Einleitung
Dendritische Zellen (DCs) spielen eine zentrale Rolle im Immunsystem des Menschen. Sie sind spezialisierte Zellen, die als Brücke zwischen dem angeborenen und adaptiven Immunsystem fungieren. Durch die Präsentation von Antigenen aktivieren sie T-Zellen und initiieren somit eine spezifische Immunantwort. Die Erforschung von DCs und ihrer Subtypen ist von großer Bedeutung, um die komplexen Mechanismen der Immunregulation besser zu verstehen und neue Therapieansätze zu entwickeln. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte dendritischer Zellen, von ihrer Entstehung und den verschiedenen Markern, die zur Identifizierung verwendet werden, bis hin zu ihrer Funktion und Bedeutung in Forschung und Klinik.
Dendritische Zellen: Wächter des Immunsystems
Dendritische Zellen sind essenzielle Bestandteile des angeborenen Immunsystems, das als erste Verteidigungslinie des Körpers gegen Infektionen und Tumore fungiert. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, T-Zellen des adaptiven Immunsystems zu aktivieren, indem sie körperfremde Moleküle, sogenannte Antigene, präsentieren.
Dendritische Zellen bei Neugeborenen und Kindern
Neugeborene und Kinder weisen eine geringere Anzahl dendritischer Zellen auf als Erwachsene. Zudem produzieren diese frühen dendritischen Zellen geringere Mengen an Antigen-präsentierenden Komplexen. Früher ging man davon aus, dass diese Zellen funktionell unreif sind.
Aktuelle Forschungsergebnisse haben jedoch gezeigt, dass frühe dendritische Zellen, obwohl sie andere Eigenschaften als die von Erwachsenen aufweisen, durchaus eine Immunreaktion auslösen können. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Impfungen bei Kindern effektiver zu gestalten.
Ursprung und Eigenschaften dendritischer Zellen
Mithilfe fluoreszierender Marker wurde der Ursprung und die Eigenschaften dendritischer Zellen im Neugeborenen- und Jugendalter in Mäusen untersucht und mit denen erwachsener Mäuse verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass die Zellen je nach Alter aus unterschiedlichen Quellen stammen: Bei Neugeborenen stammen sie von Vorläuferzellen aus der fötalen Leber, während sie mit zunehmendem Alter durch Zellen aus myeloiden Stammzellen des Knochenmarks ersetzt werden.
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Funktionelle Unterschiede und Genaktivität
Entgegen ursprünglicher Annahmen kann ein bestimmter Subtyp der dendritischen Zellen, sogenannte cDC2-Zellen, auch im frühen Alter T-Zellen aktivieren und entzündungsfördernde Zytokine produzieren, also eine Immunreaktion auslösen. Frühe cDC2-Zellen unterscheiden sich jedoch funktionell von denen erwachsener Tiere. Es gibt jeweils spezifische Muster der Genaktivität, die dadurch hervorgerufen werden, dass die Zellen altersabhängig auf Botenstoffe des Immunsystems reagieren. Unter anderem sind Rezeptoren zur Erkennung von Pathogenen unterschiedlich exprimiert.
Bedeutung für das Verständnis des Immunsystems
Diese Ergebnisse tragen zu einem grundlegend besseren Verständnis der dendritischen Zellen bei. Das Immunsystem von Neugeborenen unterscheidet sich sowohl bei Mäusen als auch bei Menschen von dem Erwachsener, was zu einer schwächeren Immunantwort im frühen Leben führt.
Subtypen dendritischer Zellen
Dendritische Zellen sind keine homogene Zellpopulation, sondern bestehen aus verschiedenen Subtypen mit unterschiedlichen Funktionen und Eigenschaften. Die wichtigsten Subtypen sind:
- cDC1 (konventionelle DC1): Spezialisiert auf die Kreuzpräsentation von Antigenen auf MHC-Klasse-I-Molekülen, was für die Aktivierung von CD8+ T-Zellen entscheidend ist.
- cDC2 (konventionelle DC2): Präsentiert Antigene auf MHC-Klasse-II-Molekülen und aktiviert CD4+ T-Zellen.
- pDC (plasmazytoide DC): Produziert große Mengen an Typ-I-Interferonen als Antwort auf virale Infektionen.
- MoDC (Monozyten-abgeleitete DC): Entstehen aus Monozyten und spielen eine Rolle bei Entzündungsreaktionen und der Abwehr von Pathogenen.
Marker zur Identifizierung dendritischer Zellen
Die Immunphänotypisierung ist eine Methode, mit der verschiedene Zellpopulationen anhand ihrer Oberflächenmarker und intrazellulären Proteinmarker unterschieden werden können. Diese Technik basiert auf der Verwendung von Antikörpern, die spezifisch an bestimmte Marker binden. Die Wahl der Zellmarker hängt vom spezifischen Forschungskontext und den Zielen des Experiments ab.
Immunphänotypisierung
Die Immunphänotypisierung ermöglicht es Forschern und Klinikern, verschiedene Zellpopulationen in einer Probe zu unterscheiden, indem sie sich auf die Immunmarkierung von zelltypspezifischen Oberflächenmarkern und intrazellulären Proteinmarkern stützen. Diese auf Antikörpern basierende Markierung wird in der Grundlagenforschung und in der Diagnostik eingesetzt, um Krankheiten oder Krankheitsverläufe zu erkennen. Sie kann auch eingesetzt werden, um Zellen anhand von Markern auf ihrer Zelloberfläche in verschiedene Subpopulationen zu unterteilen.
Durchflusszytometrie
Die Durchflusszytometrie ermöglicht die Trennung einzelner Zellen in Lösung in Abhängigkeit von fluoreszierend markierten Antikörpern, die an das interessierende Antigen, typischerweise auf der Zelloberfläche, gebunden sind. Die markierten Zellen durchlaufen ein Durchflusszytometer, und diejenigen, die die entsprechende Markierung tragen, werden von den anderen Zellen der Population getrennt. Dies ermöglicht die gleichzeitige Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Zelltypen.
Massenzytometrie (CyTOF)
Bei der Massenzytometrie oder Flugzeitzytometrie (CyTOF) werden anstelle von Fluoreszenzmarkern Antikörper verwendet, die mit Lanthaniden oder anderen hochreinen Schwermetallen konjugiert sind. Die markierten Zellen werden dann in einem Massenzytometer analysiert, das die Schwermetallmarkierungen misst.
Immunhistochemie und Immunfluoreszenz
Die Immunhistochemie ist eine gängige Methode zur Immunphänotypisierung, bei der die Gewebestruktur, in die die interessierenden Zellen eingebettet sind, erhalten bleibt: Die Antikörperbindung in intakten Gewebeproben variiert je nach Ausprägung und Verteilung der spezifischen Zellmarker. Die Immunfluoreszenz ist ein ähnliches Verfahren, wird aber in der Regel bei kultivierten Zellen oder Zellen in Suspension angewendet.
Beispiele für Zellmarker
Es gibt eine Vielzahl von Zellmarkern, die zur Identifizierung von DCs und ihren Subtypen verwendet werden können. Einige Beispiele sind:
- CD11c: Ein Integrin, das auf den meisten DCs exprimiert wird.
- MHC-Klasse-II: Moleküle, die Antigene präsentieren.
- CD141 (BDCA3): Ein Marker für cDC1.
- CD1c (BDCA1): Ein Marker für cDC2.
- CD303 (BDCA2): Ein Marker für pDC.
- CD209 (DC-SIGN): Ein Lektinrezeptor, der auf DCs und Makrophagen exprimiert wird.
Bedeutung der Immunphänotypisierung in Forschung und Klinik
Die Immunphänotypisierung, eine Technik zur Analyse und Charakterisierung von Immunzellen anhand ihrer Oberflächenmarker und anderer molekularer Merkmale, hat in verschiedenen Bereichen der Forschung und der klinischen Praxis immense Bedeutung erlangt. Ob in der immunonkologischen Forschung, in der Arzneimittelforschung, in klinischen Studien oder in der Krankheitsdiagnostik - die Fähigkeit, ein umfassendes Profil von Immunzellpopulationen zu erstellen, hat unser Verständnis von Immunreaktionen revolutioniert und den Weg für innovative therapeutische Strategien geebnet.
Immunonkologische Forschung
Einer der wichtigsten Bereiche, in denen die Immunphänotypisierung erhebliche Fortschritte gemacht hat, ist die immunonkologische Forschung. Dieser Bereich konzentriert sich auf das Verständnis des komplizierten Zusammenspiels zwischen dem Immunsystem und den Krebszellen. Immunzellen spielen eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, Krebszellen entweder zu tolerieren oder zu bekämpfen. In diesem Zusammenhang ermöglicht die Immunphänotypisierung den Forschern, die Zusammensetzung der Immuninfiltrate in Tumoren zu analysieren. Antigen-präsentierende Zellen wie natürliche Killerzellen (NK-Zellen), dendritische Zellen und Makrophagen reagieren auf Entzündungsmarker, die von Krebszellen freigesetzt werden, und lösen eine Reihe von Immunreaktionen aus. Aktivierte T-Zellen, die in den Tumor eindringen, erkennen tumorspezifische Antigene und leiten den Prozess der Eliminierung von Krebszellen ein. Die Immunphänotypisierung hilft den Forschern, die Häufigkeit, die Verteilung und den Aktivierungsstatus dieser Immunzellpopulationen in der Mikroumgebung des Tumors zu verstehen.
Arzneimittelforschung
Im Bereich der Arzneimittelforschung bietet die Immunphänotypisierung eine einzigartige Möglichkeit zur Bewertung potenzieller Therapeutika. Forscher können mit dieser Technik beurteilen, wie Arzneimittelkandidaten die Reaktionen von Immunzellen beeinflussen. Darüber hinaus hilft die Immunphänotypisierung bei der Identifizierung unbeabsichtigter Wirkungen von Arzneimitteln auf Immunzellen. Einige Medikamente können unbeabsichtigt die Immunfunktion unterdrücken, was zu einer erhöhten Anfälligkeit für Infektionen führt.
Klinische Studien und Krankheitsdiagnostik
Klinische Studien in fortgeschrittenen Stadien profitieren erheblich von der Immunphänotypisierung. In klinischen Studien zur Bewertung der Wirksamkeit von Immuntherapien beispielsweise kann die Überwachung von Veränderungen der Immunzellpopulationen im Laufe der Zeit Aufschluss über die Wirksamkeit der Behandlung geben. Die Immunphänotypisierung spielt auch in der Krankheitsdiagnostik eine entscheidende Rolle. Bei Erkrankungen, die sich durch eine Fehlfunktion des Immunsystems auszeichnen, wie z. B. Autoimmunkrankheiten oder Immundefekte, kann die Erstellung von Profilen von Immunzellen eine genaue Diagnose und die Überwachung des Krankheitsverlaufs unterstützen.
Ursprung und Entwicklung dendritischer Zellen
Die Erforschung des Ursprungs und der Entwicklung von DCs ist ein aktives Forschungsgebiet. Es hat sich gezeigt, dass DCs aus verschiedenen Vorläuferzellen im Knochenmark entstehen können. Das Verständnis der Hämatopoese, des Prozesses der Blutzellbildung, ist entscheidend, um die Entwicklung von DCs zu verstehen.
Hämatopoese und dendritische Zellen
Die Homöostase des Immunsystems und aller Blutzellen des menschlichen Körpers erfolgt durch die tägliche Produktion von Milliarden spezialisierter Blutzellen. Der Ablauf und die Regulation der Hämatopoese sind bis heute unvollständig verstanden. In den letzten Jahren wurden unterschiedliche neue Verwandtschaftsbeziehungen in der humanen Hämatopoese beschrieben. Im revidierten Modell befindet sich erythrozytäres sowie eosinophiles/basophiles Potential in den erythro-myeloischen Progenitoren (EMP). Im lympho-myeloischen Ast wird lymphatisches Potential im multilymphatischen Progenitor (MLP) und Neutrophilen- und Makrophagen-Potential im Granulozyten-Makrophagen-Progenitor (GMP) realisiert. Insgesamt wurde Makrophagen-Potential in drei distinkten Vorläufern, dem MLP, GMP und EMP, beobachtet. Im Kontrast zu anderen Modellen besitzen beide Äste des revidierten Modells distinkte myeloische Potentiale, sodass der Ursprung von myeloischen Zelltypen in Frage gestellt wird.
Kultursysteme zur Generierung von DC-Subtypen
Für die weitere Entschlüsselung der humanen Hämatopoese wurde die Bildung von dendritischen Zellen (DC), welche aus vier heterogenen Subtypen [cDC1, cDC2, pDC und von Monozyten abgeleiteten DC (MoDC)] bestehen, untersucht. Um den Ursprung der DC-Subtypen im revidierten Modell der humanen Hämatopoese zu identifizieren, die Herkunft von Makrophagen aus mehreren Linien zu validieren und mögliche Makrophagen-Subtypen zu klassifizieren, wurde ein geeignetes Kultursystem für die Generierung von DC Subtypen, Makrophagen, Granulozyten und NK-/B-Zellen aus humanen CD34+ Zellen entwickelt.
Differenzierungspotential und Ursprung der DC-Subtypen
Durch die Analyse des Differenzierungspotentials von individuell abgelegten hämatopoetischen Stamm- und Vorläuferzellen im etablierten Kultursystem konnte das cDC1- und pDC-Potential einzig in Vorläufern mit lymphatischem Potential bzw. lymphatischer Herkunft beschrieben werden. Im Unterschied dazu korrelierte das Makrophagen-, MoDC- und cDC2 Potential sowohl mit lymphatischem als auch mit neutrophilem Potential. Basierend auf diesen Beobachtungen stammen die DC-Subtypen cDC1 und pDC ausschließlich von der MLP-Linie ab, während Makrophagen, MoDC und cDC2 aus beiden Linien, der MLP und GMP, gebildet werden.
Eigenschaften von MLP- und GMP-abgeleiteten Zellen
Um die Frage zu klären, ob die myeloischen Zellen beider Linien unterschiedliche Eigenschaften besitzen, wurden die Expressionsprofile von MLP Makrophagen, MLP MoDC, GMP-Makrophagen und GMP-MoDC zueinander verglichen. Dabei konnten MLP-spezifisch und GMP-spezifisch überexprimierte Gensignaturen identifiziert werden, sodass die Zellen linienabhängige Transkriptionsunterschiede besitzen. In diesem Rahmen wurden CD35 und CD89 als mögliche Marker für die Diskriminierung von MLP- und GMP abgeleiteten Monozyten, Makrophagen und MoDC in vitro identifiziert.
Einfluss von Signalwegen auf die Linienentwicklung
Zudem wurde der Einfluss der Notch- und Wnt Signalwege auf die Linienentwicklung in vitro getestet. Eine DLL1-Aktivierung des Notch-Signalweges induzierte die Bildung von cDC1 auf Kosten aller anderen Zelltypen. CHIR99021, ein Wnt-Signalweg-Aktivator, führte zum Anstieg der cDC1- und Makrophagen Bildung und zur Reduktion der pDC- und MoDC-Generierung.
Schlussfolgerung zum Ursprung der DC-Subtypen
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass verschiedene Makrophagen/MoDC aus mehreren Linien gebildet werden, sowie einen exklusiven Ursprung von cDC1 und pDC im lymphatischen Zweig.
Regulation der Immunantwort durch dendritische Zellen
Dendritische Zellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Immunantwort. Sie können sowohl tolerogene als auch immunogene Signale aussenden und somit die Aktivierung oder Suppression von T-Zellen steuern.
Tolerogene dendritische Zellen
Tolerogene DCs sind in der Lage, T-Zellen zu inaktivieren oder in regulatorische T-Zellen (Tregs) umzuwandeln. Dies ist wichtig, um Autoimmunreaktionen zu verhindern und die Homöostase des Immunsystems aufrechtzuerhalten.
Immunogene dendritische Zellen
Immunogene DCs hingegen aktivieren T-Zellen und initiieren eine Immunantwort gegen Pathogene oder Tumorzellen. Sie exprimieren kostimulatorische Moleküle und Zytokine, die für die Aktivierung von T-Zellen notwendig sind.
Bedeutung für die Immuntherapie
Die Fähigkeit von DCs, die Immunantwort zu regulieren, macht sie zu einem attraktiven Ziel für die Immuntherapie. Durch die Manipulation von DCs können Immunantworten gegen Krebs verstärkt oder Autoimmunreaktionen unterdrückt werden.
Dendritische Zellen in der Forschung
Dendritische Zellen sind ein zentrales Forschungsthema in der Immunologie. Sie werden in verschiedenen Bereichen untersucht, darunter:
- Immunonkologie: DCs spielen eine wichtige Rolle bei der Tumorabwehr und sind ein Ziel für Krebsimmuntherapien.
- Infektionsimmunologie: DCs sind entscheidend für die Initiierung von Immunantworten gegen Pathogene.
- Autoimmunerkrankungen: DCs können zur Pathogenese von Autoimmunerkrankungen beitragen und sind ein Ziel für therapeutische Interventionen.
- Impfstoffentwicklung: DCs sind ein wichtiges Ziel für Impfstoffe, da sie die Fähigkeit haben, starke und langanhaltende Immunantworten auszulösen.
Herausforderungen und zukünftige Perspektiven
Obwohl in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte in der Erforschung von DCs erzielt wurden, gibt es noch viele offene Fragen. Eine Herausforderung besteht darin, die komplexen Interaktionen zwischen DCs und anderen Immunzellen besser zu verstehen. Eine weitere Herausforderung ist die Entwicklung von effektiven Strategien zur Manipulation von DCs für therapeutische Zwecke.
Zukünftige Forschungsarbeiten werden sich auf die Entwicklung neuer Technologien zur Analyse von DCs konzentrieren, die Identifizierung neuer DC-Subtypen und die Aufklärung der molekularen Mechanismen, die die Funktion von DCs regulieren. Es wird erwartet, dass diese Forschungsarbeiten zu neuen Erkenntnissen über das Immunsystem und zur Entwicklung neuer Therapien für verschiedene Krankheiten führen werden.
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