Schlagwort-Archiv: Darmepithel

Lebensweg einer Darmepithelzelle

Wie die Darmschleimhaut aufgebaut ist, habe ich hier und hier schon mal gezeigt. Was in den alten Skizzen noch fehlte, ist die Dynamik des Epithels, durch die ständig Schäden in der Barriere repariert und alte, verbrauche Zellen ersetzt werden:

P1180516_Darmepithelzellen-Lebenszyklus_beschriftet_650

Tief in den Krypten, den engen Schluchten der Darmschleimhaut, liegen Stammzellen (*), aus denen alle Darmepithelzellen durch Teilung hervorgehen. (Den Talgrund nehmen überwiegend die Paneth-Zellen ein, hier mit J gekennzeichnet, die antimikrobielle Substanzen ausschütten.)

Die jungen Epithelzellen wandern zunächst an den Wänden der Krypten und dann an den Darmzotten oder Villi entlang. An den Spitzen der Zotten (Kreuz) schilfern die ältesten Zellen ab und werden vom Darminhalt mitgerissen. Reißt eine Infektion oder eine mechanische Verletzung irgendwo eine Lücke in das Epithel, wird diese durch nachrückende Zellen geschlossen (schwarzer Pfeil), damit keine Bakterien oder Fremdstoffe in die Lamina propria – das Bindegewebe der Darmschleimhaut – eindringen.

Nachgetragen sei auch noch eine Skizze zum Cordon sanitaire vor der Darmschleimhaut. Nähere Erläuterungen folgen im Buch:

P1180509_Cordon_Ausfall_gesamt_650

Alcaligenes: das Vieh in unseren Peyer-Plaque-Corrals

Die nächste Skizze fürs Buch:

P1180270_Alcaligenes_sIgA_ILCs_Corral_korr_650Eine der seltsamsten Entdeckungen, die in den letzten Jahren in unserem Darm gemacht wurden, ist die „Viehwirtschaft“ in den Peyer-Plaques – jenen Lymphfollikelhaufen unter dem Dünndarmepithel, in denen die lokale Immunabwehr organisiert wird.

Das Epithel, hier als Palisade dargestellt, besteht aus einer einzelnen Schicht von Enterozyten, die seitlich durch tight junctions so eng miteinander verbunden sind, dass sich nichts Gefährliches zwischen ihnen hindurch aus dem Darmlumen (oben) in das darunter liegende Gewebe (unten) quetschen kann. Aber direkt über jedem Peyer-Plaque sitzt eine M-Zelle (die Pforte), die Substanzen aus der Nahrung, Bakterien und Bakterienbruchstücke aus dem Darmlumen aufnimmt und an ihrer Unterseite wieder ausscheidet (sog. Transzytose, von trans = hindurch und Endozytose).

Dort nehmen normalerweise dendritische Zellen, die unterhalb des Epithels Wache schieben, die Antigene auf, um sie zu verarbeiten und dann in den Peyer-Plaques den naiven T- und B-Zellen zu präsentieren. Dort werden die zu den Antigenen passenden Zellen der erworbenen Abwehr aktiviert; sie vermehren sich, wandern durch die Blutbahn und kehren in den Darm zurück, wo sie z. B. Infektionen bekämpfen.

Solange keine akute Infektion vorliegt, sondern den B-Zellen vor allem Antigene aus harmlosen Darmbakterien (Kommensalen) präsentiert werden, produzieren sie sogenanntes sekretorisches Immunglobulin A (sIgA): Dimere aus zwei Y-förmigen IgA-Antikörpern, die an ihren „Stielenden“ zusammengeheftet sind. Dieses sIgA wird durch das Epithel ins Darmlumen ausgeschieden, wo es an Antigene an der Oberfläche von Kommensalen bindet. sIgA löst keine Komplementreaktion und damit keine Entzündung aus, sondern hindert die Kommensalen einfach nur daran, sich an das Epithel anzulagern und damit die Enterozyten und die Immunzellen in der Nähe „nervös zu machen“.

Manchmal aber geschieht Seltsames: Das sIgA bindet an lebende Bakterien der Gattung Alcaligenes, klopft dann gewissermaßen an die M-Zellen-Tür und wird mitsamt der Bakterien durch die M-Zellen in die darunter liegenden Peyer-Plaques eingeschleust. Ich habe das sIgA hier als Cowboys und die Alcaligenes-Zellen als Rinder dargestellt. Im Peyer-Plaque – dem Corral – werden die Bakterien nicht etwa abgetötet, sondern sie leben weiter, werden mit Nährstoffen versorgt und vermehren sich offenbar sogar.

Noch ist nicht ganz auszuschließen, dass es sich um eine perfide Ausbeutung durch die Bakterien handelt. Wahrscheinlicher ist diese Form der „Viehhaltung“ aber eine Symbiose: Alcaligenes lässt sich in geschützter Umgebung versorgen und stimmt dafür das lokale Immunsystem tolerant, indem es ihm ständig kommensalentypische Antigene präsentiert. So werden gefährliche Überreaktionen auf harmlose Kommensalen vermieden.

Wichtig ist, dass die Bakterien nicht aus ihrem Corral ausbrechen. Dafür sorgen offenbar ILCs – die vor wenigen Jahren entdeckten innate lymphoid cells, die an der Grenze zwischen angeborenem und erworbenem Immunsystem stehen. Rings um die Peyer-Plaques machen sie sich als Hirten verdient. Fehlen sie oder haben sie einen Defekt, so brechen die Alcaligenes-Bakterien aus, die örtlichen B-Zellen schalten auf die Produktion von Antikörpern des Typs IgG um, und der Dünndarm entzündet sich.

Quellen:

  • Kunisawa J. und H. Kiyono (2012): Alcaligenes is Commensal Bacteria Habituating in the Gut-Associated Lymphoid Tissue for the Regulation of Intestinal IgA Responses. Front Immunol. 2012; 3: 65, doi: 10.3389/fimmu.2012.00065
  • Sonnenberg G. F. et al (2012): Innate Lymphoid Cells Promote Anatomical Containment of Lymphoid-Resident Commensal Bacteria. Science 336: 6086; doi: 10.1126/science.1222551

 

Verlierer im ewigen Wettlauf: Warum Siglecs verloren gehen

Neulich fragte ein Leser meiner alten Blogartikel zu den Sialinsäuren und Siglecs, warum der Mensch vor 2-3 Millionen Jahren das Primaten-Siglec verloren hat, das die Sialinsäure N-Glycolylneuraminsäure (Neu5Gc) erkennt. Auf der Basis eine neuen Artikels von Vered Padler-Karavani et al. (Rapid evolution of binding specificities and expression patterns of inhibitory CD33-related Siglecs in primates, The FASEB Journal, 05.12.2013) möchte ich das so erklären:

Die grundsätzliche Funktion von Siglecs, nämlich die Erkennung von säugetierzelltypischen Sialinsäuren zwecks Blockade überzogener Immunreaktionen, habe ich im vorigen Beitrag dargestellt. Damit diese Blockade gelingt, muss zum einen die körpereigene Zelle (hier eine Darmschleimhautzelle, links) ihre Sialinsäuren vorzeigen (Peace-Zeichen). Zum anderen muss die Immunzelle (rechts) diese Sialinsäuren erkennen und von anderen Sialinsäuren unterscheiden können, die zum Beispiel zu einem Pathogen gehören. Das Siglec ist also ein Rezeptor, der genau zum Signal passt:

Siglec-Evolution_01_Darmzelle_Immunzelle_650Jedes derartige Erkennungssystem ist von zwei Seiten angreifbar. Zum einen können Pathogene die Sialinsäuren der Körperzellen als Anker verwenden, um an die Zellen anzudocken und dann in sie einzudringen. Ein bekanntes Beispiel sind die Influenza-Viren, die mit den Hämagglutininen auf ihren Hüllen an die Sialinsäure N-Acetylneuraminsäure (Neu5Ac) binden. Aber auch Bakterien können mit dem passenden Rezeptor an die Sialinsäuren von Schleimhautzellen o. ä. andocken:

Siglec-Evolution_02_Darmzelle_Pathogen_650Andere Pathogene bedecken sich mit Sialinsäuren, um an die Siglecs der Immunzellen zu binden, in diese einzudringen und sich in ihnen zu vermehren. Sie fälschen gewissermaßen die Peace-Zeichen, um sich als Säugetierzellen zu tarnen (molekulare Mimikry):

Siglec-Evolution_03_Pathogen_Immunzelle_650Die Pathogene und ihre Wirte können auf diese Weise in ein doppeltes evolutionäres Wettrüsten geraten:

Mit Sialinsäuren überzogene Krankheitserreger zwingen die Säugetier-Immunzellen, ihre Siglecs so zu modifizieren, dass sie nicht mehr auf die gefälschten Friedenszeichen hereinfallen. Die Veränderung der Siglecs zieht dann Modifikationen der molekularen Mimikry der Pathogene nach sich, und so weiter (oberer Teufelskreis im nächsten Bild).

Krankheitserreger mit Siglec-artigen Rezeptoren zwingen die Säugetierzellen dagegen, ihre Sialinsäure-Signatur zu verändern, um nicht mehr infiziert zu werden. Diese Signaturänderung wiederum zwingt die Pathogene, ihre Siglec-artigen Rezeptoren zu modifizieren, um weiter an ihre Wirte andocken zu können (unterer Teufelskreis).

Bei all diesen Änderungen darf aber die Passung zwischen der Säugetier-Sialinsäure und dem entsprechenden Immunzellen-Siglec nicht verloren gehen; auch hier üben beide Seiten aufeinander einen Selektionsdruck aus (mittlerer Teufelskreis).

Siglec-Evolution_04_gesamt_mit_Teufelskreisen_650Manchmal lassen sich all diese Selektionsbedingungen für das Säugetier nicht mehr gleichzeitig erfüllen. Das scheint bei unseren Vorfahren vor zwei bis drei Millionen Jahren mit dem Paar Neu5Gc und Siglec-12 geschehen zu sein: Durch wiederholte Angriffe von mehreren Seiten verloren die beiden Gene ihre Funktion. Menschliche Zellen stellen seither kein Neu5Gc her, bauen es aber in ihre Membranen ein, wenn wir es mit der Nahrung aufnehmen. Und unsere Immunzellen erkennen dieses Neu5GC nicht mehr als harmlos, sondern lösen u. U. Immunreaktionen dagegen aus.

Toleranz oder Entzündung: eine Frage der Position

Die nächste Skizze fürs Buch. In die Membran von Darmepithelzellen sind zahlreiche Rezeptoren eingebaut, die Bakterienbestandteile erkennen – z. B. bakterientypische CpG-DNA (DNA-Abschnitte mit einem hohen Anteil der Nukleobasen Cytosin und Guanin).

Die Stimulation ein und desselben Rezeptortyps, z. B. TLR-9, kann unterschiedliche Folgen auslösen, je nachdem, an welcher Seite der Epithelzelle sie stattfindet. Weiterlesen

Schwerter zu Pflugscharen

Das Darmepithel, der Schleim mit seinen antibakteriellen Substanzen und die darmnahen Lymphozyten sollen unser Gewebe nicht nur vor Pathogenen (oben rechts) schützen, sondern auch vor Angehörigen der normalen Darmflora, die aus dem Darmlumen (links) ausgebüxt sind und im Gewebe Unheil anrichten (Mitte). Solche Symbionten werden aus dem Verkehr gezogen, ohne einen Großalarm auszulösen: Entzündungshemmende Zytokine und regulatorische T-Zellen (Tregs) begrenzen den Schaden, den eine Entzündung stets für den eigenen Organismus mit sich bringt. Gefährliche Keime lösen dagegen eine Entzündungsreaktion aus, die bei extrazellulären Pathogenen Th2- und Th17-dominiert und bei intrazellulären Pathogenen Th1-dominiert ist.  Weiterlesen

Sesam öffne dich: Dendritische Zellen und Tight Junctions

Im gesunden Darm ist das Epithel für Pathogene und ihre Giftstoffe nahezu undurchdringlich, da die Epithelzellen in der Nähe ihrer apikalen (also dem Darmlumen zugewandten) Seite durch Bänder von sogenannten Tight Junctions eng miteinander verbunden sind. Diese sehen unter dem Elektronenmikroskop in der Aufsicht ein wenig wie Steppdecken aus (Bildmitte). Die „Steppnähte“ bestehen aus speziellen Proteinen, die zusammen wie ein Klettverschluss funktionieren (rechts). Die Proteine tragen zum Teil sprechende Namen wie Claudin (von lat. claudere = schließen, versperren) oder Occludin (von lat. occludere = zuschließen). Claudin ist ein Transmembranprotein, dessen beide Enden im Zytoplasma der Epithelzelle lokalisiert sind und das mehrfach die Membran durchstößt, um im Raum zwischen zwei Epithelzellen zwei Schlaufen zu bilden, die sich mit den Schlaufen der Nachbarzelle „verhakeln“, aber auf bestimmte Signale hin den Durchgang freigeben (rechts, Querschnitt durch die Membranen zweier Epithelzellen).   Weiterlesen

Die Darmschleimhaut: Slartibartfaß‘ Meisterwerk

Dass unsere Darmschleimhaut eine Gesamtfläche von 200 bis 300 Quadratmetern einnimmt, liegt an ihrer mehrfachen Fältelung (Falten, Zotten und Mikrovilli). Die Fläche muss so groß sein, um alle Nährstoffe aus der Nahrung aufzunehmen. Zugleich bergen die enorm große Kontaktfläche zum Darmlumen und die Aggressivität des Darminhalts (Verdauungsenzyme, pH-Wert, Mikroben) Risiken, die durch physikalische, chemische und physiologische Schutzmaßnahmen minimiert werden.   Weiterlesen

Immunologisches im neuen „Spektrum der Wissenschaft“

Auf S. 9 des Juni-Heftes von Spektrum der Wissenschaft werden die Ergebnisse zweier Fachartikel zum Thema Darmflora und Immunabwehr zusammengefasst. Beide unterstützen die sogenannte Hygiene-Hypothese, der zufolge die Zunahme von Allergien und Autoimmunerkrankungen in den Industriestaaten mit einem übermäßigen Schutz des frühkindlichen Darmtrakts vor Mikroben oder mit einem verfrühten Verschluss des anfangs durchlässigen Darmepithels zusammenhängt:

Torsten Olszak und sein Team haben in Tierversuchen nachgewiesen, dass es in der Kindheit (jedenfalls von Mäusen) ein Zeitfenster gibt, in dem eine natürliche Darmflora nötig ist, um die sogenannten natürlichen Killerzellen in Schach zu halten und überschießenden Immunreaktionen wie Asthma und Allergien (und vermutlich auch Autoimmunerkrankungen) vorzubeugen. Der im März 2012 in Science erschienene Fachartikel ist im Netz als PDF frei zugänglich.

Auch David Hill und seine Mitarbeiter haben junge Mäuse ihrer natürlichen Darmflora beraubt und festgestellt, dass die Tiere später zu viele der für Allergien typischen IgE-Antikörper im Blut hatten und ihr Immunsystem überempfindlich reagierte. Das PDF dieses Artikels aus Nature Medicine findet sich ebenfalls im Netz. Beide Forschergruppen vermuten, dass die Verhältnisse beim Menschen ähnlich sind.

Auf den Seiten 22 bis 29 berichten Edgardo D. Carosella und Nathalie Rouas-Freiss von den Ergebnissen ihrer langjährigen Erforschung der Immuntoleranz im Mutterleib, die dafür sorgt, dass das mütterliche Immunsystem das Gewebe des heranwachsenden Embryos (der ja zur Hälfte väterliche, also fremde Proteine exprimiert) im Normalfall nicht attackiert. Die embryonalen Zellen exprimieren ungewöhnliche Oberflächenmarker, die in den HLA-G-Genen codiert sind und die natürlichen Killerzellen an Angriffen hindern. Das Intro des Artikels findet sich auf den Seiten von Spektrum der Wissenschaft; Abonnenten können dort auch das PDF abrufen.

Bisphenol-A-Aufnahme rund um die Geburt könnte Neigung zu chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen steigern

Junge Ratten. Foto: Alexey Krasavin, CC BY-SA 2.0, www.flickr.com/photos/25093010@N00/355310300

In den letzten Wochen habe ich im Rahmen eines kleinen Auftrags viel über potenzielle Gesundheitsschäden durch das Xenoestrogen Bisphenol A (BPA) gelesen. In einigen Fachartikeln kamen auch mögliche Beeinträchtigungen des Immunsystems zur Sprache. Hier die Zusammenfassung eines dieser Texte — wie immer: noch nicht richtig allgemeinverständlich aufbereitet.

 

Viorica Braniste et al.: Bisphenol A in the Gut: Another Break in the Wall? Multi-System Endocrine Disruption. Research and Perspectives in Endocrine Interactions, 2011, 127-144, doi: 10.1007/978-3-642-22775-2_9

Abstact: In unserem Darmepithel werden Estrogenrezeptoren exprimiert, und zwar bereits im Fetus. Dieses Epithel und die Immunzellen in der darunter liegenden Schleimhaut sind die erste Verteidigungslinie unserer Immunabwehr. Das Darmepithel ist bei der Geburt noch sehr durchlässig; so kommt es in den folgenden Wochen und Monaten zu zahlreichen Begegnungen zwischen Bakterien und anderen Substanzen aus dem Lumen, die es durchdringen, und den noch unreifen Immunzellen, die auf diese Weise trainiert werden, Selbst und Fremd zuverlässig zu unterscheiden. Estrogene sind wichtige Signale für das Wachstum, die Strukturierung und den Erhalt einer normalen Epithel-Barriere. In Versuchen an Ratten bewirkte BPA, das in niedriger Dosis (5 µg pro Kilogramm Körpergewicht pro Tag, ein Zehntel des Grenzwertes für die orale Aufnahme beim Menschen) an trächtige und stillende Weibchen verfüttert wurde, bei den Jungtieren eine verminderte Zellteilung im Darmepithel und eine Verringerung der Durchlässigkeit des Epithels.    Weiterlesen