Immunreaktion: Entwicklung von T-Zellen folgt stochastischen Regeln

Das erworbene Immunsystem schützt unseren Körper vor Bedrohungen wie Virus- und Bakterieninfektionen oder Krebs. Eine besondere Rolle spielen dabei T-Zellen. Jede von ihnen trägt einen individuellen Rezeptor auf ihrer Zellmembran. Er passt zu genau einem Antigen, das sich beispielsweise auf der Außenhülle eines Virus befindet. Da die Rezeptoren individuell sind, gibt es auch zwischen zwei Rezeptoren, die das gleiche Antigen erkennen, kleine Unterschiede.

Erkennt die T-Zelle mit ihrem Rezeptor das passende Antigen, geschehen zwei Dinge: Sie vermehrt sich stark und aus der ursprünglichen „naiven“ T-Zelle, die selbst nichts gegen die Bedrohung unternehmen kann, bilden sich neue Zelltypen. Diese lassen sich grob in Effektorzellen und Gedächtniszellen einteilen. Effektorzellen schütten Stoffe aus, mit denen der eigentliche Kampf gegen die Bedrohung in Gang gesetzt wird, und verschwinden, wenn die Gefahr gebannt ist. Gedächtniszellen bleiben dagegen im Körper erhalten. Sie sorgen dafür, dass bei einer neuen Infektion mit dem gleichen Erreger die Immunreaktion besonders schnell in Gang kommt. Diesen Effekt macht man sich bei Impfungen zunutze.

Unterschiedliche Muster bei individuellen Zellen

Wie viele Zellen welchen Typs aus einer einzelnen naiven T-Zelle entstehen, variiert stark. Woran das genau liegt, ist in der Forschung umstritten. Eine Hypothese besagt, dass alles von den T-Zellrezeptoren abhängt. Dadurch, dass diese individuell aufgebaut sind, passen manche besser zu einem Antigen und binden stärker daran als andere. Es wurde angenommen, dass diese unterschiedliche Stärke der Verbindung von Antigen und individuellem T-Zellrezeptor die Entwicklung einer T-Zelle und ihrer Nachkommen weitgehend festlegt.

„Wir konnten zeigen, dass diese Erklärung nicht haltbar ist, wenn man untersucht, wie einzelne T-Zellen auf Infektionen reagieren“, sagt Dr. Veit Buchholz, Gruppenleiter am Institut für Medizinische Mikrobiologie, Immunologie und Hygiene der TUM und einer der Hauptautoren der Studie. Die Forscher untersuchten die Entwicklung von einzelnen T-Zellen, die mit identischen T-Zellrezeptoren ausgestattet waren und mit dem gleichen Antigen konfrontiert wurden.

„Das Ergebnis war eindeutig“, sagt Buchholz. „Folgt man der Hypothese, dass die Qualität der Verbindungen entscheidend ist, hätten die Ergebnisse alle das gleiche Muster zeigen müssen. Stattdessen erzeugten die einzelnen T-Zellen sehr unterschiedliche Mengen der verschiedenen Zelltypen.“

Gruppen von T-Zellen verhalten sich regelhaft

Das bedeutet jedoch nicht, dass die Entwicklung der T-Zellen völlig chaotisch abläuft. Beobachtet man statt einer einzelnen naiven T-Zelle mehrere solcher Zellen zugleich, zeigen sich auch in den Experimenten der TUM-Wissenschaftler die erwarteten Muster.

Diese scheinbar widersprüchlichen Ergebnisse bestärken die Hypothese der TUM Forscher. „Die Ergebnisse für einzelne T-Zellen variierten zwar stark, die verschiedenen Muster traten aber jeweils mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auf“, sagt Prof. Dirk Busch, Direktor des Instituts für Medizinische Mikrobiologie und ebenfalls Hauptautor des Artikels. In Kooperation mit der biomathematischen Forschungsgruppe von Dr. Michael Floßdorf, entwickelte das Team ein auf diesen Wahrscheinlichkeiten beruhendes mathematisches Modell. Dieses zeigt, dass die Ergebnisse aus der Einzelzell-Untersuchung, kombiniert man sie, den Ergebnissen für Zellgruppen entsprechen. Ein ähnliches Verfahren hatte das Team bereits 2013 auf eine andere Art der naiven T-Zellen angewendet.