Immunsystem: So finden Immunzellen Erreger und Tumorzellen

Das Navigationssystem der Immunzellen

Wie gelingt es Abwehrzellen des Immunsystems möglichst schnell Krankheitserreger oder Tumorzellen aufzuspüren oder zu diesen zu gelangen? Woher wissen die Immunzellen, ob Erreger vorhanden sind? Ein deutsches Forschungsteam ging diesen Fragen nach und zeigte, dass Immunzellen eine Art Navigationssystem mithilfe von chemischen Markierungen im Körper aufbauen.

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Forschende der Universität des Saarlandes haben mithilfe einer statistischen Methode aufgezeigt, wie Immunzellen bestimmte Markierungen nutzen, um Erreger und Tumorzellen aufzuspüren oder um ein Gebiet als bereits abgesucht zu deklarieren. Die Ergebnisse wurden kürzlich in dem Fachmagazin „Physical Review Letters“ vorgestellt.

Mit welcher Strategie durchsuchen Immunzellen den Körper?

Bestimmte Immunzellen schwärmen durch den Körper, um nach Eindringlingen oder Tumorzellen zu suchen. Wenn jede einzelne Immunzelle per Zufall den Körper nach Erregern absuchen würde, wäre die Wahrscheinlichkeit hoch, dass bestimmte Bereiche mehrfach angesucht werden und andere gar nicht. Es ist zwar schon bekannt, dass die Immunzellen chemische Markierungen als eine Art Wegweiser nutzen, um bestimmte Informationen weiterzugeben, doch die genaue Strategie der Durchforstung ist bislang unklar.

Mit dem Metalldetektor durch die Wüste

„Stellen Sie sich vor, Sie suchen mit einem Metalldetektor in einer Wüste nach einem Goldnugget“, vergleicht Professor Heiko Rieger das Problem, das sinngemäß auch körpereigene Abwehrzellen haben, wenn sie sich auf die Suche nach Eindringlingen im Körper begeben. Dabei wäre es dem Wissenschaftler zufolge weder sinnvoll, vorgegebenen Wegen zu folgen, noch per Zufallsprinzip kreuz und quer zu laufen.

Wettlauf gegen die Zeit

Ein effizientes Vorgehen ist aber von äußerster Wichtigkeit für das Immunsystem, damit sich Erreger nicht schlagartig vermehren oder Tumorzellen unkontrolliert wuchern. Deshalb versuchten die Forschenden nachzuvollziehen, wann eine Immunzelle besonders effizient bei der Suche nach schädlichen Eindringlingen und Tumorzellen ist.

Das „Gedächtnis“ der Immunzellen

Besonderes Augenmerk hat die Arbeitsgruppe dabei auf das „Gedächtnis“ der Zellen gelegt. Gemeint sind damit spezielle biochemische Markierungen, die von den Immunzellen absetzt werden, um Orte im Körper zu kennzeichnen. Diese Markierungen können unterschiedliche Funktionen haben. Entweder locken sie weitere Immunzellen zur Unterstützung an, um gefundene Eindringlinge beziehungsweise Tumorzellen zu eliminieren oder die Markierung kennzeichnet ein Gebiet, welches bereits abgesucht wurde.

Das genaue Verständnis über dieses System könnte der Forschungsgruppe zufolge weitreichende Erkenntnisse über Prozess im Körper offenbaren, aus denen sich bessere Therapien gegen Krebs und Infektionskrankheiten ableiten ließen.

Modell berechnete Vorgehensweise von Immunzellen

„Mathematisch gesehen sind solche Gedächtnisprozesse oft schwer zu quantifizieren und vorherzusagen“, erklärt Dr. Hugues Meyer. Die beiden Experten entwickelten zu diesem Zweck ein Computermodell, welches das Vorgehen der Zellen simuliert, um die effizienteste Vorgehensweise herauszukristallisieren. „Tatsächlich ist es uns dabei im Computermodell gelungen, die Effizienz solcher Prozesse zu quantifizieren“, betont Dr. Meyer.

Einfache Befehle…

Die Simulationen der beiden Physiker konnten vorhersagen, auf welchem Weg eine Zelle ihren Feind am schnellsten finden kann. „Dabei hat sich herausgestellt, dass die Suche dann am effizientesten ist, wenn die Zelle – oder in unserer Simulation ein so genannter Suchagent – auf ihrem Weg einfache Anweisungen wie ‚in zwei Schritten nach links, dann in drei Schritten nach rechts‘ nach wohldefinierten Wahrscheinlichkeiten befolgt“, erläutert Meyer.

…gepaart mit Spontanität

Dabei müsse die Zelle auch ab und an „einen Hinweis ignorieren, um möglichst effizient zu sein“, so die Forschenden. Beim Vergleich mit dem Goldsucher würde dies bedeuten, dass er sich in ein Gebiet begibt, von dem er gehört hat, dass es dort Gold gibt, vor Ort dann aber vom Weg abweicht, damit er nicht dort sucht, wo alle anderen suchen. „Mit dieser Strategie und bereits mit einer Erinnerung an die letzten beiden Schritte sinkt die durchschnittliche Zeit zum Auffinden des Ziels um mehr als 50 Prozent im Vergleich zu einer blinden Zufallssuche“, resümiert der Physiker.

Vermischung der Strategien führt zum Gleichgewicht

„Wenn die Zelle den chemischen Hinweis ignoriert, wird sie blindlings und ineffizient suchen“, fassen die beiden Wissenschaftler zusammen. Wenn sie sich zu sehr auf einen Hinweis verlasse, neige sie dazu, in geraden Linien zu gehen und noch weniger effizient zu sein. Eine Vermischung dieser beiden Strategien führe zum richtigen Gleichgewicht. (vb)