Immunsystem: T-Zellen sind auf Schnelligkeit ausgerichtet

Mit speziellen Mikroskopie-Methoden untersucht man an der TU Wien Immunzellen. Bisherige Vorstellungen vom Aufbau ihrer Oberfläche müssen revidiert werden.

Mario Brameshuber, Benedikt Rossboth, Florian Baumgart und Gerhard Schütz im Labor

Mario Brameshuber, Benedikt Rossboth, Florian Baumgart und Gerhard Schütz (v.l.n.r.)

Ohne T-Zellen könnten wir nicht überleben. Sie sind ein wichtiger Teil unseres Immunsystems. An ihrer Oberfläche befinden sich hochsensitive Rezeptoren, die Krankheitserreger aufspüren können. Wie deren Verteilung auf der Oberfläche der T-Zellen genau aussieht, ist bis heute nicht vollständig geklärt – doch Analysen der TU Wien zeigen, dass die bisherigen Vorstellungen nicht haltbar sind.

Bisher dachte man, die T-Zelle würde die Rezeptoren an bestimmten Stellen konzentrieren, um eine möglichst hohe Sensitivität zu erreichen. Wie eine aktuelle Publikation der Forschungsgruppe Biophysik an der TU Wien zeigt, sind T-Zellen jedoch auf möglichst rasches Reagieren ausgelegt. Ihre Rezeptoren sind deshalb zufällig angeordnet. Ermöglicht wurden diese Ergebnisse durch eine enge Kollaboration mit der Medizinischen Universität Wien (MUW) und dem Max-Planck-Institut (MPI) für Biophysik in Göttingen. Die neuen Erkenntnisse helfen nicht nur, die Immunantwort besser zu verstehen, sondern sind in weiterer Folge auch für die Entwicklung neuer medizinischer Heilmethoden wichtig. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse nun im Fachjournal „Nature Immunology“.

Die Nadel im Heuhaufen

„Eine T-Zelle ist ein hochspezifischer Molekül-Detektor“, erklärt Prof. Gerhard Schütz, Leiter der Biophysik-Forschungsgruppe am Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Jede T-Zelle reagiert nur auf ein ganz bestimmtes Molekül, daher benötigen wir in unserem Körper viele unterschiedliche T-Zellen.“ An ihrer Oberfläche trägt jede T-Zelle viele tausend Kopien desselben Rezeptors.
Um eine Immunreaktion auszulösen, braucht die T-Zelle noch einen wichtigen Partner – die sogenannte Antigen-präsentierende Zelle. Diese Zelle präsentiert auf ihrer Oberfläche eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle mit Hilfe spezieller Trägerproteine. Manche dieser Moleküle stammen aus körpereigenen Strukturen und sind harmlos, aber auch charakteristische Antigene von gefährlichen Eindringlingen werden auf diesen Antigen-präsentierenden Zellen durch den Körper transportiert.

Wenn die T-Zelle in Kontakt mit einer solchen Antigen-präsentierenden Zelle kommt, beginnt die Suche nach der Nadel im Heuhaufen: Befindet sich unter den vielen hunderttausend Molekülen, die auf der Oberfläche der Antigen-präsentierenden Zelle angeordnet sind, eines von genau der Sorte, auf die diese eine T-Zelle programmiert ist? „Man kann sich das vorstellen, als hätte die T-Zelle unzählige Versionen desselben Schlüssels auf ihrer Oberfläche – und nun muss in kurzer Zeit festgestellt werden, ob er zu irgendeinem der hunderttausenden Schlösser auf der Antigen-präsentierenden Zelle passt“, erklärt Gerhard Schütz.

Die Schnelligkeit zählt
Kontrovers wurde bisher diskutiert, wie es den T-Zellen gelingt, so extrem sensitiv auf eine geringe Anzahl ganz bestimmter Antigene zu reagieren. Eine verbreitete Theorie lautete: Eine größere Anzahl von Rezeptoren auf der T-Zell-Oberfläche wird lokal in Clustern angereichert – und gemeinsam schaffen es die Rezeptoren dann genauer, an ein bestimmtes Antigen anzudocken. Als es dann gelang, moderne Hochleistungsmikroskopie-Methoden so zu verbessern, dass man erstmals Bilder dieser T-Zell-Oberflächen aufnehmen konnte, schien diese Theorie bestätigt zu werden: Auf den T-Zell-Oberflächen waren unregelmäßige Strukturen zu erkennen, die als Rezeptor-Cluster interpretiert wurden.

Doch dieser Schluss war voreilig: „Wir haben die T-Zellen sehr genau untersucht und uns eingehend mit der Verbesserung der Mikroskopie-Methoden beschäftigt“, sagt Gerhard Schütz. „Was man bisher für Cluster mehrere Rezeptoren gehalten hat, dürfte ein simples Artefakt sein: Es passiert nämlich sehr leicht, dass man ein und dasselbe Rezeptormolekül mehrfach abbildet.“

Die Analysen an der TU Wien legen nun eine andere Theorie nahe: Die Rezeptoren dürften zufällig auf der T-Zelle verteilt sein. Das würde auch erklären, warum die Immunreaktion so rasch abläuft. Egal, wie die Antigen-präsentierende Zelle auf die T-Zelle auftrifft – die T-Zelle hat an dieser Stelle immer einen passenden „Schlüssel“, der ins „Schloss“ passt. Trifft dies zu, verlieren die beiden Zellen keine Zeit damit, sich passend anzuordnen, sondern die Immunreaktion kann unmittelbar ausgelöst werden.

„Wir arbeiten hier am äußersten Limit dessen, was mit modernsten Mikroskopie-Methoden gerade noch möglich ist“, sagt Gerhard Schütz. „Es ist eine aufregende Zeit für die Immunologie. Wir hoffen, durch ein besseres Verständnis der T-Zell-Oberfläche dazu beizutragen, die ersten Schritte in der Erkennung von Krankheitserregern zu verstehen. Diese Erkenntnisse versuchen wir dann, gemeinsam mit Partnern in der Immuntherapie anzuwenden.“

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Originalpublikation: Rossboth et al., "TCRs are randomly distributed on the plasma membrane of resting antigen-experienced T cells", Nature Immunology, 2018. DOI: 10.1038/s41590-018-0162-7

Kontakt:
Prof. Gerhard Schütz
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8
T: +43-1-58801-13480
gerhard.schuetz(at)tuwien.ac.at