Entwicklung von Impfstoffen gegen Infektionskrankheiten (Wahl Medizinische Biologie) - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Stell Dir vor, Du bist Teil eines Forschungsteams, das einen neuen Impfstoff gegen einen spezifischen Mikroorganismus entwickeln soll. Um erfolgreich zu sein, musst Du zunächst den Mikroorganismus korrekt klassifizieren und seine biologischen Eigenschaften verstehen.

a)

Klassifiziere die folgenden Mikroorganismen aufgrund ihrer Zellstruktur. Ordne sie entsprechend in die Kategorien Prokaryoten oder Eukaryoten ein. Begründe Deine Entscheidungen.

• Escherichia coli (E. coli)
• Influenza-Virus
• Candida albicans
• Plasmodium falciparum

Lösung:

Um die Mikroorganismen zu klassifizieren, schaue Dir deren Zellstruktur genauer an und ordne sie entsprechend den Kategorien Prokaryoten oder Eukaryoten zu. Hier sind die Klassifizierungen und Begründungen:

• Escherichia coli (E. coli): Dies ist ein Bakterium und gehört zu den Prokaryoten. Prokaryoten zeichnen sich durch das Fehlen eines Zellkerns und anderer membranumgebundener Organellen aus.
• Influenza-Virus: Ein Virus gehört weder zu den Prokaryoten noch zu den Eukaryoten, da Viren generell als nicht lebende Entitäten außerhalb dieser beiden Klassifikationen betrachtet werden. Sie bestehen hauptsächlich aus einer Proteinhülle und genetischem Material (DNA oder RNA).
• Candida albicans: Dies ist ein Pilz und gehört zu den Eukaryoten. Eukaryoten besitzen einen Zellkern und membranumgrenzte Organellen.
• Plasmodium falciparum: Dies ist ein Protozoon, genauer gesagt ein Parasit, und gehört ebenfalls zu den Eukaryoten. Auch diese Organismen haben eine komplexe Zellstruktur mit Zellkern.

• Prokaryoten: Escherichia coli (E. coli)
• Nicht klassifizierbar in Prokaryoten/Eukaryoten: Influenza-Virus
• Eukaryoten: Candida albicans, Plasmodium falciparum

b)

Diskutiere die unterschiedlichen Mechanismen, wie die oben genannten Mikroorganismen Pathogenität verursachen können. Wähle zwei dieser Mikroorganismen aus und beschreibe detailliert ihre Krankheitsmechanismen sowie die biologischen Prozesse, die sie nutzen, um den Wirt zu infizieren und zu schädigen.

Lösung:

Um die Pathogenität der Mikroorganismen zu diskutieren, schauen wir uns zwei dieser Mikroorganismen genauer an und beschreiben ihre Krankheitsmechanismen sowie die biologischen Prozesse, die sie nutzen, um den Wirt zu infizieren und zu schädigen. Wir wählen Escherichia coli (E. coli) und Influenza-Virus aus.

• Krankheitsmechanismen: E. coli kann verschiedene Krankheiten verursachen, abhängig vom Stamm. Pathogene Stämme wie EHEC (enterohemorrhagische E. coli) verursachen blutigen Durchfall und HUS (hämolytisch-urämisches Syndrom), während andere Durchfallerkrankungen oder Harnwegsinfektionen auslösen.
• Adhärenz und Kolonisierung: E. coli verwendet Fimbrien (haarähnliche Strukturen) zur Adhärenz an die Epithelzellen des Wirts. Dies ermöglicht die Kolonisierung des Darms oder anderer betroffener Bereiche.
• Toxinproduktion: Pathogene E. coli-Stämme produzieren Toxine wie Shiga-Toxin, das die Endothelzellen in Blutgefäßen schädigt und dadurch Durchfälle und HUS verursacht. Andere Stämme produzieren Enterotoxine, die Durchfall fördern.
• Invasion und Überleben: Einige E. coli-Stämme sind in der Lage, in die Wirtszellen einzudringen und sich dort zu vermehren. Sie nutzen verschiedene Mechanismen, um das Immunsystem zu umgehen oder den Wirt zur Herstellung von Nährstoffen zu bringen.

• Krankheitsmechanismen: Das Influenzavirus verursacht Grippe (Influenza), die durch Symptome wie Fieber, Husten, Halsschmerzen und Müdigkeit charakterisiert ist. In schweren Fällen kann es zu Lungenentzündung und Tod führen.
• Adhäsion und Eindringen: Das Influenzavirus nutzt seine Oberflächenproteine, Hemagglutinin (HA) und Neuraminidase (NA), um an die Wirtszellen zu binden und in sie einzudringen. HA bindet an Sialinsäuren auf der Oberfläche der Wirtszellen, was die Aufnahme des Virus ermöglicht.
• Replikation: Nach dem Eindringen in die Zelle wird das virale Genom freigesetzt und im Zellkern repliziert. Neue Viruspartikel werden in der Zelle zusammengesetzt.
• Freisetzung und Ausbreitung: Das Neuraminidase-Protein hilft dabei, die neu gebildeten Viren von der Wirtszelle abzutrennen, wodurch sie freigesetzt werden und weitere Zellen infizieren können.
• Immunevasion: Das Influenzavirus kann durch genetische Veränderungen (Antigendrift und Antigenshift) seine Oberflächenproteine verändern, was das Immunsystem des Wirtes erschwert, eine effektive Antwort zu entwickeln.

Zusammenfassung:

• E. coli: Adhärenz, Kolonisierung, Toxinproduktion, Invasion
• Influenza-Virus: Adhäsion, Eindringen, Replikation, Freisetzung, Immunevasion

Aufgabe 2)

Ein tiefes Verständnis der Pathogenitätsmechanismen und der Wirtsabwehr ist entscheidend für die Entwicklung wirksamer Impfstoffe gegen Infektionskrankheiten. Pathogene haben verschiedene Mechanismen entwickelt, um ihre Wirte zu infizieren und deren Abwehrsysteme zu umgehen. Dazu gehören die Produktion von Toxinen, die Verwendung von Adhäsionsmolekülen, die Invasion von Wirtszellen und Strategien zur Immunevasion. Auf der anderen Seite hat der Wirt sowohl angeborene als auch adaptive Immunmechanismen entwickelt, um diese Bedrohungen abzuwehren. Das angeborene Immunsystem bietet eine initiale, unspezifische Abwehr durch Barrieren wie Haut und Schleimhäute, sowie durch Phagozytose und das Komplementsystem. Das adaptive Immunsystem bietet eine spezialisierte Antwort durch die Erkennung von Pathogenen mittels T- und B-Zellen, die Produktion von Antikörpern und die Bildung von Gedächtniszellen. Die Herausforderung bei der Entwicklung von Impfstoffen besteht darin, spezifische Wirtsantworten zu stimulieren, die einen langanhaltenden Schutz bieten.

a)

• Vergleiche die Mechanismen der Pathogenität und der Wirtsabwehr und diskutiere, wie diese Interaktionen die Entwicklung von Impfstoffen beeinflussen.
• Erkläre die Rollen der angeborenen und adaptiven Immunantwort im Kontext der Pathogenese und der Impfstoffentwicklung. Verwende spezifische Beispiele von Immunzellen und Pathogenitätsfaktoren.
• An der Universität tu München entwickelst du einen neuartigen Impfstoff gegen ein bakterielles Pathogen, das durch Toxine, Adhäsionsmoleküle und Invasionsfaktoren gekennzeichnet ist. Beschreibe die Schritte und strategischen Überlegungen, die du bei der Entwicklung dieses Impfstoffs in Betracht ziehen musst, um eine effektive und dauerhafte Immunantwort zu gewährleisten. Berechne basierend auf klinischen Daten mit einem Initialeffektivitätstest (n = 300) eine hypothetische Effektivitätsrate von 90%. Zeige, wie dies das Vertrauensintervall beeinflusst, falls diese Effektivität bei 270 von 300 Teilnehmern beobachtet wurde.

Lösung:

Vergleiche die Mechanismen der Pathogenität und der Wirtsabwehr und diskutiere, wie diese Interaktionen die Entwicklung von Impfstoffen beeinflussen.

Pathogene haben verschiedene Mechanismen entwickelt, um ihre Wirte zu infizieren und deren Abwehrsysteme zu umgehen:

• Produktion von Toxinen: Viele Bakterien produzieren exotoxische Substanzen, die Wirtszellen schädigen und die Immunantwort schwächen.
• Verwendung von Adhäsionsmolekülen: Pathogene nutzen Adhäsionsmoleküle, um sich an Wirtszellen anzuheften und eine Infektion zu erleichtern.
• Invasion von Wirtszellen: Einige Pathogene dringen in Wirtszellen ein und vermehren sich dort, was sie vor dem Immunsystem versteckt.
• Strategien zur Immunevasion: Mechanismen wie Antigenvariation und Hemmung der Phagozytose helfen Pathogenen, der Immunantwort zu entgehen.

Auf der anderen Seite bietet der Wirt verschiedene Abwehrmechanismen:

• Angeborenes Immunsystem: Unspezifische Abwehr durch Barrieren wie Haut und Schleimhäute sowie Immunzellen wie Makrophagen und neutrophile Granulozyten, die Pathogene durch Phagozytose beseitigen.
• Adaptives Immunsystem: Spezifische Antwort durch T- und B-Zellen, die Antigene erkennen und gezielte Mechanismen zur Bekämpfung anwenden, wie die Produktion von Antikörpern und die Zerstörung infizierter Zellen.

Die Entwicklung von Impfstoffen muss diese Interaktionen berücksichtigen, um eine effektive und langfristige Immunantwort zu erzielen:

• Ein Impfstoff muss immunologische Gedächtniszellen erzeugen, die beim erneuten Kontakt mit dem Pathogen eine schnelle und spezifische Antwort liefern.
• Es ist wichtig, Antigene auszuwählen, die eine starke und langlebige Immunantwort aktivieren, insbesondere gegen die Hauptpathogenitätsfaktoren wie Toxine, Adhäsionsmoleküle und Invasionsfaktoren.

Erkläre die Rollen der angeborenen und adaptiven Immunantwort im Kontext der Pathogenese und der Impfstoffentwicklung. Verwende spezifische Beispiele von Immunzellen und Pathogenitätsfaktoren.

Das angeborene Immunsystem bietet eine initiale, schnelle und unspezifische Abwehr gegen Pathogene:

• Makrophagen: Diese Zellen können das Pathogen durch Phagozytose zerstören und Antigene präsentieren, um das adaptive Immunsystem zu aktivieren.
• Dendritische Zellen: Sie präsentieren Antigene und initiieren die T-Zell-Antwort durch die Aktivierung von T-Helferzellen.
• Neutrophile Granulozyten: Diese Zellen erkennen Pathogene und eliminieren sie durch Phagozytose und die Freisetzung von antimikrobiellen Enzymen.

Das adaptive Immunsystem bietet eine spezifische und langanhaltende Immunantwort:

• B-Zellen: Sie produzieren spezifische Antikörper, die Pathogene neutralisieren und deren Toxine blockieren.
• T-Helferzellen: Sie unterstützen B-Zellen bei der Antikörperproduktion und aktivieren zytotoxische T-Zellen, die infizierte Zellen gezielt abtöten.
• Zytotoxische T-Zellen: Diese Zellen erkennen und zerstören infizierte Wirtszellen, wodurch die Ausbreitung des Pathogens verhindert wird.

Bei der Impfstoffentwicklung ist es entscheidend, sowohl das angeborene als auch das adaptive Immunsystem zu aktivieren. Adjuvantien in Impfstoffen können die angeborene Immunantwort verstärken, wodurch eine stärkere adaptive Antwort gefördert wird.

An der Universität tu München entwickelst du einen neuartigen Impfstoff gegen ein bakterielles Pathogen, das durch Toxine, Adhäsionsmoleküle und Invasionsfaktoren gekennzeichnet ist. Beschreibe die Schritte und strategischen Überlegungen, die du bei der Entwicklung dieses Impfstoffs in Betracht ziehen musst, um eine effektive und dauerhafte Immunantwort zu gewährleisten. Berechne basierend auf klinischen Daten mit einem Initialeffektivitätstest (n = 300) eine hypothetische Effektivitätsrate von 90%. Zeige, wie dies das Vertrauensintervall beeinflusst, falls diese Effektivität bei 270 von 300 Teilnehmern beobachtet wurde.

Die Entwicklung eines Impfstoffs umfasst mehrere Schritte und strategische Überlegungen:

• Identifikation von Antigenen: Bestimmung der wichtigsten Pathogenitätsfaktoren (Toxine, Adhäsionsmoleküle, Invasionsfaktoren), die eine starke Immunantwort hervorrufen können.
• Design des Impfstoffs: Entscheidung, ob ein Lebendimpfstoff, Totimpfstoff, Subunit-Impfstoff oder mRNA-Impfstoff am besten geeignet ist.
• Inklusion von Adjuvantien: Adjuvantien können das angeborene Immunsystem stimulieren und eine stärkere adaptive Immunantwort hervorrufen.
• Präklinische Studien: Tests an Tiermodellen, um die Wirksamkeit und Sicherheit des Impfstoffkandidaten zu evaluieren.
• Klinische Studien: Phase 1 (Sicherheit und Dosierung), Phase 2 (Immunogenität und Nebenwirkungen), Phase 3 (Wirksamkeit und seltene Nebenwirkungen) am Menschen durchführen.
• Zulassung und Massenproduktion: Nach erfolgreichen Studien muss der Impfstoff von den Aufsichtsbehörden genehmigt und in großem Maßstab produziert werden.

Berechnung der hypothetischen Effektivitätsrate und Vertrauensintervall:

Angenommen, die Effektivität wurde bei 270 von 300 Teilnehmern beobachtet. Die Effektivitätsrate beträgt somit:

\[ \text{Effektivitätsrate} = \frac{270}{300} = 0.90 = 90\text{%} \text{ (oder 0.9 als Dezimalzahl)} \]

Zur Berechnung des 95%-Konfidenzintervalls (CI) verwenden wir die folgende Formel für den binomialen Anteil:

\[ \text{CI} = p \text{ ± } z \times \text{Fehlermarge} \]

wobei:

• p der beobachtete Anteil ist (0.9)
• z der z-Wert für ein 95%-CI ist (1.96)
• die Fehlermarge berechnet wird als:

\[ \text{Fehlermarge} = \text{sqrt}\frac{p \times (1-p)}{n} = \text{sqrt}\frac{0.9 \times 0.1}{300} = \text{sqrt}\frac{0.09}{300} = \text{sqrt}{0.0003} ≈ 0.0173 \]

Somit ist das 95%-Konfidenzintervall:

\[ \text{CI} = 0.9 \text{ ± } 1.96 \times 0.0173 \]

Das ergibt:

\[ \text{Unteres Limit} = 0.9 - 1.96 \times 0.0173 ≈ 0.866 \]

\[ \text{Oberes Limit} = 0.9 + 1.96 \times 0.0173 ≈ 0.934 \]

Das 95%-Konfidenzintervall für die Effektivitätsrate liegt also zwischen 86.6% und 93.4%.

Aufgabe 3)

Du arbeitest in einem immunologischen Labor und hast die Aufgabe, die adaptive Immunantwort eines Patienten zu analysieren. Dabei konzentrierst Du Dich auf die Unterscheidung zwischen zellulärer und humoraler Immunantwort, um festzustellen, ob bei dem Patienten eine Immunstörung vorliegt. Nutze Dein Wissen über die Rolle der verschiedenen Zellen und Moleküle.

a)

Beschreibe detailliert den Prozess der Aktivierung einer zytotoxischen T-Zelle (CD8+), beginnend mit der Antigenpräsentation durch eine infizierte Körperzelle bis hin zur Elimination der infizierten Zelle. Welche Moleküle sind an diesem Prozess beteiligt und welche Rolle spielen sie?

Lösung:

Prozess der Aktivierung einer zytotoxischen T-Zelle (CD8+)

• Antigenpräsentation:

  Der Prozess beginnt, wenn eine Körperzelle von einem Virus oder einem anderen intrazellulären Pathogen infiziert wird. Diese infizierte Zelle verarbeitet virale Proteine und präsentiert Peptide (Antigene) auf ihrer Oberfläche mittels Major Histocompatibility Complex Klasse I (MHC-I) Molekülen.

• Erkennung durch CD8+ T-Zellen:

  Zytotoxische T-Zellen (auch als CD8+ T-Zellen bezeichnet) besitzen T-Zell-Rezeptoren (TCRs), die spezifisch für das präsentierte Antigen sind. Diese TCRs erkennen das Antigen, das durch das MHC-I Molekül der infizierten Zelle präsentiert wird.

• Kostimulation:

  Neben der Erkennung des Antigens benötigen CD8+ T-Zellen zusätzliche Kostimulatory Signale, um vollständig aktiviert zu werden. Diese Signale werden durch Moleküle wie CD28 auf der T-Zelle und B7 auf der antigenpräsentierenden Zelle vermittelt.

• Aktivierung und Differenzierung:

  Nach erfolgreicher Antigenerkennung und Kostimulation wird die CD8+ T-Zelle aktiviert und beginnt sich zu proliferieren und zu differenzieren. Dabei entstehen Effektor-T-Zellen und Gedächtnis-T-Zellen.

• Zytotoxische Effektor-T-Zellen:

  Die aktivierten Effektor-T-Zellen wandern zur Infektionsstelle und erkennen erneut die infizierten Zellen über das MHC-I/Antigen-Komplex. Sie setzen zytotoxische Moleküle frei, wie Perforin und Granzym.

• Elimination der infizierten Zelle:

  Perforin bildet Poren in der Membran der infizierten Zelle, wodurch Granzym in die Zelle eindringen kann. Granzym induziert die Apoptose (programmierter Zelltod) der infizierten Zelle, was schließlich zur Beseitigung des Pathogens führt.

Beteiligte Moleküle und ihre Rollen:

• MHC-I: Präsentiert Antigene auf der Oberfläche der infizierten Zelle.
• T-Zell-Rezeptor (TCR): Erkennt das Antigen-MHC-I-Komplex.
• CD8: Korrezeptor, der die Interaktion zwischen TCR und MHC-I stabilisiert.
• CD28/B7: Kostimulatorische Moleküle, die zur vollständigen Aktivierung der T-Zelle beitragen.
• Perforin: Bildet Poren in der Zielzellmembran.
• Granzym: Induziert Apoptose in der infizierten Zelle.

b)

Erkläre den Unterschied zwischen T-Helfer-Zellen (CD4+) und regulatorischen T-Zellen (Tregs). Welche Funktionen haben sie und wie tragen sie zur Balance der Immunantwort bei?

Lösung:

Unterschied zwischen T-Helfer-Zellen (CD4+) und regulatorischen T-Zellen (Tregs)

• T-Helfer-Zellen (CD4+):

  T-Helfer-Zellen (oder CD4+ T-Zellen) spielen eine zentrale Rolle bei der Steuerung und Verstärkung der Immunantwort. Ihre Hauptfunktionen umfassen:

  • Aktivierung von B-Zellen: T-Helfer-Zellen interagieren mit B-Zellen und helfen ihnen, Antikörper zu produzieren. Dies ist ein essentieller Teil der humoralen Immunantwort.
  • Aktivierung von Makrophagen: Sie helfen dabei, Makrophagen zu aktivieren, die dann effektiver Pathogene phagozytieren und zerstören können.
  • Aktivierung und Unterstützung anderer T-Zellen: T-Helfer-Zellen können CD8+ T-Zellen aktivieren und differenzieren und unterstützen somit die zelluläre Immunantwort.
  • Zytokinproduktion: Sie produzieren verschiedene Zytokine, die das Wachstum und die Differenzierung anderer Immunzellen fördern und regulieren.
• Regulatorische T-Zellen (Tregs):

  Regulatorische T-Zellen sind spezialisiert darauf, die Immunantwort zu unterdrücken und Autoimmunität vorzubeugen. Ihre Hauptfunktionen umfassen:

  • Unterdrückung der Immunantwort: Tregs produzieren inhibitorische Zytokine wie IL-10 und TGF-β, die die Aktivierung und Proliferation von Effektor-T-Zellen und anderen Immunzellen dämpfen.
  • Erhaltung der Selbsttoleranz: Sie verhindern Autoimmunreaktionen, indem sie autoreaktive T-Zellen in Schach halten.
  • Regulation der Entzündung: Tregs können entzündliche Reaktionen kontrollieren und verhindern, dass sie außer Kontrolle geraten.

Beitrag zur Balance der Immunantwort:

• T-Helfer-Zellen sind entscheidend für die Aktivierung und Unterstützung vieler Komponenten des Immunsystems, einschließlich B-Zellen, Makrophagen und CD8+ T-Zellen, wodurch sie eine effektive Immunantwort gegen Pathogene gewährleisten.
• Tregs sind wichtig, um sicherzustellen, dass die Immunantwort nicht zu intensiv oder fehlgeleitet ist. Sie verhindern übermäßige Entzündungen und Autoimmunität, indem sie die Aktivität anderer Immunzellen unterdrücken.
• Die Balance zwischen diesen Zelltypen ist essenziell für eine ordnungsgemäße Immunfunktion: T-Helfer-Zellen fördern die Abwehr gegen Pathogene, während Tregs sicherstellen, dass diese Abwehrmechanismen nicht das eigene Gewebe schädigen.

c)

Stelle die humorale Immunantwort dar, indem Du den Weg der B-Zell-Aktivierung beschreibst. Welche Rolle spielen T-Helferzellen in diesem Prozess und wie wird die Antikörperproduktion reguliert?

Lösung:

Die humorale Immunantwort und der Weg der B-Zell-Aktivierung

• Erkennung des Antigens:

  Der Prozess der humoralen Immunantwort beginnt, wenn eine B-Zelle ein spezifisches Antigen über ihren B-Zell-Rezeptor (BCR) erkennt. Diese Antigene können Proteine, Polysaccharide oder andere Moleküle sein, die von Pathogenen stammen.

• Antigenaufnahme und -präsentation:

  Nach der Bindung an ein Antigen nimmt die B-Zelle dieses auf, verarbeitet es und präsentiert es auf ihrer Oberfläche mittels Major Histocompatibility Complex Klasse II (MHC-II) Molekülen.

• Interaktion mit T-Helfer-Zellen (CD4+):

  T-Helfer-Zellen spielen eine zentrale Rolle in der Aktivierung von B-Zellen. Wenn eine T-Helfer-Zelle das durch MHC-II präsentierte Antigen erkennt, bindet der T-Zell-Rezeptor (TCR) der T-Helfer-Zelle an diesen Komplex.

• Kostimulation:

  Für eine vollständige B-Zell-Aktivierung ist eine Kostimulation erforderlich. CD40 auf der B-Zelle interagiert mit CD40L auf der T-Helfer-Zelle. Diese Interaktion führt zur Freisetzung von Zytokinen durch die T-Helfer-Zelle.

• Zytokinproduktion:

  T-Helfer-Zellen produzieren eine Reihe von Zytokinen (wie IL-4, IL-5 und IL-6), die eine bedeutende Rolle bei der weiteren Aktivierung und Differenzierung der B-Zellen spielen.

• Differenzierung zu Plasmazellen und Gedächtnis-B-Zellen:

  Die aktivierte B-Zelle differenziert sich entweder zu Plasmazellen, die große Mengen an Antikörpern produzieren, oder zu Gedächtnis-B-Zellen, die bei zukünftigen Infektionen schneller reagieren können.

• Produktion und Funktion von Antikörpern:

  Plasmazellen produzieren und sekretieren große Mengen an Antikörpern, die spezifisch gegen das erkannte Antigen gerichtet sind. Diese Antikörper neutralisieren Pathogene, markieren sie für die Phagozytose oder aktivieren das Komplementsystem.

Rolle der T-Helfer-Zellen und Regulierung der Antikörperproduktion:

• Antigenpräsentation: T-Helfer-Zellen erkennen das durch MHC-II präsentierte Antigen und interagieren mit der B-Zelle.
• Kostimulation: Der CD40/CD40L-Signalweg stellt sicher, dass die B-Zelle vollständig aktiviert wird.
• Zytokinausschüttung: T-Helfer-Zellen setzen Zytokine frei, die das Wachstum, die Differenzierung und die Antikörperproduktion der B-Zellen fördern.
• Feedbackmechanismen: Die Produktion von Antikörpern wird durch Feedbackmechanismen reguliert. Zum Beispiel kann die Bindung von Antikörpern an Antigene die Produktion weiterer Antikörper hemmen. Ebenso können regulatorische Moleküle und Zellen (einschließlich regulatorischer T-Zellen) die B-Zell-Aktivität kontrollieren, um eine übermäßige Reaktion zu verhindern.

Aufgabe 4)

Modulation des Immunsystems durch Impfstoffe: Impfstoffe modifizieren die Immunantwort, um Schutz gegen spezifische Krankheiten zu bieten. Dies umfasst sowohl die Aktivierung der angeborenen als auch der adaptiven Immunantwort. Dabei sollten Antikörper- und T-Zell-Reaktionen erzeugt werden und es sollten Gedächtniszellen für langfristigen Schutz gebildet werden. Adjuvanzien, die in Impfstoffen enthalten sein können, dienen dazu, die Immunantwort zu verstärken. Das Ziel jedes Impfstoffes ist es, Schutz zu bieten, ohne dass Krankheitssymptome auftreten. Es gibt verschiedenen Typen von Impfstoffen, wie lebend-attenuierte, inaktivierte und mRNA-basierte Impfstoffe. Die Immunmodulation muss je nach Pathogen und Impfstofftyp angepasst werden. Ein Beispiel für einen modernen Impfstoff ist der mRNA-basierte Impfstoff gegen das SARS-CoV-2 Virus.

a)

a) Erläutere den Mechanismus, durch den ein mRNA-basierter Impfstoff das Immunsystem aktiviert. Nutze hierfür die Begriffe der angeborenen und der adaptiven Immunantwort und gehe auf die spezifischen Wege der Antikörper- und T-Zell-Reaktionen ein. Welche Rolle spielen dabei Adjuvanzien?

Lösung:

a) Erläutere den Mechanismus, durch den ein mRNA-basierter Impfstoff das Immunsystem aktiviert. Nutze hierfür die Begriffe der angeborenen und der adaptiven Immunantwort und gehe auf die spezifischen Wege der Antikörper- und T-Zell-Reaktionen ein. Welche Rolle spielen dabei Adjuvanzien?

Ein mRNA-basierter Impfstoff aktiviert das Immunsystem durch einen mehrstufigen Prozess, der sowohl die angeborene als auch die adaptive Immunantwort einbezieht:

• Angeborene Immunantwort: Sobald der mRNA-Impfstoff in den Körper gelangt und in die Zellen aufgenommen wird, beginnt die mRNA in den Zellen, das virale Protein (z.B. das Spike-Protein bei SARS-CoV-2) zu produzieren. Das Vorhandensein dieser fremden Proteine wird von den Zellen erkannt und löst eine sofortige angeborene Immunantwort aus. Diese umfasst unter anderem die Ausschüttung von Zytokinen und Interferonen, die inflammatorische Prozesse einleiten und das Immunsystem alarmieren.
• Adaptive Immunantwort: Parallel dazu präsentiert die Zelle Fragmente des viralen Proteins auf ihrer Oberfläche durch MHC-I Moleküle (Major Histocompatibility Complex I). Diese werden von zytotoxischen T-Zellen (CD8^+ T-Zellen) erkannt, die daraufhin aktiviert werden und infizierte Zellen zerstören.
• Antikörper-Reaktionen: Die produzierten viralen Proteine können auch von Antigen-präsentierenden Zellen (APCs) wie dendritischen Zellen aufgenommen und prozessiert werden. Diese Zellen präsentieren die Antigene dann über MHC-II Moleküle an Helfer-T-Zellen (CD4^+ T-Zellen). Die aktivierten CD4^+ T-Zellen stimulieren anschließend B-Zellen, die beginnen, spezifische Antikörper gegen das virale Protein zu produzieren. Diese Antikörper erkennen und neutralisieren das Virus bei zukünftigen Infektionen.
• Gedächtniszellen: Ein wichtiger Aspekt der adaptiven Immunantwort ist die Bildung von Gedächtniszellen sowohl bei B- als auch bei T-Zellen. Diese Gedächtniszellen ermöglichen eine schnellere und effektivere Reaktion bei erneutem Kontakt mit dem Pathogen.
• Rolle der Adjuvanzien: Adjuvanzien sind Substanzen, die in Impfstoffen verwendet werden, um die Immunantwort zu verstärken. Bei mRNA-Impfstoffen können Adjuvanzien beispielsweise die Dauer und Intensität der Immunantwort erhöhen, indem sie inflammatorische Signale verstärken und die Aktivierung von APCs fördern. Dies trägt dazu bei, eine robustere und langlebigere Immunität zu entwickeln.

Zusammengefasst aktiviert ein mRNA-basierter Impfstoff das Immunsystem, indem er die Produktion von viralen Proteinen in den Zellen anregt, was sowohl die angeborene als auch die adaptive Immunantwort auslöst, einschließlich der Aktivierung von T-Zellen und der Produktion von Antikörpern. Adjuvanzien spielen eine unterstützende Rolle, indem sie die Immunantwort weiter verstärken.

b)

b) Berechnen Sie die erforderliche Anzahl von Gedächtniszellen zum Schutz einer Bevölkerung mit einem bestimmten Erregerkontakt. Angenommen, pro 1.000 Personen werden 100 Gedächtniszellen benötigt, um eine Herdenimmunität von 70 % zu erreichen. Wie viele Gedächtniszellen sind für eine Stadt mit 1.000.000 Einwohnern notwendig, um diese Herdenimmunität zu gewährleisten? Zeigen Sie alle Ihre Berechnungsschritte.

Lösung:

b) Berechnen Sie die erforderliche Anzahl von Gedächtniszellen zum Schutz einer Bevölkerung mit einem bestimmten Erregerkontakt. Angenommen, pro 1.000 Personen werden 100 Gedächtniszellen benötigt, um eine Herdenimmunität von 70 % zu erreichen. Wie viele Gedächtniszellen sind für eine Stadt mit 1.000.000 Einwohnern notwendig, um diese Herdenimmunität zu gewährleisten? Zeigen Sie alle Ihre Berechnungsschritte.

Um diese Aufgabe zu lösen, gehen wir Schritt für Schritt vor:

• Schritt 1: Bestimme die natürliche Anzahl der benötigten Gedächtniszellen pro 1.000 Personen: Es wird angegeben, dass pro 1.000 Personen 100 Gedächtniszellen benötigt werden.
• Schritt 2: Berechne die Anzahl der Gedächtniszellen für 1.000.000 Personen: Da in der Stadt 1.000.000 Personen leben, müssen wir herausfinden, wie viele 1.000er Gruppen in der Stadt vorhanden sind: Anzahl der Gruppen: \[ \frac{{1.000.000}}{{1.000}} = 1.000 \]
• Schritt 3: Berechne die notwendige Anzahl der Gedächtniszellen, um Herdenimmunität zu erreichen: Da wir bereits wissen, dass pro 1.000 Personen 100 Gedächtniszellen benötigt werden, können wir die Gesamtanzahl der benötigten Gedächtniszellen berechnen, indem wir die Anzahl der Gruppen (1.000) mit 100 multiplizieren: \[ 1.000 \times 100 = 100.000 \]
• Schritt 4: Berücksichtige die notwendige Deckung für Herdenimmunität (70 %): Herdenimmunität wird bei einer Abdeckung von 70 % der Bevölkerung erreicht. Also werden nur 70 % der vorher berechneten Gedächtniszellen benötigt: \[ 100.000 \times 0.70 = 70.000 \]

Daher sind für eine Stadt mit 1.000.000 Einwohnern insgesamt 70.000 Gedächtniszellen erforderlich, um eine Herdenimmunität von 70 % zu gewährleisten.