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aus der Forschung des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung

Castingshow im Lymphknoten

Dringt ein Krankheitserreger in unseren Körper ein, bereitet das Immunsystem sofort eine passende Abwehrreaktion vor. Ein wichtiger und bisher nicht vollständig aufgeklärter Teil der Vorbereitung ist die Bewegung der Immunzellen im Lymphknoten. Auf den ersten Blick scheinen die Zellen einfach planlos umherzuwandern. Daher haben Experten vielfach diskutiert, ob dahinter überhaupt ein System steckt. Wissenschaftler vom Braunschweiger Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) haben nun die Bewegung der sogenannten B-Zellen im Lymphknoten berechnet und ein interessantes Phänomen aufgedeckt:

Modell Immunzellen im Lymphknoten
Modell der Verteilung von Immunzellen im Lymphknoten. Die dunkle Zone ist da, wo es dominant blau ist, die helle, wo es dominant grün ist. Foto/Grafik: HZI.

„Das scheinbare Chaos im Lymphknoten ist in Wirklichkeit hochgradig geordnet“, sagt Professor Michael Meyer-Hermann, Leiter der Abteilung System-Immunologie. Zu diesem Ergebnis ist er gekommen, indem er das Immunsystem durch ein mathematisches Modell beschrieben hat.

Mathematisches Modell bringt Ordnung ins Chaos

Mathematische Modelle ermöglichen es, biologische Vorgänge vorherzusagen. Dazu füttern die Wissenschaftler ihre Computer mit bekannten oder vermuteten Mechanismen der zu untersuchenden Vorgänge. Nun können sie die Rahmenbedingungen Stück für Stück ändern und sich die Auswirkungen berechnen lassen. Auch experimentelle Daten können die Wissenschaftler interpretieren und so weiterführende Versuche entwickeln. Neue Daten helfen dann dabei, die zugrundeliegenden Modelle zu testen und zu verbessern. Ein passendes Modell der Prozesse, die bei einer Krankheit ablaufen, kann zum Beispiel zur Entwicklung einer effizienteren Behandlung beitragen. Das mathematische Modell der Zellbewegung im Lymphknoten zeigt, dass die Zellen keineswegs umherirren, sondern gezielt mehrmals zwischen zwei Zonen des sogenannten Keimzentrums hin und her wandern. Das Keimzentrum besteht aus der hellen und der dunklen Zone und ist die Bastelstube für neue Antikörper.

Evolution im Lymphknoten

Während ihres Pendelverkehrs zwischen den Zonen tauschen die Immunzellen Informationen über Krankheitserreger aus und bereiten eine passende Immunantwort vor. Von Runde zu Runde werden genau die Zellen ausgewählt, die für die Abwehr des eingedrungenen Krankheitserregers am besten geeignet sind. Auf diese Weise optimiert der Körper die Immunantwort: So kommen nur die Zellen zum Einsatz, die die besten Antikörper produzieren. „Es ist ein sich permanent wiederholender Zyklus von Veränderung in der dunklen Zone und Auswahl guter Zellen in der hellen Zone“, erklärt Meyer-Hermann. „Die Immunzellen vermehren sich, mutieren und verändern dabei ihre Antikörper. In der hellen Zone wird dann überprüft, ob diese Mutationen eine bessere Immunabwehr liefern – falls ja, werden die betreffenden Zellen ausgewählt. Dann beginnt der Zyklus von neuem. Am Ende steht die Produktion von optimierten Antikörpern, die effizient an den jeweiligen Erreger binden können und ihn so für Fresszellen markieren.“ Das Modell konnte quantitative Experimente interpretieren und damit erstmals beweisen, dass die einzelnen Zellen mehrere Zyklen durchlaufen. Ohne das Modell war dies den experimentellen Daten nicht anzusehen. Es findet also eine Art Evolution im lebenden Organismus statt: Die Zellen mutieren aktiv und werden dann selektiert.

Farbstoff lässt Zellen leuchten

Damit die tatsächliche Bewegung der Immunzellen mit dem mathematischen Modell verglichen werden kann, muss jede einzelne Zelle genau verfolgt werden. Dazu haben Forscher in den USA die Zellen zum Leuchten gebracht. Sie statteten Immunzellen mit einem Gen aus, das einen Farbstoff entstehen lässt. Dieser Farbstoff leuchtet jedoch nur, wenn die Forscher es möchten. Mit Licht einer bestimmten Wellenlänge aktivieren sie den Farbstoff einer einzelnen Zelle, die sie dann bei ihrer Bewegung durch den Lymphknoten verfolgen können. Der Vergleich mit Michael Meyer-Hermanns Bewegungskonzept zeigt, dass sich die Immunzellen nach einem System zwischen den verschiedenen Zonen des Lymphknotens bewegen.

Bei den Untersuchungen kam auch noch ein weiteres neues Ergebnis ans Licht: Für das Überleben der B-Zellen auf ihrer Reise durch den Lymphknoten ist ein regelmäßiger Kontakt zu sogenannten T-Helferzellen notwendig. Bisher vermuteten Experten, dass die B-Zellen nur überleben, wenn sie genug Antigen zur Verfügung haben. Entscheidend sind aber die Signale, die sie von den T-Helferzellen bekommen. Diese sagen ihnen, wie ihr Weg weitergehen soll. Fehlen die Kontakte, sterben die B-Zellen ab. „Dieses Resultat hat mich besonders gefreut, da es unsere mathematische Vorhersage einer T-Zell-Hilfe, die von der Qualität der Antikörper abhängt, bestätigt hat“, sagt Meyer-Hermann.

Neue Erkenntnisse können Impfungen verbessern

Von den neuen Erkenntnissen kann künftig sogar die Medizin profitieren. Impfungen, die uns vor späteren Erkrankungen schützen sollen, veranlassen unser Immunsystem dazu, Antikörper gegen bestimmte Krankheitserreger zu bilden. Ein besseres Verständnis über die Optimierung der Antikörperbildung in den Lymphknoten kann nun helfen, Impfungen zu verbessern. Ärzte können zum Beispiel den Zeitpunkt der Auffrisch-Impfungen genauer anpassen und so eine möglichst effiziente Antikörpergenerierung erzielen. „Unsere Analyse der Zellbewegung belegt deutlich, welchen Stellenwert heutzutage die Mathematik in der Biologie hat“, sagt Meyer-Hermann. „Das Verständnis der Vorgänge im Keimzentrum kann uns auf lange Sicht auch bei der künstlichen Herstellung von Antikörpern helfen.“ So sei es ein lang gehegter Traum der Immunologen, irgendwann Keimzentren in der Petrischale nachzubauen. Bis dahin ist der Weg zwar noch weit, aber mithilfe der Mathematik ist nun ein weiterer Schritt geschafft.

Andreas Fischer