Damit das Immunsystem den menschlichen Körper vor Infektionen und Krankheiten schützen kann, gibt es verschiedene Arten von Immunzellen, die alle mit unterschiedlichen Aufgaben betraut wurden. Eine dieser Immunzell-Arten sind die natürlichen Killerzellen (NK-Zellen).
Natürliche Killerzellen sind Lymphozyten, die zum zellulären Teil des angeborenen Immunsystems gehören. Ihre Aufgabe ist es, gezielt den Zelltod bestimmter Zellen auszulösen.
Da NK-Zellen zum angeborenen Teil des Immunsystems gehören, reagieren sie nicht auf spezifische Antigene und können – anders als T-Zellen und B-Zellen – auch kein immunologisches Gedächtnis bilden. Dennoch werden NK-Zellen häufig als Schnittstelle zwischen angeborenem und erworbenem Immunsystem betrachtet, da sie durch Interaktion mit anderen Abwehrzellen Einfluss auf die Immunreaktion nehmen.
Für ein besseres Verständnis der NK-Zellen solltest Du einen guten Überblick zum Immunsystem und alle seinen Mitspielern besitzen. Die Überblick-Artikel zum Immunsystem und zu den Immunzellen können Dir dabei helfen!
Natürliche Killerzellen – Bildung und Vorkommen
Genau wie einige Bestandteile des erworbenen Immunsystems (z. B. B-Zellen und T-Zellen) entwickeln sich natürliche Killerzellen aus lymphatischen Vorläuferzellen im Knochenmark. Man spricht auch von einem lymphoiden Ursprung.
NK-Zellen machen etwa 5–20 % der Lymphozyten aus. In bestimmten Organen wie dem Uterus findet man sie verstärkt. Sie sind zwar größer als B- und T-Zellen, verfügen aber im Gegensatz zu ihnen nicht über antigenspezifische Rezeptoren.
B- und T-Zellen funktionieren, indem sie spezifische Antigene binden. Diese Antigene bestehen meist aus Strukturen, die zu einem Pathogen gehören, der gerade den Körper infiziert. Zellen mit antigenspezifischen Rezeptoren müssen zunächst ein Antigen binden, um Abwehrmechanismen ausführen zu können. Damit wird sichergegangen, dass nur Pathogene oder infizierte Zellen angegriffen werden und das Immunsystem nicht aus Versehen gesunde, körpereigene Zellen bekämpft. NK-Zellen benötigen diese Antigen-Spezifität nicht. Sie besitzen dafür anderweitige Aktivierungs- und Kontroll-Mechanismen.
Natürliche Killerzellen – Aufgabe
Natürliche Killerzellen erkennen geschädigte, fremde oder virusinfizierte Zellen und führen ihren kontrollierten Zelltod (Apoptose) herbei. NK-Zellen zerstören also bestimmte Zellen und wirken somit zytotoxisch. Diese Funktion teilen sie sich mit den zytotoxischen T-Zellen, manchmal auch T-Killerzellen genannt. Wieso NK-Zellen dennoch unbedingt nötig sind und wie man sie voneinander unterscheiden kann, erfährst Du jetzt.
Da die Funktion von T-Killerzellen für das Verständnis der NK-Zellen wichtig ist, kannst Du Dir gerne den StudySmarter-Artikel zu T-Zellen durchlesen!
Immunreaktion der T-Killerzellen/zytotoxischen T-Zellen
Damit zytotoxische T-Zellen ihre Funktion erfüllen können, müssen sie zunächst Antigenbruchstücke erkennen, die sich zwingend auf MHC-I-Molekülen befinden müssen. MHC-I-Moleküle befinden sich auf allen Zellen des Körpers, die einen Zellkern haben.
MHC steht für major histocompatibility complex und beschreibt ein Molekül, das eine zentrale Rolle bei der Funktion von T-Zellen erfüllt. Du kannst sie Dir wie kleine Schüsseln auf der Oberfläche von Zellen vorstellen. In MHC-Molekülen der Klasse 1 befinden sich kleine Stücke von Proteinen, die sich gerade in der Zelle befinden (Peptidfragmente). Ist eine Zelle gerade infiziert oder funktioniert fehlerhaft, dann landen auch Stücke von Proteinen des Erregers oder fehlerhafte Peptidfragmente in diesen Schüsselchen.
T-Zellen haben spezielle Rezeptoren auf ihrer Oberfläche, mit denen sie an die MHC-Moleküle auf den Oberflächen verschiedenster Zellen binden und die Peptidfragmente erkennen können. Entstammt das Peptidfragment einem Pathogen, das gerade die Zelle infiziert hat, wird die T-Zelle aktiviert und fängt an, die infizierte Zielzelle zu zerstören. Zytotoxische T-Zellen sind folglich auf MHC-I-Moleküle auf der Oberfläche anderer Zellen angewiesen, um ihre Funktion erfüllen zu können.
Dieses Prinzip der T-Killerzellen funktioniert allerdings nicht immer, denn es gibt ein Problem: einige Viren zum Beispiel haben die Fähigkeit, die MHC-I-abhängige Antigenpräsentation ihrer Wirtszelle zu unterbinden. Sie führen dazu, dass sich weniger MHC-I-Moleküle auf der Zelloberfläche befinden. Mit weniger MHC-Molekülen können dann auch nicht so viele Viren-Fragmente nach außen präsentiert werden. So können diese Viren es schaffen, den T-Zellen zu entwischen.
Nicht nur Viren können die Zahl an MHC-I-Molekülen auf der infizierten Zelle verringern. Auch Tumorzellen haben einen solchen Mechanismus, um dem Immunsystem und vor allem T-Killerzellen zu entkommen.
Immunreaktion der NK-Zellen
Natürliche Killerzellen haben die Fähigkeit, zu erkennen, ob weniger MHC-Moleküle auf der Oberfläche vorhanden sind, als normal (missing-self-Prinzip). Dafür besitzt sie sogenannte KIR-Rezeptoren (Killer Cell Immunglobulin-like Receptors). Begegnet eine NK-Zelle einer gesunden, normalen Zelle, dann binden KIR-Rezeptoren an die MHC-I-Moleküle und die NK-Zelle unternimmt nichts. Erkennt die NK-Zelle allerdings, dass sich weniger MHC-Moleküle auf der Oberfläche befinden, als normal, dann leitet sie die Apoptose der betroffenen Zelle ein.
NK-Zellen können den Zelltod durch Apoptose herbeiführen, indem sie Perforine und Granzyme ausstoßen. Perforine sind Proteine, die Löcher in der Zellwand der zu tötenden Zelle bilden, durch die dann Enzyme aus den Granzymen in die Zelle eindringen können. Diese Enzyme spalten viele zellinternen Proteine, was schlussendlich zur Apoptose führt.
Neben den KIR-Rezeptoren haben NK-Zellen auch viele andere Rezeptoren, die Apoptose auslösen können. Die wichtigsten dieser Todesrezeptoren sind z. B. NKG2D und NKp44. Diese sind aktivierende Rezeptoren: bindet eine NK-Zelle an solche Rezeptoren, wird der Zelltod eingeleitet.
Hier kommt eine Zusammenarbeit mit den MHC-bindenden Rezeptoren ins Spiel – findet die NK-Zellen zusätzlich MHC-I-Moleküle auf der Oberfläche, wird das aktivierende Signal einfach ignoriert. Falls allerdings keine oder nicht genug MHC-I-Moleküle auf der Oberfläche einer Zelle vorhanden sind, kann das aktivierende Signal nicht unterdrückt werden und durch die NK-Zellen wird die Apoptose wird eingeleitet.
Signale, die das Gegenteil einer Aktivierung bewirken, also eher eine Blockierung, werden auch als inhibierend bezeichnet. Außerdem sind Proteine, die an einen Rezeptor binden, als Liganden bekannt.
Auch für die Beseitigung von Tumorzellen stellen NK-Zellen einen wichtigen immunologischen Mitspieler dar. Ohne die Erkennung von Antigenen auf der Oberfläche können T-Killerzellen nichts gegen bösartig mutierte Zellen ausrichten. NK-Zellen hingegen sind nicht auf den Kontakt zu Antigenen angewiesen und können sofort Maßnahmen gegen Tumorzellen einleiten.
Zytotoxische T-Zellen vs. natürliche Killerzellen
Im Folgenden siehst Du eine Zusammenfassung der Eigenschaften und Unterschiede von T-Killerzellen und natürlichen Killerzellen:
- T-Zell-vermittelte Immunreaktionen benötigen MHC-I-Moleküle, NK-Zellen reagieren auf das Fehlen von MHC-I-Molekülen.
- Zytotoxische T-Zellen haben einen antigenspezifischen Rezeptor, die Rezeptoren der NK-Zellen sind unspezifisch.
- Beide Zelltypen bewirken den Tod der Zielzelle.
NK-Zellen – Funktionen
Außer der Erkennung fehlender MHC-I-Moleküle haben NK-Zellen allerdings auch viele weitere Funktionen, die gerade noch erforscht werden. Diese basieren alle darauf, dass NK-Zellen mit ihren Rezeptoren an Proteine oder Rezeptoren auf Zelloberflächen binden und daraufhin Signale erhalten. Diese Signale können die NK-Zellen dann entweder zurückhalten und inaktiv lassen (inhibieren) oder aktivieren und eine Apoptose einleiten lassen.
Erkennung veränderter Zellen
NK-Zellen haben die Funktion, veränderte Proteine auf Oberflächen von Zellen zu erkennen (altered-self-Prinzip). Auch hierfür nutzen NK-Zellen spezielle Rezeptoren. Proteine einer Zelle (also auch die auf ihrer Oberfläche) können sich verändern und fehlerhaft aufgebaut werden, wenn die Zelle zum Beispiel durch eine Bakterieninfektion gestresst ist. Auf diese Weise kann die NK-Zelle also ebenfalls erkennen, ob eine infizierte Zelle vorliegt und getötet werden muss.
Antikörper-abhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC)
Eine weitere Funktion von natürlichen Killerzellen ist die Antikörper-abhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC). Die Grundlage für diesen Vorgang ist die Opsonierung von Pathogenen oder ihren Bestandteilen mit Antikörpern.
Antikörper haben zwei Arme mit Bindestellen, die sich je nach Antikörper unterscheiden. Mit diesen Bindestellen können sie an passende Strukturen binden, die nicht dem Körper entstammen. Dazu gehören Strukturen von verschiedenen Pathogenen, wie Proteine der Zellwand von Bakterien. Bei Bindung von Antikörpern an ein Pathogen, kann dieses leichter durch andere Immunzellen oder Bestandteilen des Immunsystems (z. B. Makrophagen, Neutrophile, Komplementsystem) gefunden und zerstört werden. Daher dienen Antikörper in diesem Fall auch als eine Art Markierung von Pathogenen – fachsprachlich auch als Opsonierung bezeichnet.
NK-Zellen können Antikörper binden, die sich an Pathogenen festgesetzt haben und lösen daraufhin die Apoptose der Pathogen-Zelle aus. Auch hier geschieht die Apoptose durch den Ausstoß von Perforin und Granzymen. Die ADCC ist ein Beispiel dafür, wie NK-Zellen nicht nur von Zellen aktiviert werden können, sondern auch von humoralen Bestandteilen des Immunsystems, zu denen Antikörper gehören.
Diese Funktion von NK-Zellen wird inzwischen für einen neuartigen Ansatz von Krebstherapien weiter erforscht. Dabei sollen zunächst künstlich hergestellte Antikörper verwendet werden, die Antigene binden, welche häufig auf Zellen bestimmter Tumore zu finden sind. Solche Antikörper heißen zum Beispiel Rituximab oder Daratumumab. Es wird vermutet, dass Krebszellen auf diese Weise durch NK-Zellen und den Mechanismus ADCC besser abgetötet werden können.
Zytokin-vermittelte Aktivierung von natürlichen Killerzellen
Auch Zytokine – die ebenfalls ein humoraler Bestandteil des Immunsystems sind – können NK-Zellen aktivieren.
Zytokine sind kleine Proteine, die von Zellen als Signale für Wachstum, Bewegung und Entwicklung genutzt werden. Im Immunsystem spielen sie eine besondere Rolle bei der Aktivierung verschiedener Immunzelltypen und der Einleitung von Entzündungen.
Immunzellen wie Makrophagen oder dendritische Zellen stoßen Zytokine aus, wenn sie auf infizierte Zellen stoßen. Dieses Signal kann neben T-Killerzellen auch natürliche Killerzellen anlocken, die daraufhin rasch und stark aktiviert werden, um die Infektion einzudämmen und infizierte Zellen zu töten. Diese Funktion der NK-Zellen ist primär bei viralen Infektionen wichtig.
Menschen, die aufgrund einer genetischen Veranlagung nicht genug NK-Zellen produzieren, sind sehr anfällig für wiederkehrende Infektionen durch das Herpes-Virus.
Die Aktivierung von Immunzellen durch Zytokine funktioniert auch in die andere Richtung. Trifft eine NK-Zelle auf Tumorzellen, die bisher durch die fehlende Antigenpräsentation von anderen Immunzellen übersehen wurde, kann sie selbst Zytokine ausstoßen. Die Zytokine aktivieren Makrophagen oder Neutrophile. Das kann schlussendlich dazu führen, dass auch B- und T-Zellen aktiviert werden, den Tumor erkennen und bekämpfen.
Natürliche Killerzellen – Das Wichtigste
- Natürliche Killerzellen gehören – wie B- und T-Zellen – zu den Lymphozyten. Sie entstammen dem zellulären Teil des angeborenen Immunsystems.
- NK-Zellen sind nicht antigen-spezifisch, sondern erkennen fehlende/veränderte MHC-I-Moleküle.
- NK-Zellen können durch Perforine und Granzyme den Zelltod (Apoptose) von Zielzellen herbeiführen.
- Durch Signalisierung mit Zytokinen können NK-Zellen aktiviert werden oder selbst andere Immunzellen aktivieren.
- Über die Antikörper-abhängige zellvermittelte Zytotoxizität (ADCC) können NK-Zellen zu zerstörende Zellen schneller finden und ausschalten.
Nachweise
- Murphy, K.; Weaver, C. (2016). Janeway's immunobiology. Garland science.
- Clynes, R. A. et al. (2000). Inhibitory Fc receptors modulate in vivo cytoxicity against tumor targets. Nature Medicine.
- Perera Molligoda Arachchige A. S. (2021). Human NK cells: From development to effector functions. Innate immunity.
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