Ein evolutionärer Blick auf das Immunsystem

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Unser Blog ist ein Jahr alt! Und was wäre ein besserer Weg zu feiern als ein neuer Post? Genau wie in unserem allerersten Post wird auch dieser die Grundlagen des Immunsystems behandeln – aber dieses Mal aus evolutionärer Sicht. Inspiriert durch einen Artikel über eine “Tissue biology perspective on macrophages“ (gewebebiologische Sicht auf Makrophagen) im Fachmagazine Nature überlegte ich, wie es dazu kam, dass Immunzellen ihre hoch spezialisierten Funktionen entwickelten.

 Aber genau das, die fortschreitende Spezialisierung von verschiedenen Zelltypen, ist ein Haupttrend der Evolution. Während Organismen komplexer werden, spezialisieren sich die einzelnen Zellen immer mehr und teilen die Arbeit des „am Leben zu bleiben“ zwischen einander auf! Während also die eine Zelle eines Einzellers alle erforderlichen Funktionen erfüllen muss, um zu überleben, teilen fortgeschrittenere Lebensformen wie Säugetiere diese Funktionen zuerst zwischen verschiedenen Organen dann aber auch auf Organebene, zwischen verschiedenen Zelltypen auf. Unser Gehirn und zentrales Nervensystem ist das Kontrollzentrum unseres Körper; unsere Haut eine spezielle Schicht, die uns vor Umwelteinflüssen schützt; während unsere Muskeln uns bewegen und unser Darm auf die Aufnahme von Nährstoffen, die nach der Verteilung durch unseren Körper jede Zelle mit Energie versorgen, spezialisiert ist.

Ein gutes Beispiel für die Zusammenarbeit hoch-spezialisierter Zellen innerhalb eines Gewebes ist das Gehirn. Im Gehirn führen Neuronen die wichtigste (Haupt)-funktion aus – sie übertragen Signale (in Form von Aktionspotentialen) von einer Zelle zur nächsten. Diese Signale ermöglichen es uns, auf unsere Umwelt zu reagieren, da sie zuerst Signale von den Augen oder anderen Sinnen integrieren und verarbeiten, um dann Signale an unsere Muskeln zu geben, damit wir reagieren können. Um die Geschwindigkeit der Signalübertragung zu beschleunigen, beschichten sogenannten Schwannzellen die Axonen der Neuronen mit Myelinscheiden. Mikroglia (die Makrophagen des Gehirns) auf der anderen Seite verwalten die vielzähligen Verbindungen zwischen Neuronen durch einen Prozess namens Synaptic pruning. Sowohl Mikroglia als auch Schwann-Zellen haben also unterstützende Funktionen. Die Neuronen könnten ihre Axonen auch selbst isolieren, aber in dem sie die Funktion an eine andere Zellen abgeben, sparen sie Energie und können sich auf ihre primäre Funktion konzentrieren. Während Organismen immer komplexer werden gibt es also eine Tendenz dahingehend, dass verschiedene Funktionen auf unterschiedliche Zelltypen aufgeteilt werden, also einer Spezialisierung.

Und wie passt das Immunsystem in dieses System?

Das Immunsystem ist ein spezialisiertes Hilfs-System – da alle anderen Zellen in unserem Körper die Immunabwehr von Krankheitserregern den Immunzellen überlassen. Dies führte zur Entwicklung von zwei Formen von Immunabwehr: des angeborenen und des erworbenen Immunsystems. Zellen des angeborenen Immunsystems, wie zum Beispiel Makrophagen und Neutrophile, haben Mechanismen entwickelt um oft vorkommende Strukturen auf Krankheitserregern, über sogenannte Mustererkennungsrezeptoren, zu erkennen. Sie wurden so zu effektiven und schnellen Killern gegenüber allen Eindringlingen. Adaptive Immunzellen hingegen erkennen krankheitserreger-spezifische Proteinstrukturen, die nur auf einem Pathogen vorkommen – was diese Form der Immunabwehr zwar spezifischer aber auch langsamer macht. Der adaptive Arm des Immunsystems entwickelte sich später und kommt nur in Wirbeltieren vor. Das adaptive Immunsystem konnte sich erst entwickeln, nachdem ein effizientes erstes Abwehrsystem (das angeborene Immunsystem) zur Stelle war – denn ohne diese Abwehr wären Organismen gestorben bevor das adaptive Immunsystem reagieren konnte.

Als Folge kann der Körper sich aber ohne Immunzellen nicht mehr effektiv selbst vor Krankheitserregern schützen. Ein Beispiel hierfür sind Immunschwächen wie SCID, bei denen Patienten T und (manchmal auch) B-Zellen fehlen. Unbehandelt ist diese Krankheit tödlich, nur Knochenmarktransplantationen können die Immunabwehr wieder-herstellen und die Patienten schützen.

Makrophagen sind etwas besonderes

Makrophagen haben einen besonderen Platz in dem Modell, da sie neben ihrer immunologischen Funktionen auch gewebespezifische Funktion für den Erhalt der Gewebsstruktur oder -funktion haben. Milzmakrophagen beispielsweise spielen eine Rolle beim Recycling von Hämoglobin und Eisen im Blut, während Makrophagen im Knochen (Osteoklasten) diese umbauen können und ein Mangel oder eine Dysfunktion der Zellen zu Osteoporose führt. In beiden Organen erledigen Makrophagen unterstützende Funktionen, ähnlich dem oben beschriebem für das Gehirn. In der Milz, helfen sie rote Blutzellen mit ihrer Rolle beim Transport von Sauerstoff durch Recycling der Eisen-Hämoglobin-Komplexe nach dem Tod roter Blutkörperchen. In den Knochen halten Osteoklasten mit Osteoblasten, deren primäre Funktion es ist Knochen aufzubauen, das Gleichgewicht zwischen Knochenbildung und Abbau.

Makrophagen tragen also ihren Teil dazu bei, einen reibungslosen Ablauf der Funktion verschiedener Organe zu ermöglichen, indem Sie die primären Funktions-Zellen (z.B. Neuronen) unterstützen. Und während ihre Rolle entscheidend ist, sind sie ein “Seitenprodukt” der Evolution, wobei primäre Funktions-Zellen einen Teil ihrer Funktion abgeben um effizienter in ihrer Hauptaufgabe zu werden. Dies ermöglicht eine bessere und schnellere Funktion als gesamter Organismus führt aber auch zu hochspezialisierten Zellen die nicht alleine voll funktionsfähig sind und deren Verlust zu Krankheiten führt.

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