Immunsystem

Versuch einer vereinfachten Darstellung

Das menschliche Immunsystem gehört zu den komplexesten Systemen des Körpers überhaupt: Ein kaum durchschaubares Netzwerk von Zellen und Molekülen (z. B. Antikörper), die uns vor mitunter gefährlichen Viren und Bakterien schützen. Verschiedene Zelltypen und Moleküle beeinflussen sich dabei gegenseitig. Sie machen aufmerksam, verstärken, reizen, beruhigen oder wandeln sich um. Es gibt auch Zellen, die Bausteine oder Zellen zerstören können. Zur Komplexität trägt der Umstand bei, dass laufend neue Erkenntnisse hinzukommen – der Erkenntnisgewinn bezüglich des Immunsystems illustriert exemplarisch die Entwicklung der modernen Medizin in den letzten 100 Jahren.

Wir sind umgeben von Pathogenen: Bakterien, Viren, Pilzen, Einzellern und anderen infektiösen Organismen. Das Immunsystem der Säugetiere hat im Verlauf der Evolution gelernt, den Körper vor diesen Organismen zu schützen. Schauen wir uns die Funktion des Immunsystems am Beispiel des Virus an, das für die Covid-19-Pandemie verantwortlich ist: SARS-CoV-2. Das Immunsystem schützt den Körper vor Pathogenen, indem im Idealfall das Eindringen der Pathogene verhindert wird, eingedrungene Pathogene bekämpft werden und allenfalls durch Pathogene beschädigte Zellen repariert oder eliminiert werden. Das Immunsystem wird gelegentlich an Hand des Swiss Cheese-Modells erklärt: Man stelle sich das Ganze als mehrere hintereinander gelegte Scheiben Emmentalerkäse vor: Jede dieser Scheibe hat Löcher und reicht zum alleinigen Schutz nicht aus. Kombiniert bieten sie aber einen sehr guten Schutz. Es kommt nicht von ungefähr, dass komplexe technische Systeme mit einem vergleichbaren Ansatz geschützt werden – und dass dieses Modell auch als strategisches Grundmodell zur Bewältigung der Pandemie angesehen wird.

Die Haut und die Schleimhäute bilden einen elementaren Schutz gegen eindringende Pathogene. Die Hautoberfläche ist mit ca. 1,7 m2 allerdings viel kleiner, als die ebenfalls mit der Aussenwelt in Kontakt stehende Oberfläche der Lunge, die mit knapp 100 m2 etwa halb so gross wie ein Tennisfeld ist. Während die oberen Atemwege mit Schleimhaut ausgekleidet sind und eindringende Pathogene in der Schleimoberfläche abgefangen werden, ist die Oberfläche der Lungenbläschen nur von einer dünnen Epithelschicht bedeckt. Für den Gasaustausch macht das Sinn (damit der Weg, den der Sauerstoff von der Lunge in die Blutgefässe zurücklegen muss, möglichst kurz ist) – das macht die Abwehr von Pathogenen aber anspruchsvoller. Auch die Darmschleimhaut ist im Vergleich zur Körperobefläche riesig – dahin gelangen Pathogene aber nur, wenn sie das Säurebad im Magen überstehen. 

Bronchialwand am Übergang von grossen (mit Schleimhaut) zu kleinen Bronchien (ohne Schleimhaut)

Die Schleimhaut der Atemwege kann man sich wie ein Fliessband vorstellen, bei dem die Schleimschicht von Flimmerhaaren tagein, tagaus in Richtung Mund transportiert wird, wo der Grossteil des Schleimes geschluckt wird. Lücken in diesem Fliessband (z. B. durch Rauchen zerstörtes Flimmerepithel) führen dazu, dass Pathogene direkt zu den darunter liegenden Zellen gelangen können. Auch Sars-CoV-2 dringt über die Atmung in die Luftwege ein. Grössere Tröpfchen mit eingeschlossenen Viren lagern sich auf der Schleimhaut ab. Versagt die Schleimhautbarriere, gelangt das Virus zu tiefer liegenden Epithelzellen – es hat die erste Abwehrreihe überwunden. Aerosole, die heute als Hauptübertragungsweg des SARS-CoV-2 angenommen werden, gelangen aber bis tief in die Region der kleinsten Bronchien und Lungenbläschen, wo es keine Schleimhautbarriere gibt. Das ist möglicherweise ein Grund für die hohe Infektiosität des Virus. 

Um sich vermehren zu können, muss es in eine Zelle eindringen und diese so umprogrammieren, dass die Zelle neue Viren produziert. Viren können aber nicht einfach so in unsere Zellen eindringen – sie benötigen dazu eine Tür und einen Schlüssel, um diese Tür zu öffnen. Unsere Zellen haben an der Oberfläche eine Vielzahl von sogenannten Rezeptoren (eine Art Türen), an die z. B. Moleküle andocken können. Jeder Rezeptor verfügt über Schlüsselelemente – verschiedene Coronaviren machen sich das zu Nutzen, indem sie einen Schlüssel für den ACE2-Rezeptor entwickelt haben (sogenannte Spikeproteine). Sie können so an Zellen andocken, die über diese Rezeptoren verfügen und in die Zelle eindringen. ACE2-Rezeptoren sind eigentlich Eiweissmoleküle, die in der Zellmembran sitzen, wobei ein Teil nach aussen vorsteht (der Rezeptorbereich). Normalerweise binden körpereigene Moleküle an diese Rezeptoren, die z. B. eine Rolle bei der Blutdruckregulation spielen. Diese ACE2-Rezeptoren sind insbesondere in den Wänden von Alveolen und Kapillaren, aber auch in verschiedenen Organen im Körper vorhanden.

Wieso Covid-19 nicht (nur) eine Atemwegsinfektion ist

Alveolarwand mit ACE2-Rezeptoren

SARS ist das Kürzel für «Schweres Akutes Respiratorisches Syndrom». Die Infektionskrankheit SARS wurde 2002 erstmals beobachtet und äusserte sich in Form einer atypischen Lungenentzündung. Weil ACE2-Rezeptoren nicht nur in der Lunge (vor allem auch in der respiratorischen Zone der Lungenbläschen), sondern auch in den Wänden der kleinen Blutgefässe stark verbreitet sind, führt die Infektion rasch zu einer Entzündung und Schädigung der kleinen Gefässe und damit aller stark durchbluteten Organe. Covid-19 muss deshalb als Multiorganerkrankung und nicht als reine Atemwegserkrankung verstanden werden.

Angegriffene Zellen senden Hilferufe aus, indem sie sogenannte Zytokine produzieren. Sie sind die Depeschen, mit denen sich verschiedene Komponenten des Immunsystems untereinander verständigen. Auf den Alarm reagieren sogenannte Phagozyten (Fresszellen) – Granulozyten (eine Art weisse Blutzellen) und sogenannte Makrophagen – die Eindringlinge, aber auch beschädigte eigene Zellen angreifen, sie verschlingen, mit Chemikalien auflösen und dabei weitere Zytokine produzieren, die Viren beispielsweise hindern, sich zu vermehren. All das führt zu Rötung, Schwellung und Hitze und Funktionseinschränkung – den typischen Entzündungszeichen, die zeigen, dass das Immunsystem arbeitet. Aber wie können die Phagozyten erkennen, welche Zellen nicht körpereigen bzw. beschädigt und/oder von Viren befallen sind?

Der Körper verfügt dafür über ein komplexes Erkennungssystem: Abbauprodukte oder Teile der Zelle (Peptide) werden von Zellen gesammelt und in den Lymphknoten «ausgestellt». Neue weisse Blutzellen wandern aus dem Knochenmark in die Lymphknoten und lernen dort ausgestellte Peptide kennen. Sie schliessen sich dann den Milliarden von weissen Blutzellen an, die laufend durch den Körper patroullieren und auf Alarme von Zellen achten.

Dieses angeborene Immunsystem ist bei allen Tieren vorhanden. Es ist schnell, reagiert innert Minuten nach dem Eindringen der Viren, aber es ist unspezifisch. Es reagiert auf alles, was als nicht eigen, in unserem Fall als nicht menschlich angesehen wird. Dank der Schnelligkeit kann es den Ausbruch der Infektion bremsen und dem anderen Teil des Immunsystems, dem erworbenen Immunsystem Zeit verschaffen. Dieses ist zwar sehr spezifisch und potent, benötigt aber länger (2–3 Wochen), um diese spezifische Abwehr aufzubauen. Dazu gehören zum Beispiel spezialisierte T-Zellen. Dies sind selektive und vorprogrammierte weisse Blutzellen. Es gibt zwei Sorten von T-Zellen: T-Helferzellen und T-Killerzellen. Helferzellen koordinieren den Angriff auf Viren (oder andere Pathogene), die T-Killerzellen übernehmen den Job, die infizierte Zelle zu zerstören. Eine infizierte Zelle hat spezifische Antigene (spezielle Moleküle) an ihrer Oberfläche, die T-Killerzellen anzeigen, dass diese Zelle zerstört werden muss. Nur eine T-Zelle, die genau auf dieses Antigen passt, kann an der Zelle andocken und Cytotoxine (Zellgifte) in die Zelle abgeben, um sie zu zerstören. Die Reste der zerstörten Zelle werden dann von Makrophagen entsorgt. Im Körper gibt es 25 Millionen bis eine Milliarde unterschiedlicher T-Zellen. Der Körper ist so auf eine Vielzahl von möglichen Pathogenen vorbereitet. Von Viren befallene Zellen werden von den T-Zellen zerstört. Das erklärt, wieso Infektionen immer auch zu Gewebeschäden führen.

Immunabwehr als Ganzes: Barrieren und Übergang von der angeborenen zur erworbenen Immunabwehr

Das Immunsystem bildet aber nicht nur spezifische T-Zellen, sondern stellt auch spezielle Abwehrmoleküle, sogenannte Antikörper her, die an die Viren binden und diese damit inaktivieren. Diese Antikörper werden in sogenannten B-Zellen hergestellt. Auch B-Zellen reagieren (wie die T-Zellen) spezifisch auf ein Antigen (z. B. einen Bestandteil eines Virus). B-Zellen greifen Pathogene an, die sich ausserhalb der Zellen befinden, T-Zellen hingegen solche, die sich in infizierten Zellen befinden. Auch die Menge der B-Zellen im Körper eines Menschen sind unvorstellbar gross: Man nimmt an, dass bis zu 10 Milliarden verschiedene B-Zellen existieren. Bindet eine B-Zelle an ein Antigen (z. B. das SARS-CoV-2), werden von T-Helferzellen Botenstoffe produziert, die der B-Zelle den Auftrag erteilen sich vielfach zu teilen. Ein Teil dieser B-Zellen verwandelt sich dann in Plasmazellen, die grosse Mengen von Antikörpern bilden. Das sind Moleküle, die an das Antigen binden  und das Virus so inaktivieren. Viren, die mit Antikörpern bedeckt sind, können nicht mehr in körpereigene Zellen eindringen. Darum nennt man diese Antikörper auch «neutralisierende» Antikörper.

Wurden alle Viren aus dem Körper entfernt, reduziert der Körper die Menge der im Blut zirkulierenden Antikörper, die spezifisch auf dieses Virus reagieren. Ein Teil der T- und B-Zellen wird zu sogenannten Gedächtniszellen. Sie tragen die Erinnerung an das Virus in sich. Dringt dasselbe Virus wieder in den Körper ein, so beginnen sie sofort wieder mit der Bildung von Antikörpern. Dabei verläuft die Produktion deutlich schneller (wenige Tage) und ist auch viel stärker, als beim ersten Kontakt mit dem Virus.

Auch wenn das Immunsystem verschiedene Sicherungsfaktoren eingebaut hat, damit sich die Abwehrmechanismen nicht gegen eigene Zellen oder körpereigene Moleküle richten: Wie bei jedem anderen Organsystem können auch hier Fehler auftauchen, die dieses geniale System stören oder sogar unbrauchbar machen. Man spricht dann von sogenannten Autoimmunerkrankungen, bei denen sich Teile des Immunsystems gegen den Körper richten. In bestimmten Fällen wird aber auch gezielt versucht, Teile des Immunsystems zu unterdrücken, beispielsweise nach Transplantationen – man spricht dann von immunsuppressiven Therapien.

Ein letzter abschliessender Gedanke: Unser Immunsystem besteht unter anderem aus mehreren Milliarden von Zellen, die laufend im Körper «patroullieren». Jede Zelle im Körper benötigt Energie. Ein Teil des Grundumsatzes (des Energieverbrauchs in Ruhe) ist dem reibungslosen Funktionieren unseres Immunsystems geschuldet.