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Was Waddingtons epigenetische Landschaft mit dem Immunsystem zu tun hat

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Jetzt wird’s abstrakt … und danach wieder etwas konkreter. Die Erläuterung verschiebe ich auf das Buch. 🙂 Nur so viel: Die Anordnung der Einflussfaktoren im unteren Bild ist willkürlich. Epigenetische Veränderungen, Umweltsubstanzen (z. B. aus der Nahrung) und Aktivitäten unseres Mikrobioms können auch einen gesunden Endzustand des Systems fördern.

Nur so viel: Die Anordnung der Einflussfaktoren im unteren Bild ist willkürlich. Epigenetische Veränderungen, Umweltsubstanzen oder die Aktivitäten des Mikrobioms können auch einen gesunden Endzustand des Sstems fördern.

Frühwarn- und Entsorgungssysteme

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Gar nicht so leicht für Parasiten und Pathogene, unbemerkt in uns einzudringen: Die Härchen auf unserer Haut verlängern die Zeit, die ein stechendes oder beißendes Insekt braucht, um eine geeignete Stelle zu finden, und warnen uns vor den Plagegeistern. Da die Körperflüssigkeiten von Insekten oft Pathogene enthalten, die durch Stiche und Bisse in unser Blut gelangen, kann man die Behaarung als Teil unseres Immunsystems ansehen.

Schädliche Bakterien, Würmer usw., die in unseren Verdauungstrakt eingedrungen sind, werden dort von zähen Substanzen aufgehalten, die die Schleimhaut absondert, und bei Bedarf zusammen mit größeren Schleimmengen hinausgespült.

Die ökologische Perspektive: Auch unsere Plagegeister haben Plagegeister

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Gestern war kein so produktiver Tag, was das Autoimmunbuch angeht. Abends sind dann doch noch zwei Skizzen fürs Einführungskapitel entstanden.

Nicht genug damit, dass unser Immunsystem ein furchtbar kompliziertes Netzwerk ist – die Wechselwirkungen enden auch nicht an unserer Haut. Vielmehr gehören wir Ökosystemen an, in denen zum Beispiel auch Krankheitserreger untereinander in Wechselwirkung treten. So kann es sein, dass ein Wurm, der sich in uns eingenistet hat, seinerseits von Parasiten befallen ist, in denen sich Bakterien tummeln, in denen Viren leben. Und sie alle haben im Lauf der Evolution Mechanismen hervorgebracht, um einerseits ihre Plagegeister unter Kontrolle zu halten und andererseits die Schutzmaßnahmen ihrer Wirte abzumildern:

Auch auf einer Hierarchiestufe dieser Babuschka-Netzwerke herrscht keineswegs Eintracht. Erreger unterschiedlicher Art (oder auch derselben Art, aber aus unterschiedlichen Stämmen oder in verschiedenen Entwicklungsstadien) machen sich beim Kampf um Ressourcen, also zum Beispiel um Lebensraum auf unserer Haut oder in unserem Verdauungstrakt, gegenseitig Konkurrenz:

Wie wir noch sehen werden, paktieren einige Erreger sogar mit dem Feind (in Gestalt unseres Immunsystems), um lästige Neuankömmlinge auszuschalten, die sich auch noch einen Claim abstecken wollen. Wenn wir im Zuge verbesserter Hygienemaßnahmen, Wurmkuren usw. diese vermeintlichen Gegner ausschalten, die tatsächlich im Lauf der Evolution zu Verbündeten geworden sind, kann unser Immunsystem aus dem Lot geraten und körpereigenes Gewebe angreifen.

Die Lebensräume der „bad guys“

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Welche Maßnahmen das Immunsystem gegen einen Krankheitserreger ergreift, hängt auch von seinem Aufenthaltsort ab: Antikörper können Antigene zum Beispiel nur außerhalb von Zellen erkennen, zur Vernichtung markieren oder außer Gefecht setzen. Auch die Zellen der Immunabwehr können nur in den Zellzwischenräumen und in der Blutbahn patrouillieren und weder auf unsere Oberhaut noch in andere Zellen wandern. Befallene Körperzellen machen sich aber durch Oberflächenmarker bemerkbar und werden dann z. B. von Phagozyten vertilgt.

Oben links: Viele Bakterien leben auf unserer Haut. Die meisten sind gutartig, ja, sie verteidigen uns sogar gegen Krankheitserreger, indem sie ihnen den Platz wegnehmen oder chemische Substanzen ausscheiden, die den Erregern schaden oder unseren Körper frühzeitig vor einem Angriff warnen. Gelegentlich mischen sich jedoch Schurken unter unsere Hautflora.

Oben rechts: Im Darmlumen tummeln sich ebenfalls zahlreiche Bakterien. Solange sie dem Darmepithel und dem von den Epithelzellen ausgeschiedenen schützenden Schleim nicht zu nahe kommen, bleiben sie unbehelligt.

Mitte links: Auch in den Zellzwischenräumen können sich Erreger ansiedeln. Hier müssen sie allerdings vor patrouillierenden Immunzellen und vor Antikörpern auf der Hut sein.

Mitte rechts: Etliche Bakterien und Viren dringen in unsere Zellen ein. Die Bakterien leben dort im Zytoplasma, während …

Unten rechts: … das Erbgut der Viren in den Zellkern gelangt und sich dort unter unser eigenes Erbgut mischt, um die Vermehrungsmaschinerie unserer Zellen zu nutzen. (Die Virenhüllen bleiben draußen, anders als es diese Skizze suggeriert – aber nacktes Viren-Erbgut ist schwer zu visualisieren.)

Unten links: Die Phagozyten unseres Immunsystems verschlingen Erreger und sollen sie eigentlich in ihren Vesikeln mit Hilfe von Enzymen und aggressiven Sauerstoffverbindungen abtöten und verdauen. Etliche Erreger haben aber Abwehrmechanismen entwickelt, sodass sie in den Verdauungsvesikeln überleben können.

Besetzungsliste: die „bad guys“

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Das Immunsystem und seine Störungen kann man meines Erachtens nur aus einer ökologischen und evolutionsbiologischen Perspektive verstehen. Die Immunantwort hängt unter anderem davon ab, wer sich da in unserem Körper einzunisten versucht:

Oben links: verschiedene Bakterien; oben rechts: die im Buch immer wieder auftauchenden Bakterien-Karikaturen.

Zweite Reihe, links: verschiedene Viren, deren Hüllen oft geometrische Formen haben. Rechts daneben: meine Viren-Symbolbildchen – ganz rechts (Konservendose) eine geöffnete Hülle.

Dritte Reihe: Pilze und einzellige Parasiten (Entamoeba histolytica, der Erreger der Amöbenruhr, und der Malaria-Erreger Plasmodium). In all meinen Zeichnungen deutet ein Kreis oder Oval in der Mitte einer Zelle (Zellkern) auf einen Eukaryoten hin. Das gilt nicht nur für zellulären Erreger, sondern auch für unsere Immun- und sonstigen Körperzellen.

Unten ein Wurm, genauer: ein Hakenwurm. Die „Mikroskopaufnahme“ im Kreis zeigt, dass auch dies ein Eukaryot ist.

Angeborene und erworbene Immunantwort

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Eine weitere Skizze fürs Autoimmunbuch:

Die angeborene Immunantwort (oben) reagiert schnell, aber unspezifisch auf Bakterien und andere Eindringlinge. Aufgrund allgemeiner Erkennungsmerkmale werden Erreger von Phagozyten gefressen, von den Proteinen des Komplementsystems angebohrt, sodass die auslaufen, oder mit chemischen Substanzen abgetötet. Sind sie bereits in Körperzellen eingedrungen, werden diese mitsamt ihrer gefährlichen Fracht abgetötet und sicher entsorgt.

Oft reicht das nicht aus, weil viele Erreger die angeborene Immunabwehr austricksen können. Die erworbene Immunantwort (unten) ist spezifischer: Antigenpräsentierende Zellen (APCs) führen den Lymphozyten charakteristische Erreger-Bestandteile vor. Nur Lymphozyten, deren Rezeptoren genau zu diesen Antigenen passen, vermehren sich stark und gehen durch Antikörperproduktion (B-Zellen) oder durch deren Unterstützung und andere Aktivitäten  (T-Zellen) gegen genau diese Erreger vor.  Gedächtniszellen sorgen dafür, dass eine erneute Infektion zu einem späteren Zeitpunkt rascher bekämpft werden kann.