Immunologische Besonderheiten von Knorpelfischen - mögliche Perspektiven für Immuntherapie
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Allgemeine Informationen über den Knorpelfisch
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Der weiße Hai (Abbildung 1) |
Die Knorpelfische (Chondrichthyes; Haie, Rochen, Chimären) bilden unter den Kiefer-Wirbeltieren die älteste Gruppe. Das Immunsystem der Knorpelfische unterscheidet sich nicht großartig von dem des Menschens, selbst 450 Millionen Jahre haben wenig an der spezifischen humoralen Abwehr verändert. Stark verändert hat sich der Genteil. Im Hai gibt es eine höhere vererbte Vielfalt. Zudem scheint, dass das Immunsystems des Haies viel effizienter arbeitet, als das höherer Wirbeltiere und Menschen. Das könnte wiederum ein Grund sein, warum besonders die Antikörper der Haie für bestimmte Krankheitsdiagnostiken eingesetzt werden könnten. Lediglich kleinere Unterschiede existieren. Das Immunsystem ist deutlich einfacher aufgebaut als das des Menschen. Wichtige Immunzellen aus der Gruppe der T-Helfer Zellen besitzen Haie im Gegensatz zum Menschen nicht, was aber nicht dazu führt, dass deren Immunsystem weniger aktiv und wirksam ist, als das der Menschen. Knorpelfische besitzen sogenannte IgNAR Moleküle, die für die Bindung kleinster Antikörper dienen. IgNAR Moleküle stellen die kleinste Immunerkennungseinheit des Immunsystems der Knorpelfische dar. (Goldschmid, A. 2010; Engelhardt, W. 2009)
Das allgemeine Immunsystem
Das Immunsystem ist ein Schutz des Körpers gegen potentielle lebensbedrohliche Faktoren. Die wichtigsten Grundeigenschaften des Immunsystems sind zu einem die Erkennung, (die Unterscheidung zwischen körpereigen und körperfremden Substanzen) die Beseitigung, (von körperfremden Substanzen – durch Effektor Mechanismen) und die Regulation. (Engelhardt, W. 2009; Kratochwil, A. 2009)
Das allgemeine Immunsystem der Knorpelfische
Die Knorpelfische (Chimären, Haie und Rochen) gehören zu den ältesten Gruppen der Kiefermäuler, bei denen ein adaptives Immunsystem auf Immunglobuline (siehe: Antikörper) gegründet wurde.
Knorpelfische besitzen kein Knochenmark und kein sympathisches System. Sie besitzen einen Thymus, der sich aus den Schlundtaschen entwickelt, und eine Milz, welche aus kompartimentierten weißen und roten Zellstoffbereichen besteht und die Hauptstelle für die Antigenstimulation die zur Antikörpersynthese führt darstellt. Zusätzlich besitzen Knorpelfische ein vereinigtes lymphatisches Gewebe (GALT) und ein epigonales Organ, welches mit der Keimdrüse verbunden ist. Des weiteren haben Knorpelfische das Leydig Organ, welches mit der Speiseröhre verbunden ist. Jedoch ist das Leydig Organ nicht in allen Spezies vorhanden. Das Leydig Organ und die epigonalen Organe stellen das äquivalent des fehlenden Knochenmarkes dar. Der Thymus, das Leydig und die epigonalen Organe sind die Orte an denen die primäre Lymphopoese (siehe: Hämatopoese) stattfindet. Außerdem werden die B-Zellen, in diesem Gewebe, während des gesamten Lebens produziert. Die Leukozyten sind primär verantwortlich für die regulierte Immunfunktion bei Haien und Rochen. (Smith L.E. et al., 2012)
Haie besitzen eine besondere Form ererbter Vielfalt, die auch ein kennzeichnendes Merkmal von vielen anderen Knorpelfischen ist. Der Knorpelfisch ist nicht auf Zufallsereignisse angewiesen, um den richtigen Antikörper zur rechten Zeit zu haben, da ein erheblicher Prozentansatz der Cluster in allen Zellen des Körpers, einschließlich der B-Zellen, mit bereits vollständig oder teilweise vorverknüpften V-, D1-, D2- und J-Segmenten ausgestattet ist. Diese Vorvereinigung wird als Keimbahn- Verknüpfung bezeichnet, da sie mit den Ei- und Samenzellen (den Keimbahnzellen) weitervererbt wird. (Dooley H., Flajnik M.F. 2006)
Immunglobuline
Vor fast 40 Jahren sind Immunglobuline in den Knorpelfischen entdeckt worden. Die Immunglobuline werden hauptsächlich in der Milz gebildet. Knorpelfische besitzen mindestens zwei Typen schwerer Ketten (IgM und IgNAR).
Das Serum des IgM kann in zwei Formen nachgewiesen werden, einmal in der monomeren und zum anderen in der pentameren Form. Die scheinbare Anwesenheit von Serumalbumin in den Haien, zusammen mit dem IgM, ist ein wichtiger Parameter für die Osmoseregulation, ebenso ist IgM ein wichtiges Trägermolekül für die Verteidigung.
Die Knorpelfische und das Kamel besitzen, im Gegensatz zu den anderen Tieren und dem Menschen, neben den IgM und IgW- Molekülen, die sogenannten IgNAR Moleküle.
Ein weiteres besonderes Immunglobulin, welches bei Menschen nicht zu finden ist, jedoch nach weiteren Untersuchungen beim Lungenfisch (2003), ist das IgW, welches erstmals 1996 im Sandbankhai (Carcharhinus plumbeus) entdeckt wurde. Zunächst nahm man an, dass es nur in Knorpelfischen vorkommt. Jedoch nach weiteren Untersuchungen fand man heraus, dass das IgW auch in Lungenfischen vorkommt. Derzeitig wird noch weiter geforscht, da noch keine detaillierten Informationen über die Funktion bekannt sind. (Martin M., Klaus R., 2009)
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Struktur von IgNAR und IgG (Abbildung 2) |
IgNAR besitzt im Gegensatz zu den anderen Immunglobulinen fünf konstante CH-Ketten. Es besteht aus einem Disulfid-gebunden-Dimer und zusätzlich aus zwei Proteinketten (siehe: Proteine). Die Knorpelfische produzieren den Roman Isotyp, IgNAR, ein schwerer Ketten-Homodimer, der nicht mit leichten Ketten zu assoziieren ist. Die variable Region dient als unabhängige lösliche Einheit, welche dazu in der Lage ist, Antigene zu erkennen. Beide enthalten jeweils eine Variable. Aufgrund der zwei Proteinketten, können IgNAR Moleküle sehr leicht auf Proteinebene nachgewiesen werden. Die einzelne Variable und Domäne bindet die Antigene unabhängig. IgNAR ist die kleinste Immunerkennungseinheit des Immunsystems und ist dementsprechend befähigt die kleinsten Antikörper zu binden. IgNAR zeigt eine sehr hohe CDR3-Schleifen Vielfalt, jedoch eine geringere Vielfalt in der Keimbahn. Außerdem stellt sie die wahre adaptive Antwort des Immunsystems der Knorpelfische dar, anders als IgM, welches für die primär humorale Antwort zuständig ist. CDR3- Schleifen sind die Hauptfaktoren für die Spezifität der Antigenerkennung und Antikörpererkennung. (Davis MM., 2000; Dooley H., Flajnik M.F., 2006)
Ignar beim Herterodontus
Das epigonal Organ beim Herterodontus (Hornhai) hat die Rolle der Ig- Molekül Bildung. Der Heterodontus enthält zwei Ig´s mit unterschiedlichen Molekülgewichten. Eines mit 900 K und das weitere mit 180 K Dalton. Die schweren Ketten der zwei Ig´s zeigen ein identisches Molekülgewicht von 68 K und die selbe Antigenität, was darauf schließen lässt, dass zwar beiden Ig´s zur gleichen Klasse gehören, aber jeweils eine unterschiedliche Molekularstruktur haben. Die leichten Ketten des Heterodontus zeigen zwei getrennte Banden mit Natriudodecylsulfat - Polyacrylamid - Gelelktrophroese. Die eine mit einem Molekulargewicht von 25 K und die andere mit 22 K Dalton. Dadurch kann man auf eine mögliche Existenz von zwei Leichtkettentypen der Ig´s des Heterodontus schließen. Die Milz und besonders die Weiße Pulpa der Milz, ist ein gut entwickeltes Lymphgewebe, mit einer großen Anzahl von Ig bildenden Zellen, vor allem rund um die Blutgefäße. (Tomonaga S. et al., 1985)
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Unterschied des menschlichen Immunsystems und des Immunsystems der Knorpelfische (Abbildung 3) |
Resümee
Eine interessante Schlussfolgerung aus dem Vergleich zwischen Mensch und Hai ist, dass ungefähr 450 Millionen Jahre Evolution relativ wenig an den Molekülen der spezifischen humoralen Abwehr verändert haben. In ihrer Gestalt sind sie sich sehr ähnlich, und auch die V-, D- und J-Sequenzen der Gensegmente für die Antikörper ähneln sich. Was sich dagegen radikal verändert hat, ist die Art in der diese Gen-teile organisiert sind. So wurde beim Hai größerer Wert auf die verknüpfungsbedingte und vor allem die ererbte Vielfalt gelegt. Obwohl relativ einfach, scheinen die Mechanismen zur genetischen Diversifikation im Immunsystem von Haien in vieler Hinsicht effizienter zu sein, als die in höheren Wirbeltieren wie dem Menschen. (Litman G. W., 1997)
Ein internationales Forscherteam, unter anderem Wissenschaftler des Max Planck Instituts für Immunbiologie und Epigentik aus Freiburg, haben das Erbgut der Australischen Pflugnasenchimäre untersucht. Das Immunsystem der Haie ist deutlich einfacher aufgebaut, als das vom Menschen oder anderen Wirbeltieren. Dies ist einer der Gründe, warum das Skelett des Haies aus Knorpel bestehen und mit dem Alter nicht verknöchert.
Bei der Erbgut- Analyse stießen Forscher auf eine Besonderheit. Haie besitzen keine Immunzellen aus der Gruppe der T-Helfer Zellen. Diese Zelltypen galten bislang bei Wirbeltieren als unentbehrlich, besonders bei der Abwehr von Viren und Bakterien. Grundsätzlich sind T-Helfer Zellen wichtig für die Vermeidung von Autoimmunerkrankungen, wie Diabetes und Rheuma.
Die Knorpelfische, insbesondere die Haie, können sich trotz ihres vermeintlich primitiven Abwehrsystems gut gegen Infektionserreger verteidigen. Das bedeutet, „ [...] dass die Natur unterschiedliche Lösungen für das gleiche Problem entwickelt hat [...] “, sagt Thomas Boehm des Max Planck Institut für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg, 2014.
Ein guter Vergleich, um das Ganze anschaulich zu verdeutlichen, ist der Mensch. Bei einem Fehlen der T-Helfer Zellen beim Menschen, ist der Körper viralen oder bakteriellen Infektionen sehr leicht ausgesetzt. Zu beobachten ist dieses Phänomen bei AIDS Kranken. Bisher ist man davon ausgegangen, dass die T-Helfer Zellen unentbehrlich für das Immunsystems sind, aber mit der Kenntnis über die Haie und deren Fehlen der T- Helfer Zellen, bildeten sich nun neue Denkansätze, sowie neue Forschungsmöglichkeiten. (Boehm T., 2014)
Mögliche Perspektiven für Immuntherapie
Antikörper die gentechnisch hergestellt werden, werden erfolgreich in der Krebsdiagnostik und Krebstherapie eingesetzt. Ebenfalls gegen Multiple Sklerose und Alzheimer werden Antikörper entwickelt und in der Therapie eingesetzt. Wichtig bei der Konstruktion von geeigneten Antikörperfragmenten ist die Stabilität. Im Vergleich der Antikörper des Haifischen und denen der Menschen hat ein Wissenschaftlerteam der Technischen Universität München und des Helmholts Zentrums München Stabilisierungsmechanismen gefunden, welche für einen maßgeschneiderten Einsatz von Antikörper im Menschen genutzt werden können. Diese maßgeschneiderten Antikörper gelten als ein aussichtsreiches Mittel gegenüber vieler schwerer Krankheiten. Diese Antikörper sind in langen präzisen Strukturen auf der Oberfläche von Viren, Bakterien und Krebszellen zu erkennen, deshalb werden sie bereits erfolgreich in der Krebsdiagnostik und deren Therapie eingesetzt. Im Gegensatz zum Menschen, können Haie aufgrund einer großen Menge an Harnstoff, im Salzwasser problemlos überleben.
„ [...] Menschliche Antikörper würden unter diesen Bedingungen zusammenbrechen. Haiantikörper besitzen strukturelle Eigenschaften, die sie besonders widerstandsfähig machen [...] “, sagt Matthias J. Feige, Erstautor der Publikation. (2014)
Für die Untersuchung von Haifisch-Antikörpern benutzten die Forscher IgNAR Moleküle (Immunglobuline New Antigen Receptor) Über dieses besondere Molekül, welches sich nur in Knorpelfischen, insbesondere im Hai befindet, gibt es noch wenige Informationen über deren Struktur. Mittels Teilstücken und Röntgenanalyse konnte der atomare Aufbau ermittelt werden. So können die Teilabschnitte mit bereits bekannten Strukturen anderer Immunglobuline verglichen werden. Die Strukturen der anderen Teile des Antikörpers wurden mit Hilfe von Kernmagnetresonanz-Spektoskopie gelöst, und wieder mit den ermittelnden Strukturen und den räumlichen Abständen der Hai-Antikörper verglichen, so dass schließlich ein vollständiges Modell des Antikörpers aufgebaut werden konnte.
Nach genauerer Betrachtung der Struktur dieses Proteins beim Haifisch ist aufgefallen, dass sich die für diese Antikörper typischen Ig-Faltungen vor mehr als 500 Millionen Jahre entwickelt haben. Der Grund für die große Stabilität der Haifisch-Antikörper resultiert aus einer Salzbrücke zwischen den strukturell wichtigen Aminosäuren und einem unpolaren Kern der Ig Faltung im Hai-Antikörper. Den Forschern gelang es beide Stabilisierungsprinzipien in den menschlichen Antikörpern einzusetzen und einzubauen. Dies führte zu einer höheren Stabilität der menschlichen Antikörperfragmente.Der Schmelzpunkt lag ganze 10° höher als zuvor. Ebenso in den Säugetierzellen, in denen die Therapeutischen Antikörper produziert werden, hat diese höhere Stabilisierung positive Effekte.
Die veränderteren Antikörper sind in deutlich höheren Mengen produziert worden. Diese gewonnen Erkenntnisse sollen dazu beitragen, dass es zu einer verbesserten diagnostischen und therapeutischen Antikörperproduktion kommt. Sie könnten sich einerseits leichter herstellen und auch besser lagern lassen. Sie sollen so im menschlichen Organismus länger aktiv bleiben, damit sie sich und ihr therapeutisches Potential besser entfalten können. (Feige M.J. et al., 2014)
Literaturverzeichnis
Die Informationen dieses Artikels entstammen zum größten Teil aus den unter Literatur angegebenen Quellen, darüber hinaus werden folgende Quellen zitiert:
Einzelnachweise
Smith L. E., Crouch K., Cao W., Müller M. R., Wu L., Steven J., Lee M., Liang M., Flajnik M. F., Shih H. H., Barelle C.J., Paulsen J., Gill D.S., Dooley H. (2012); Characterization of the immunoglobulin repertoire of the spiny dogfish (Squalus acanthias); Developmental & Comparative Immunology; Issue 4; Volume 36; Pages 665-679
Smith L. E., Crouch K., Cao W., Müller M. R., Wu L., Steven J., Lee M., Liang M., Flajnik M. F., Shih H. H., Barelle C.J., Paulsen J., Gill D.S., Dooley H. (2012);; Characterisation and expression analysis of B-cell activating factor (BAFF) in spiny dogfish (Squalus acanthias): Cartilaginous fish BAFF has a unique extra exon that may impact receptor binding; Developmental & Comparative Immunology; Issue 4; Volume 36; Pages 707-717
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0145305X11003107
Dooley, Flajnik M.F. (2006); Antibody repertoire development in cartilaginous fish; Developmental & Comparative Immunology; Issues 1–2; Volumen 30; Pages 43-56
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0145305X05001382
Davis MM (2000); Diversity in the CDR3 region of V(H) is sufficient for most antibody specificities; Immunity; Issue 13(1); Pages 37-45
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10933393
Tomonaga S., Kobayashi K., Hagiwara K., Sasaki K., Sezaki, K.; Original Research Article (1985); Studies on immunoglobulin and immunoglobulin-forming cells in Heterodontusjaponicus, a cartilaginous fish; Developmental & Comparative Immunology; Issue 4; Volumen 9; Pages 617-626
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0145305X85900278
Bücher
Goldschmid A., (2010); Spezielle Zoologie, Teil: 2 Wirbel- oder Schädeltiere; Spektrum Akademischer Verlag; 2; Pages 217-242
Engelhardt W., (2009); Physiologie der Haustiere; Enke
Kratochwil A., Scheibe, R., Wieczorek, H. (2009); Biologie; Pearson; Auflage 8; Pages 1282-1313
Dooley H., Flajnik, M. F. (2006); Antibody repertoire development in cartilaginous fish; Developmental and Comparative Immunology; Issue 30; Pages 43–56
Martin, M., Klaus, R. (2009); Immunologie; UTB basics Broschiert
Abbildungen
Abbildung 1: http://de.wikipedia.org/wiki/Knorpelfische#mediaviewer/File:White_shark.jpg; Lizenzveröffentlichung siehe Wikipedia
Abbildung 2: Selbst angefertigte Zeichnung, Isabel Jaspersen
Abbildung 3: Selbst angefertigte Tabelle mit Hilfe von Daten des Buches: Juerg M. Brunnschweiler (2005); Was Haie sind: Aspekte der Knorpelfischbiologie; Cuvillier Verlag; Issue 1; Pages 38-39
Weiterführende Links
Litman, G.W. (1997); Das Wirbeltier-Immunsystem: Frühformen bei Haien; Spektrum; Original Research Article
http://www.spektrum.de/alias/dachzeile/das-wirbeltier-immunsystem-fruehformen-bei-haien/823587
Boehm, T., Max Planck Institut für Immunbiologie und Epigenetik (2014); Erstes Hai-Genom entschlüsselt Genom der Australischen Pflugnasenchimäre liefert wichtige Einblicke in Immunität und Knochenbildung; Max- Planck- Gesellschaft
http://www.mpg.de/7694665/hai_genom?filter_order=LT&research_topic=BM-IB_BM-IFB_BM-M
Feige M.J., Graewert M.A., Marcinowski M., Hennig J., Behnke J., Herold E.M., Peschek J., Castro C.D., Flajnik M., Hendershot L.M., Sattler M., Groll M., and Buchner J. (2014); Haifisch-Antikörper inspirieren Optimierung menschlicher Antikörper Lernen vom Haifisch; Technische Universität München; Early Edition
https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/31512/