Daser et al., 1996), wurde in einer vergleichbaren Studie der genetische A/J-Hintergrund in die MHC-kongenen Mäuse des C57BL/10 Stammes gekreuzt. Dadurch sollte der Einfluss von nicht-MHC-Genen ermittelt werden (Brunner et al., 1996). Zwar führte selbst bei A/J Mäusen bereits ein Allel H2Ab zu einer starken Reduktion von Responstieren, doch sowohl die Antikörperantwort als auch der frühe Anstieg der IL-4 mRNA im Lymphknoten wurde durch eingeführte A/J-Gene in H2Ak/b Hybridmäusen verstärkt.

Die Schutzfunktion von H2Ab wurde in einem Krankheitsmodell für Rheumatoide Arthritis, der Kollagen-Induzierten-Arthritis in der Maus, untersucht (Mitchison and Brunner, 1996). Der Krankheits-assoziierte Mäusestamm DBA/1 wurde mit verschiedenen Mäusen gekreuzt, um H-2 Haplotypen einzugrenzen, die einen Schutz gegen Kollagen-induzierte Arthritis vermitteln. Hierbei konnten wir feststellen, dass vor allem H2Ab zu einer starken Reduktion des Krankheitsausbruchs, als auch zu einer Verminderung der Krankheitslänge beitrug. Zusammenfassend konnten wir für das protektive H2Ab Allel zeigen, dass es sich bei verschiedenen Immunantworten als „Schutzgen“ erwiesen hat. Es liegt nahe zu spekulieren, dass der Schutzmechanismus nicht allein durch die Epitopbindung zustande kommen kann, sondern Differenzierungsmechanismen wirken. Eine Möglichkeit wäre, dass die verschiedenen MHC-Allele in verschiedenen Dichten auf der Antigen-präsentierenden Zelle exprimiert werden. Die quantitativen Unterschiede könnten zu verschieden starken T-Zellstimulation führen und damit zu einer unterschiedlichen Differenzierung der T-Zellen (Brunner et al., 1996).


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I.3.2  Zelluläre Mechanismen zur Begrenzung von Immunantworten

CD28 und CD152 (CTLA-4) sind Rezeptoren der Zellmembran und liegen nebeneinander auf Chromosom 1 (Chambers et al., 1996). Die Expression von CD152 wird durch CD3- und CD28-Signale induziert. CD152 konkurriert dann mit CD28 um Bindung an die Liganden CD80 und CD86, wobei es eine höhere Affinität als CD28 hat. CD152-Signale inhibieren, durch Phosphatasen vermittelt, die Signaltransduktion des T-Zellrezeptors (Marengere et al., 1996; Lee et al., 1998). Außerdem führen CD152-Signale zur Induktion der Expression von TGF-β, einem Zytokin, das Immunreaktionen unterdrückt (Chen et al., 1998). CD152 spielt dadurch eine begrenzende Rolle bei der durch den Antigenrezeptor CD3 und den Kostimulator CD28 induzierten T-Zellaktivierung, Proliferation und Sekretion von IL-2 (Walunas et al., 1996; Krummel et al., 1996; Brunner et al., 1999).

Die fundamentale Bedeutung von CD152 für die Begrenzung von Immunreaktionen zeigt sich bei CD152-defizienten Mäusen, die bereits wenige Wochen nach der Geburt an einer lymphoproliferativenStörung sterben. Die CD152-defizienten T‑Zellen dieser Mäuse haben den Phänotyp von aktivierten T-Lymphozyten, proliferieren spontan ex vivo (Waterhouse et al., 1995; Tivol et al., 1995; Chambers et al., 1996) und infiltrieren u.a. die Leber, sogar nach dem Transfer in einen neuen Wirt (Bachmann et al., 1999). Diese Lymphoproliferation ist abhängig von Antigen und CD28-Kostimulation, denn in monospezifischen, T-Zellrezeptor-transgenen Mäusen und in solchen, in denen CD80 und CD86 durch ein CD152-Immunglobulin-Fusionsprotein geblockt sind, findet die exzessive Lymphoproliferation nicht statt (Tivol et al., 1997). In Mausmodellen konnte auch gezeigt werden, dass CD152 an pathologischen Immunreaktionen beteiligt ist. Durch Administration von αCD152 Antikörper wird die Immunreaktion gegen Parasiten verstärkt (McCoy et al., 1997), ebenso wie die Tumorabstoßung (Leach et al., 1996). Bei dem Mausmodell für Multiple Sklerose Experimenteller Autoimmune Encephalomyelitis sowie bei Diabetes in NOD-Mäusen wird der Ausbruch der Krankheiten durch Administration von αCD152 Antikörpern verstärkt und beschleunigt (Hurwitz et al., 1997; Luhder et al., 1998).


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Neben CD152 gibt es noch andere Wege der Deaktivierung von T-Lymphozyten. PD‑1, das einzige weitere inhibitorische Molekül auf T-Zellen, ist allerdings auch auf B Zellen exprimiert. Ein PD-1-Signal während einer Stimulation der T-Zelle durch αCD3 and αCD28 inhibiert die T-Zellaktivierung, -proliferation und die Zytokinproduktion. Mäuse mit einer genetischen Deletion von PD-1 entwickeln Autoimmunerkrankungen, die durch hohe Antikörperkonzentrationen im Blut charakterisiert sind. Terminal ist die Induktion der Apoptose durch das Fas/Fas-Ligand System (Moulian et al., 1998). Defekte im Fas/FasL-System können zu chronischen Autoimmunkrankheiten führen (Hünig et al., 1997). Pleiotrop inaktivierend können Zytokine wie Interleukin-10 (IL-10) und Transforming Growth Factor-β (TGF-β) wirken (Weiner et al., 1997; Letterio et al., 1998).

CD152 ist an zentralen Signaltransduktionswegen beteiligt, die Toleranzinduktion, Zellzyklus, Zelltod, Zytokinproduktion und Differenzierung von T-Zellen regulieren. Einige Daten deuten sogar darauf hin, dass durch Antigen und Kostimulation aktivierte T-Zellen durch CD152-Signale zu Gedächtniszellen werden könnten, weil sie durch CD152 im Zellzyklus arretiert und durch CD28 vor Apoptose geschützt werden (Krummel et al., 1996; Blair et al., 1998; Chen et al., 1998; Brunner et al., 1999). Im folgenden werden eigene Arbeiten zu den beschriebenen Aspekten im Zusammenhang mit CD152 untersucht, die die fundamentale Rolle von CD152 für die Regulation der adaptiven Immunantwort noch stärker betonen. Die Kenntnis der diese Vorgänge regulierenden Mechanismen ist für das Verständnis der Ätiopathogenese von Entzündungsprozessen und die Entwicklung von Therapiestrategien wesentlich.


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22.07.2004