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Vielfältige Aufgaben der Blutzellen

19.08.2002
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Anatomie des Menschen

Vielfältige Aufgaben der Blutzellen

von Thomas Beck, Rostock

Bei der Zentrifugation trennen sich Blutplasma und Blutkörperchen. Erythrozyten, Leukozyten und ihre vielen Unterformen sowie Thrombozyten erfüllen vielfältige Aufgaben, angefangen von Sauerstoffbindung und -transport bis hin zu Immunabwehr und Blutgerinnung. Mangel und Funktionsstörungen der Blutzellen können lebensbedrohliche Krankheiten auslösen.

Erythrozyten sind zellkernlose und organellenfreie Zellen, die zu einer Proteinbiosynthese nicht mehr in der Lage sind. Ihr recht konstanter mittlerer Durchmesser von 7,5 ± 1,5 µm stellt in histologischen Präparaten ein gutes Maß zum Größenvergleich dar. Deutliche Abweichungen von der mittleren Größe weisen meist auf Erkrankungen hin und tragen eigene Bezeichnungen. Megalozyten sind Erythrozyten mit Durchmessern über 12 µm; Makrozyten haben einen Durchmesser über 9 µm, Mikrozyten sind kleiner als 6 µm. Im Querschnitt zeigt ein Erythrozyt einen hantelförmigen Umriss. Am Rand ist er 2,5 µm dick, in der Mitte nur 1 µm.

Erythrozyten elastisch verformbar

Da die Kapillardurchmesser nur 4 bis 8 µm betragen, müssen die Erythrozyten elastisch verformbar sein, um diese Gefäßstrecken durchströmen zu können. Dies wird durch das dichte, hüllenartige Netzwerk des Zytoskeletts ermöglicht, das sich unmittelbar unter der ungefähr 10 nm dicken Plasmamembran ausspannt. Im Gegensatz zu anderen Zellen ist beim Erythrozyten das Zytoskelett an vielen Stellen mit der Plasmamembran verknüpft. Es besteht aus heterodimeren Einheiten von a, b-Spektrin, die zu Tetrameren polymerisieren und dadurch ein widerstandfähiges Gerüst aufbauen. Die Tetramere werden ihrerseits durch Verbindungskomplexe aus Aktin, Tropomyosin, Tropomodulin und Adducin verknüpft. Das gesamte Spektringerüst ist wiederum über Zwischenglieder mit integralen Membranproteinen verknüpft.

Auf diese Weise wird das Zytoskelett des Erythrozyten fest, aber flexibel mit der Plasmamembran verbunden, was weitgehende reversible Formänderungen ermöglicht.

Anomalien des Zytoskeletts führen zu abnorm geformten Erythrozyten. Bei der Sphärozytose, einer autosomal-dominant vererbten Erkrankung haben die Erythrozyten Kugelgestalt und werden verstärkt in der Milz zurückgehalten und abgebaut. Es kommt zu Anämie, Splenomegalie und Ikterus. Bei der Elliptozytose, die ebenfalls autosomal-dominant vererbt wird, sind die Erythrozyten wegen mangelnder Reversibilität der Verformung ellipsoid geformt.

Glykophorin und Bande-3-Protein sind die häufigsten Membranproteine des Erythrozyten, die - im Gegensatz zu anderen Zellen - nicht frei beweglich, sondern an vielen Punkten mit dem Zytoskelett verbunden sind. Sie bilden auch keine spezialisierten Areale in der Membran, sondern sind gleichmäßig über die Oberfläche verteilt.

Das häufigste Glykolipid ist das Globosid; ebenfalls zu den Glykolipiden gehören die Antigene des AB0-Blutgruppensystems.

Bringt man Erythrozyten in eine hypoosmolare Lösung, schwellen sie durch den Wassereinstrom stark an; die Plasmamembran reißt auf, und Hämoglobin sowie weitere Proteine des Zytoplasmas treten aus (Hämolyse). Zurück bleibt eine farblose Hülle, die Schatten oder "Ghost" genannt wird. Umgekehrt führt eine hyperosmolare Lösung zur Schrumpfung des Erythrozyten; die Plasmamembran faltet sich, und die „Stechapfelform“ entsteht.

Viele Hämoglobin-Variationen

Erythrozyten sind azidophil, weil sich ihr Hauptprotein, das basische Hämoglobin, mit sauren Farbstoffen gut anfärben lässt. Dieses setzt sich aus einem Proteinanteil ("-globin") und einem Farbstoffanteil ("Häm") zusammen. Es liegt als Tetramer vor aus vier Untereinheiten mit einem Molekulargewicht von je 16.100.

Jede Untereinheit kann über ihren Farbstoffanteil Häm ein Molekül Sauerstoff binden. Der Häm-Anteil besteht aus einem Protoporphyrin-Grundgerüst mit Fe2+ als Zentralatom. Der Proteinanteil des Hämoglobins existiert in Form vier verschiedener Proteinketten, nämlich als a-, b-, g- oder d-Kette. In jedem Hämoglobinmolekül sind immer zwei a-Proteinketten mit zwei der anderen kombiniert, sodass viele Hämoglobinmoleküle existieren.

Weitaus am häufigsten ist das aus je zwei a- und b-Ketten (a2, b2) aufgebaute HbA1. Ungefähr zwei Prozent des adulten (A) Hämoglobins bestehen aus zwei a- und zwei d-Ketten (a2, d2; HbA2). Nur ein Prozent ist noch fetales Hämoglobin (HbF), das beim Neugeborenen ungefähr 80 Prozent ausmacht. Bei HbF sind beide b-Ketten durch g-Ketten ausgetauscht; es resultiert eine höhere Sauerstoffkapazität bei niedrigeren Sauerstoffpartialdrücken. HbF wird in den ersten acht Lebensmonaten durch HbA ersetzt.

Ererbte und erworbene Anomalien

Erkrankungen mit verändertem Hämoglobin können erblich bedingt oder erworben sein. Zu den erblich bedingten Erkrankungen gehören die Störungen der Globinkettensynthese und Hämoglobin-Anomalien.

Störungen der Globinkettensynthese sind im Mittelmeerraum sowie im Nahen und Fernen Osten sehr häufig. Am häufigsten ist die b-Kettensynthese betroffen (b-Thalassämie), seltener die a-Kettensynthese (a-Thalassämie).

Bei der a-Thalassämie werden durch Ausfall der a-Kettensynthese verstärkt Tetramere aus b- und g-Ketten gebildet. Deren Sauerstoffaffinität ist wesentlich geringer, in den Erythroblasten kommt es auch zur Präzipitation des Hämoglobins. Demgegenüber können bei der b-Thalassämie die übermäßig produzierten a-Ketten keine Tetramere bilden, sondern lagern sich an die Membran an und schädigen diese. Kompensatorisch werden verstärkt d- und g-Ketten gebildet, sodass HbF und HbA2 entstehen.

Beide Formen gehen einher mit Hämolyse, Ikterus, Hepatosplenomegalie, Wachstumsstörungen, Eisenablagerungen in inneren Organen und erweiterten Knochenmarkräumen. Eine kausale Behandlung ist nicht möglich. Die Therapie besteht in Bluttransfusionen und Ausschleusung der erhöhten Eisenmengen durch Desferoxamin.

Bei Hämoglobin-Anomalien ist die Funktion durch Austausch einer Aminosäure in der Peptidkette gestört. Hämoglobinopathien sind ebenfalls bei Menschen aus dem Mittelmeerraum, Afrika und Asien sehr viel häufiger als bei uns. Die häufigste Form ist die autosomal dominant vererbte Sichelzellanämie, bei der in Stellung 6 der b-Kette die Aminosäure Glutamin durch Valin ersetzt ist. Hierdurch nimmt das Hämoglobin eine gelartige, gerichtete Struktur an und präzipitiert im desoxygenierten Zustand, sodass die Erythrozyten sichelartig verformt sind. Auf Grund ihrer Rigidität verlegen sie Kapillargefäße und lösen damit Infarkte und Ernährungsstörungen in vielen Organen wie Haut, Leber, Milz, Knochen, Nieren, ZNS sowie der Netzhaut des Auges aus. Der erhöhte Abbau durch Makrophagen führt zur hämolytischen Anämie.

Hämoglobin kann Sauerstoff reversibel binden. Nach Bindung des ersten Sauerstoffmoleküls nimmt die Affinität zu Sauerstoff fast 500-fach zu (positive Kooperativität). Dabei ändert sich die Oxidationsstufe des Eisenatoms nicht. Hämoglobin wird also nicht oxidiert, sondern vielmehr oxygeniert und durch die Sauerstoffbindung in Oxyhämoglobin überführt. Erst bei einer Methämoglobinämie wird das Fe2+- zum Fe3+-Ion aufoxidiert. Dies kann durch oxidierende Substanzen wie Anilin, Nitroverbindungen oder Aminophenole geschehen, jedoch auch als erbliche Erkrankung nach Mutationen (HbM) vorliegen. Methämoglobin bindet keinen Sauerstoff mehr.

Ein Teil des im Zellstoffwechsel entstandenen Kohlendioxids wird ebenfalls durch Hämoglobin gebunden (Carbaminohämoglobin) und in der Lunge wieder abgegeben.

Der mittlere Hämoglobingehalt beträgt beim Mann 155 g/l und bei der Frau 140 g/l, während beim Neugeborenen ungefähr 200 g/l gefunden werden. Von einer Anämie wird bei Unterschreiten des Normbereichs gesprochen: Als Grenzwerte gelten beim Mann 130 g/l, bei der Frau 120 g/l.

Begrenzte Lebenszeit der Erythrozyten

Die Lebensdauer von Erythrozyten beträgt nur etwa 120 Tage. Danach werden sie in Milz, Knochenmark oder Leber durch Phagozyten abgebaut. Hierbei entsteht aus dem Protoporphyringerüst des Hämanteils Biliverdin, das zu Bilirubin reduziert und zur Leber transportiert wird. Durch Glukuronidierung wird Bilirubin in eine wasserlösliche und damit ausscheidungsfähige Form gebracht und schließlich als Urobilinogen und Stercobilin ausgeschieden.

Die Lebenszeit der Erythrozyten ist begrenzt durch das Fehlen einer eigenen Proteinsynthese, da Zellkern und endoplasmatisches Retikulum fehlen. Die Energiegewinnung erfolgt nur durch Glykolyse, die Gewinnung von reduziertem Glutathion als Oxidationsschutz über den Pentosephosphatzyklus.

Der Anteil unreifer Vorstufen, der Retikulozyten, entspricht mit 0,5 bis 2 Prozent ungefähr der Abbaurate der verbrauchten Erythrozyten. Retikulozyten weisen noch Reste von Ribosomen auf, die sich als netzartige Strukturen anfärben lassen (Substantia granulofilamentosa).

Technische Inspektion in der Milz

Während ihres Lebens legen Erythrozyten ungefähr eine Wegstrecke von 300 km im Gefäßsystem zurück. Dies ist nur bei unveränderter Verformbarkeit möglich. Alte oder beschädigte Erythrozyten müssen daher wirkungsvoll aussortiert werden; ungefähr 80 Prozent werden im Knochenmark, der Rest in Milz und Leber abgetrennt. Die im Pfortaderkreislauf liegende Milz wird auf zwei Wegen von Blut durchströmt:

  • zu 98 bis 99 Prozent über den geschlossenen Kreislauf;
  • zu 1 bis 2 Prozent über den offenen Kreislauf.

Beim geschlossenen Kreislauf strömt das Blut direkt aus den Arterien und Arteriolen der Milz in die weitlumigen Sinusoide, um dann über die Milzvenen das Organ zu verlassen und in die Pfortader der Leber zu strömen. Dagegen fließt beim offenen Kreislauf das arterielle Blut aus den Arteriolen zuerst in das dichte Maschenwerk der roten Milzpulpa und gelangt von dort durch enge Spalten der Sinusendothelien wieder in den geschlossenen Kreislauf zurück.

Dies ist für die Erythrozyten eine Art "technischer Inspektion", denn die Spalten messen nur 0,2 bis 0,5 µm im Durchmesser, sodass die viel größeren Erythrozyten nur unter erheblichen Verformungen passieren können. Bei mangelnder Verformbarkeit bleiben die Zellen im Maschenwerk der roten Pulpa zurück, werden von Phagozyten aufgenommen und abgebaut. Ihre Bestandteile werden den Synthesepools wieder zugeführt.

Beim Durchtritt durch die Endothelspalten werden Zellkernreste (Howell-Jolly Körperchen), Parasiten oder denaturiertes Hämoglobin (Heinz-Körperchen) aus den Erythrozyten entfernt.

Bei hämolytischen Anämien ist die Lebensdauer der Erythrozyten verkürzt. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die erforderliche erhöhte Abbauleistung der Milz zu einer Milzvergrößerung führt (Splenomegalie).

Einteilung der Leukozyten

Ebenso wie die Erythrozyten entstehen auch die Leukozyten aus gemeinsamen Kolonie-bildenden hämatopoetischen Stammzellen im Knochenmark unter dem Einfluss von Zytokinen wie den Interleukinen oder den Kolonie-stimulierenden Faktoren (CSF). Alle Differenzierungsprozesse laufen im Knochenmark ab. Nach den histologisch-morphologischen Merkmalen teilt man Leukozyten in zwei Gruppen ein (Tabelle 1).

  • Leukozyten mit spezifischen Granula und vielgestaltigen Zellkernen werden auch Granulozyten oder polymorphkernige Leukozyten genannt. Je nach Färbeverhalten der spezifischen Granula werden die Granulozyten unterteilt in neutrophile (neutrales Färbeverhalten), eosinophile (mit Eosin) oder basophile (mit basischen Farbstoffen anfärbbare Granulozyten).
  • Leukozyten ohne spezifische Granula und mit einheitlich runden Zellkernen werden als mononukleäre Leukozyten bezeichnet. Sie umfassen Monozyten und Lymphozyten.

Außerdem findet man in Leukozyten auch Granula, die als unspezifische oder wegen ihrer Affinität zu Azurfarbstoffen als azurophile Granula bezeichnet werden.

 

Tabelle 1: Mengenverteilungen der Leukozyten beim gesunden Erwachsenen

Zelltyp Mengenanteil (%) Granulozyten
davon
Neutrophile
Eosinophile
Basophile 64 (gesamt)
 
60
3,5
0,5 Lymphozyten 30 Monozyten 6

 

Die auf den ersten Blick verwirrende Vielzahl lässt sich im Überblick in zwei Hauptentwicklungslinien ordnen: die Lymphozyten, die sich sehr früh unter Einfluss von Interleukin (IL)-1, IL-3 und IL-6 von den pluripotenten Stammzellen abspalten, sowie die Reihe der Granulozyten und Monozyten. Die Reihe der Granulozyten ist wiederum mehrgestaltig und umfasst:

  • die Reihe der eosinophilen und basophilen Granulozyten, die aus den CFU-GEMM-(Colony forming unit Granulocytes, Erythrocytes, Makrophages, Monocytes)-Vorläuferzellen unter Einfluss von IL-1 und IL-3 entstehen;
  • neutrophile Granulozyten, die sich aus den CFU-GEMM durch Einwirkung von IL-3 und GM-CSF (Granulocyte Monocyte Colony-Stimulating Factor) bilden;
  • Monozyten, die sich aus den Monozyten-Vorläuferzellen durch die Wirkung von M-CSF (Monocyte Colony Stimulating Factor), GM-CSF sowie IL-3 bilden.

Von den reifen Zellen befinden sich nur Erythrozyten und Thrombozyten ausschließlich im Blut. Die Zahl der Leukozyten im zirkulierenden Blut ist gering, weil Leukozyten den Blutstrom lediglich als Transportvehikel benutzen und rasch in das umliegende Gewebe auswandern. Normalerweise beträgt bei Gesunden die Leukozytenzahl nur 4000 bis 11.000 pro µl Blut.

Leukozyten sind essenziell für die körpereigene Abwehr. Sie beteiligen sich sowohl an der humoralen als auch an der zellulären Abwehr. Sie sind eigenbeweglich und können Fremdstoffe aufnehmen (Phagozytose).

Entwicklung der Granulozyten

Während neutrophile und eosinophile Granulozyten weitgehend ähnliche Entwicklungsschritte durchlaufen, sind Herkunft und Zwischenstufen des basophilen Granulozyten weniger eindeutig definiert. Übereinstimmendes Merkmal ist die abnehmende Basophilie mit zunehmender Differenzierung infolge einer verringerten Proteinbiosynthese.

Alle Entwicklungsschritte werden von Wachstumsfaktoren und Zytokinen kontrolliert, deren Wirkung erst durch ihr Zusammenspiel eintritt. Für die frühe Entwicklung sind Kombinationen aus IL-6, IL-11, IL-12 und G-CSF sowie IL-3, IL-4 oder GM-CSF synergistisch wirksam. Bei der linienspezifischen späten Entwicklung regen G-CSF, IL-5 und IL-3 die Differenzierung der neutrophilen, eosinophilen und der basophilen Granulozyten an.

Als erste unterscheidbare Entwicklungsstufe tritt der Myeloblast, gefolgt vom Promyelozyt, auf. Promyelozyten weisen erstmals azurophile Granula auf. Unter weiteren Zellteilungen entstehen dann Myelozyten, die nun die spezifischen Granula synthetisieren. Durch die fortlaufenden Zellteilungen vermehren sich die spezifischen Granula rasch und dominieren die azurophilen Granula, deren Synthese auf die Promyelozyten begrenzt bleibt. Myelozyten differenzieren sich dann zu den Metamyelozyten, die bereits nicht mehr teilungsfähig sind (postmitotische Zellen). Mit dem Verlust der Teilungsfähigkeit verkleinert sich auch der Zellkern.

Beim Metamyelozyten beginnt mit einer Abflachung und tiefen Einbuchtung die Gestaltänderung des Zellkerns. Übergangsformen mit nieren- oder stabförmig gebogenen Zellkernen ("stabförmiger" Granulozyt) folgen. Bei weiterer Segmentierung des Zellkerns wird schließlich das Stadium der reifen Granulozyten erreicht, die aktiv beweglich sind und in die Blutbahn übertreten.

Links- und Rechtsverschiebung

Die Häufigkeit der unterschiedlichen Kernformen der Granulozyten kann eine veränderte Granulozytenkinetik anzeigen. Da unreifere Formen in den Datenblättern bei der Erstellung des Blutbildes jeweils links und reifere rechts eingetragen wurden, spricht man von einer Links- oder Rechtsverschiebung.

Zum Verständnis ist die Kenntnis der Granulozytenkompartimente wichtig:

  • Im Knochenmark finden sich (alle Stadien zusammen) ungefähr 40-mal mehr Granulozyten als im Blut.
  • Der Reservepool von Metamyelozyten und reifen Granulozyten im Knochenmark beträgt ungefähr das Fünfzehnfache der Granulozyten im Blut.
  • Im Blut verteilen sich die neutrophilen Granulozyten auf einen zirkulierenden und einen marginalen Pool, der von den am Endothel der Blutgefäße adhärierten Granulozyten gebildet wird.

Die Reifungszeit vom Myelozyten bis zum Granulozyten beträgt 8 bis 10 Tage. Reife Granulozyten verweilen zusätzlich ungefähr vier Tage im Knochenmark als Reservepool, der bei Infektionen sofort mobilisiert werden kann. Nur etwa 10 Stunden halten sie sich in den Blutgefäßen auf und wandern dann in die Gewebe aus. Dort überleben sie ungefähr 1 bis 4 Tage.

Ohne ausreichende permanente Neuproduktion von neutrophilen Granulozyten besteht kein Infektionsschutz, weil deren Zahl abnimmt (Neutropenie). Bei einer Neutrophilenzahl unter 1000/µl steigt die Infektionsanfälligkeit stark an. Bei weniger als 500 Neutrophilen/µl kann auch die körpereigene Bakterienflora nicht mehr kontrolliert werden. Eine häufige iatrogene Ursache solcher Neutropenien sind:

  • Zytostatika, die durch ihre knochenmarksschädigende Wirkung die Bildung von Granulozyten stark verringern, sodass Infektionen oder (neutropenisches) Fieber auftreten können;
  • Immunhaptene, Penicilline oder Cephalosporine, die an die Oberfläche der Granulozyten binden und diese zu Fremdeiweiß verändern, das in der Peripherie angegriffen und vernichtet wird.

Bei normaler Funktion des Knochenmarks steigt bei Infektionen die Neutrophilenzahl rasch auf 10.000 bis 25.000 pro µl Blut (Neutrophilie, Leukozytose) an. Nach Entleerung des Reservepools werden verstärkt unreife Vorstufen wie Metamyelozyten in das Blut freigesetzt. Es kommt zur Linksverschiebung. Umgekehrt tritt bei einer perniziösen Anämie eine Rechtsverschiebung auf mit sehr typischer Häufung von hypersegmentierten Granulozyten (mit sechs oder mehr Kernsegmenten).

Granulozyten wandern ins Gewebe

Zur Einwanderung ins Gewebe - ein Schlüsselmerkmal der Entzündung - müssen neutrophile Granulozyten die Blutbahn verlassen können. Dabei treten sie zwischen Endothelzellen der postkapillären Venolen hindurch; man spricht von Diapedese. Für diesen Vorgang sind Adhäsionsmoleküle an der Oberfläche der Granulozyten und der Endothelzellen wichtig. Zwei Vorgänge müssen unterschieden werden:

  • Das "Rollen" der Granulozyten entlang der Gefäßwand wird durch schwache Adhäsionskräfte vermittelt. Die Bindungspartner auf der Granulozytenoberfläche sind L-Selektin und GlyCAM 1 (Glycosylated Cell Adhesion Molecule 1), auf den Endothelzellen dagegen Cluster of Differentiation (CD) 34. Glykoproteine auf Granulozyten wie Sialyl-LewisX werden auf Endothelzelloberflächen von E-und P-Selektinen erkannt.
  • Die Anheftung an das Endothel wird erst nach Einwirkung von Gewebshormonen aus dem verletzten Gewebebezirk vermittelt. Entzündungsmediatoren wie Leukotrien B4, IL-8 oder Bakterienbestandteile steigern die Adhäsion über Integrine wie LFA-1 (Leucocyte Function Associated Antigen 1), Komplementrezeptor MAC-1 (Membrane Attack Complex-1) und CD11c (auch p150, 95 genannt). Diese binden an ICAM (Intercellular Cell Adhesion Molecule) auf der Endotheloberfläche. Während der Aktivierungsphase wird innerhalb von Sekunden die Zahl der endothelialen Adhäsionsrezeptoren erhöht und eine stabile Adhäsion bewirkt.

Die Richtung der Auswanderung wird gesteuert über die anziehende Wirkung der Chemotaxine im geschädigten Gewebe. Hierzu zählen Produkte des Lipidstoffwechsels wie Leukotriene oder Platelet Activating Factor (PAF), Abbauprodukte von Fibrin und RNA, N-Formylpeptide aus Bakterien und Zellbestandteilen sowie Komplementfaktor C5a. Um tiefere Gewebeschichten zu erreichen, müssen die Granulozyten eine zellfreie Schicht unterhalb der Endothelzellen durchdringen, die Basalmembran. Hierzu verfügen sie über Enzymsysteme wie Kollagenasen und Elastasen, die diese Membran auflösen. Dabei wird auch in tieferen Gewebeschichten Bindegewebe aufgelöst, sodass Abszesshöhlen entstehen können.

Die Masse der bei der Abwehrreaktion untergehenden Granulozyten bildet den Eiter, der wegen der freigesetzten Myeloperoxidase (Verdoperoxidase) eine leichte Grünfärbung aufweisen kann. Der alte klinische Merksatz "Eiter ruht nicht" findet damit seine zellbiologische Begründung.

Bei der Phagozytose steigt der Sauerstoffverbrauch durch Aktivierung der NADPH-Oxidase steil an. Es entstehen große Mengen des Superoxidanions, das zytotoxisch wirkt. In beträchtlichem Maß wird auch das sehr reaktive, zytotoxische Stickoxid (NO) gebildet, das durch Nitrosylierung und Peroxidbildung phagozytiertes Material degradiert.

Neutrophile Granulozyten

Sie stellen den größten Mengenanteil der Leukozyten und sind Hauptträger der unspezifischen zellulären Abwehr gegen eingedrungene Bakterien. Sie spielen wahrscheinlich auch eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Viren. Neutrophile Granulozyten verfügen zur Phagozytose über zwei endosomal-lysosomale Systeme: die unspezifischen azurophilen und die spezifischen Granula.

In den azurophilen Granula finden sich vor allem Hydrolasen, saure Phosphatase, Elastase, Myeloperoxidase, kationische Proteine und Defensine, die als cysteinreiche Proteine ein breites Abwehrspektrum gegen Bakterien, Pilze und einige Viren aufweisen. Bakterizide, permeabilitätserhöhende Proteine perforieren die Zellwand und sind besonders wichtig für die Abwehr gramnegativer Bakterien.

Die spezifischen Granula enthalten Kollagenasen, alkalische Phosphatasen und Aminopeptidasen sowie spezifische Bestandteile wie Laktoferrin, Vitamin-B12-Bindungsproteine und Membrananteile der NADPH-Oxidase.

Kennzeichnend für neutrophile Granulozyten ist die Steigerung des oxidativen Stoffwechsels durch die Aktivierung der NADPH-Oxidase. Die von diesem Flavoprotein erzeugten reaktiven Sauerstoffradikale wie Superoxidanion werden an die Endosomen der Granulozyten abgegeben und töten dort die phagozytierten Zellen.

Eosinophile Granulozyten

Eosinophile weisen einige Besonderheiten gegenüber den neutrophilen Granulozyten auf:

  • Sie haben eine längere Lebensdauer und können aus dem Gewebe wieder zurück in die Blutbahn.
  • Bei Infektionen scheinen sie keine bedeutende Rolle zu spielen, stehen jedoch bei der Abwehr von Parasiten im Mittelpunkt und lagern sich besonders dann an Parasiten an, wenn deren Oberfläche bereits mit Antikörpern besetzt ist.
  • Bei Überempfindlichkeitsreaktionen, beispielsweise Asthma und allergischen Reaktionen, sind sie für die begleitende Entzündung mit verantwortlich; dies gilt auch für Arzneimittelallergien nach b-Laktamantibiotika, Sulfonamiden oder Acetylsalicylsäure.

Die eosinophilen Granula werden von einem argininreichen Protein mit Histaminaseaktivität umhüllt, das für die Parasitenabwehr vermutlich eine wichtige Rolle spielt und als Major Basic Protein (MBP) bezeichnet wird. Sie enthalten ebenfalls eine Peroxidase, die durch die Produktion zytotoxischer Radikale an der Abtötung von Parasiten beteiligt ist, und auch kationische Proteine wie das Eosinophil Derived Neurotoxin (EDN) oder das Eosinophil Cationic Protein, das durch die Bindung an Heparin dessen Wirkung aufheben kann.

Primer wie IL-5, IL-3 oder GM-CSF aktivieren eosinophile Granulozyten und sichern deren längeres Überleben im Gewebe durch einen antiapoptotischen Effekt. Durch Aktivierung der eosinophilen Granulozyten werden Zytokine wie IL-4 oder RANTES (Akronym für: Regulated upon Activation, Normal T-cell Expressed and presumably Secreted), Prostaglandine und Leukotrien C4 produziert und granulär gespeichert. Der Granulainhalt wird in Transportvesikeln zur Zelloberfläche transportiert und dort über ungefähr eine Stunde langsam freigesetzt.

Wichtige Chemoattraktantien und Stimuli für die Freisetzung sind die spezifischen Chemokine Eotaxin I bis III, RANTES, Monocytic Chemoattractant Protein (MCP)-3 und MCP-4, die über Chemokin-3-Rezeptoren wirken (CCR3-Rezeptoren). Diese Chemokine sind nicht nur zur Freisetzung der Vesikelinhalte befähigt, sondern auch sehr wirkungsvolle chemoattraktive Verbindungen.

Eosinophile Granulozyten enthalten in ihren Granula auch entzündungshemmende Enzyme wie Arylsulfatasen, Phospholipase D und Histaminase. Sie könnten eine Entzündungsreaktion abschwächen oder beenden.

Basophile Granulozyten

Über die Entwicklung basophiler Granulozyten ist nur wenig bekannt. So ist unklar, ob sie zusammen mit den anderen Granulozyten aus gemeinsamen oder aus eigenen Vorläuferzellen stammen. Sie weisen einige Gemeinsamkeiten mit Mastzellen auf, die aber aus eigenen Vorläuferzellen entstehen und sich nur im Gewebe, nicht jedoch in der Blutbahn aufhalten. Wichtige gemeinsame Merkmale sind:

  • Granula in großer Zahl binden basische Farbstoffe in so hoher Konzentration, dass eine Änderung der Farbe auftritt (metachromatisches Färbeverhalten).
  • An der Zelloberfläche befinden sich Rezeptoren (FCeRI, CD23), die mit IgE-Antikörpern reagieren, sodass beide Zelltypen Überempfindlichkeitsreaktionen vom Sofort-Typ auslösen können.
  • Durch multivalente Antigene werden IgE-Antikörper an der Zelloberfläche vernetzt und lösen die Exozytose der Granula aus.
  • Beide Zelltypen besitzen zahlreiche Adhäsionsmoleküle wie Mac1, LFA-1 und CD44, die den gezielten Austritt aus dem Gefäßsystem in entzündetes Gewebe ermöglichen.

Mediatoren der basophilen Granulozyten und der Mastzellen können in zwei Gruppen unterteilt werden: die in Granula gespeicherten und die nicht speicherfähigen Mediatoren. Zu den gespeicherten zählen Histamin, Chondroitinsulfat A, Eosinophiler Chemotaktischer Anaphylaxie-Faktor und die Serinprotease Tryptase. Zu den nicht speicherfähigen Mediatoren zählen die Metaboliten des Lipoxigenase- und Cyclooxigenase-Wegs, die Leukotriene C4, B4 und PGD2, ferner Zytokine wie Tumor Nekrose Faktor-a sowie die Interleukine 4-6, 9 und 13.

Basophile Granulozyten wurden auch mit allergischen Reaktionen vom verzögerten Typ in Verbindung gebracht. Vermutlich verstärken sie über eine Erhöhung der Gefäßpermeabilität die Gewebeanreicherung von Antikörpern und Komplementfaktoren. Sie tragen neben den FCeRI auch Rezeptoren für die aktivierten Komplementfaktoren C3a und C5a.

Monozyten als „Müllabfuhr“

Monozyten sind mononukleäre Zellen, deren euchromatischer Zellkern auf eine rege Biosyntheseaktivität hinweist und eine meist ovale bis nierenförmige Gestalt besitzt. Monozyten sind mit 12 bis 20 µm Durchmesser große Zellen. Ihr Zytoplasma ist wegen des nur mäßig entwickelten rauen endoplasmatischen Retikulums schwach basophil und mit zarten azurophilen Granula durchsetzt. Der Golgi-Apparat ist gut ausgebildet. Die Zelloberfläche ist unregelmäßig mit Mikrovilli und Filopodien ausgestaltet. Häufig sind Endozytosevesikel anzutreffen.

Monozyten entstehen im Knochenmark aus Vorläuferzellen der GM-CFU, halten sich aber nur wenige Stunden bis Tage im Blut auf und wandern dann ins Gewebe aus. Dort wandeln sie sich gewebespezifisch zu Makrophagen um und werden entsprechend ihrer Ortszugehörigkeit benannt (Tabelle 2).

 

Tabelle 2: Bezeichnung für Monozyten/Makrophagen je nach Aufenthaltsort im Gewebe

Gewebe Bezeichnung der Monozyten Knochen Osteoklasten Bindegewebe interstitielle Makrophagen Leber Kupffersche Sternzellen Lunge Alveolarmakrophagen Abdominalhöhle Peritonealmakrophagen Gehirn Mikroglia

 

Monozyten leisten die Hauptaufräumarbeit bei der Immunabwehr. Dabei sind sie als akzessorische Zellen und als Effektorzellen tätig. Als akzessorische Zellen präsentieren sie an der Oberfläche Antigene, die von T-Lymphozyten erkannt werden, und synthetisieren Proteine, die T-Lymphozyten aktivieren. Als Effektorzellen werden sie selbst von Zytokinen aus antigenstimulierten T-Lymphozyten aktiviert und können somit viel effektiver phagozytieren. Zudem sind sie mit der humoralen Immunantwort dadurch verknüpft, dass ihre Phagozytosefähigkeit umso besser läuft, wenn die „aufzuräumenden“ Partikel bereits mit Komplementfaktoren oder Antikörpern besetzt sind.

Eng verwandt mit Monozyten sind die interdigitierenden dendritischen Zellen (oft nur dendritische Zellen genannt). Sie kommen interstitiell in T-Zell-Regionen von Lymphknoten und Milz vor und werden in der Epidermis der Haut und der Hornhaut des Auges als Langerhans-Zellen bezeichnet. Sie können Antigene sehr effektiv den T-Helfer-Zellen, einer wichtigen Untergruppe der T-Lymphozyten, präsentieren.

Hiervon unterscheidet man die follikulär dendritischen Zellen, die in Lymphknoten, Milz und dem Mukosa-assoziierten Lymphgewebe (MALT) in B-Zell-Regionen vorkommen (daher "follikulär"). Diese Zellen gehen nicht auf Knochenmarksvorläuferzellen zurück und sind nicht zur Phagozytose befähigt, sondern präsentieren stattdessen auf ihrer Zelloberfläche Antigen-Antikörper-Komplexe oder Komplementprodukte.

B-Lymphozyten binden über ihr Very Late Activation (VLA)-4 Integrin an das Vascular Cell Adhesion Molecule (VCAM)-1, das konstitutiv auf der Oberfläche der follikulär dendritischen Zellen exprimiert wird. Dadurch kommt es zur Affinitätsreifung der B-Lymphozyten, also zur Selektion jener B-Lymphozyten, die das Antigen mit der höchsten Affinität erkennen. Diese entwickeln sich dann zu Antikörper produzierenden Plasmazellen, die als Hochleistungsproduzenten 1000 bis 10.000 Antikörper pro Sekunde sezernieren können.

B- und T-Lymphozyten

Lymphozyten umfassen keine einheitliche Zellpopulation, sondern unterscheiden sich in Herkunft, Lokalisation im Lymphsystem, Lebensdauer, Oberflächenmarker und Funktion.

Lymphozyten sind nicht zur Phagozytose befähigt. Sie sind die einzigen Zellen, die spezifisch antigene Determinanten erkennen können. Auch sie leiten sich von Stammzellen im Knochenmark ab. Sie können nur mit immunzytochemischen Verfahren dargestellt und unterschieden werden.

Die Funktion der Lymphozyten ist mit ihren Membranproteinen gekoppelt (CD-Nomenklatur, Cluster of Differentiation). Diese Oberflächenmarker sind die Grundlage der in der Pathologie äußerst wichtigen Klassifizierung von Lymphozyten (Kiel-Klassifizierung, R.E.A.L.-Klassifizierung: Revised European-American Classification of Lymphoid Neoplasms).

Lymphozyten werden nach dem Ort ihrer Prägung in B- und T-Lymphozyten unterteilt. B-Lymphozyten haben ihren Namen erhalten, weil ihre Prägung in Vögeln in einem Anhangsgebilde der Kloake, der Bursa fabricii, abläuft. Der Mensch hat kein Bursa-Äquivalent; hier erfolgt die Prägung im Knochenmark (B steht für "Bone marrow"). T-Lymphozyten werden dagegen im Thymus geprägt.

Von ihren Prägungsorten aus wandern die reifen Lymphozyten in die lymphatischen Organe wie Milz, Lymphknoten oder Tonsillen. Ihre Entwicklung durchläuft die Stadien des Lymphoblasten und Prolymphozyten. Reife Lymphozyten haben einen großen Zellkern mit dichtem Heterochromatin, der von einem dünnen, leicht basophilen Zytoplasma-Saum umgeben ist. Das Zytoplasma kann azurophile Granula enthalten, weist aber nur wenige andere Zellorganellen auf. Die Größe schwankt von 6 bis 8 µm (kleine Lymphozyten) bis hin zu 11 µm (große Lymphozyten).

Kurzlebige Thrombozyten

Thrombozyten entstehen durch zytoplasmatische Abschnürung aus den Megakaryozyten. Sie haben keinen Zellkern und sind nicht zur Proteinbiosynthese oder Teilung in der Lage, jedoch mit den Enzymsystemen der Glykolyse und der Atmungskette ausgestattet. Ihre Bildung wird von einem 35 bis 70 kD schweren Glykoprotein kontrolliert. Dieses Thrombopoetin wird in Leber und Niere gebildet und hat strukturelle Ähnlichkeiten mit Erythropoetin. Thrombozyten binden Thrombopoetin, bauen es ab und regulieren hierdurch ihre Bildung.

Die Thrombozytenzahl beträgt normalerweise 150.000 bis 350.000/µl. Unter 150.000/µl spricht man von einer Thrombozytopenie, unter 20.000/ µl treten spontane Blutungen auf. Thrombozyten sind die kurzlebigsten geformten Blutbestandteile. Ihre Lebensdauer beträgt nur 8 bis 10 Tage, die Halbwertszeit 4 Tage.

Thrombozyten sind die kleinsten Blutzellen. Ihre ellipsoide Form weist zwei Achsen von ungefähr 3 µm und 1,5 µm Länge auf. Die Ultrastruktur lässt zwei Regionen im Innern erkennen:

  • die innere, organellenreiche Zone, das Granulomer;
  • die äußere Aktinfilament- und Mikrotubuli-reiche Zone, das Hyalomer.

Die scheibenförmige Gestalt wird durch mehrere Mikrotubulusbänder im Hyalomer aufrechterhalten. Einstülpungen der äußeren Membran ziehen in das Innere des Thrombozyten und bilden ein nach außen offenes Kanalsystem. Hierdurch vergrößert sich die Oberfläche enorm und gibt dem Thrombozyten eine schwammähnliche Struktur; sie steigt von 20 µm2 bei reiner Scheibengestalt auf 150 µm2 bei Schwammstruktur. Durch die Oberflächenvergrößerung können rascher Ca2+-Ionen aufgenommen und der Inhalt der Granula freigesetzt werden.

Alle Membranoberflächen sind dicht mit Glykoproteinen (Glykocalix) besetzt, die für die Funktion und Aktivierung der Thrombozyten entscheidend sind. So binden der Glykoprotein (GP) Ib-IX-V- Komplex den von-Willebrandt-Faktor oder GP Ia/IIa das Kollagen.

Elektronenmikroskopisch kann man im Granulomer zwei Vesikeltypen unterscheiden:

  • Die elektronendichten d-Granula enthalten niedermolekulare Verbindungen wie Adeninnukleotide, Ca2+, Mg2+ sowie Serotonin und entsprechen in ihrer Funktion als Calciumspeicher vermutlich dem sarkoplasmatischem Retikulum glatter Muskeln.
  • Die elektronenlichten a-Granula enthalten Proteine, die entweder Thrombozyten-spezifisch sind wie b-Thromboglobulin, oder auch im Plasma vorkommen wie Thrombospondin, Fibronektin und die Gerinnungsfaktoren Va, VIII, Fibrinogen. Daneben treten kationische Proteine auf, zu denen der Platelet-Derived Growth Factor (PDGF) gehört.

Zudem ist das Granulomer mit Lysosomen (l-Granula) ausgestattet, die saure Hydrolasen wie a-Glukuronidase, b-Galaktosidase, a-Arabinosidase enthalten; diese können komplexe Kohlenhydratstrukturen bei saurem pH-Wert abbauen. Ferner liegen ein elektronendichtes Tubulussystem, Mitochondrien mit reduzierter Cristae-Struktur und Glykogengranula vor.

Aggregation nach Aktivierung

Die Thrombozytenaggregration tritt nur bei vorheriger Aktivierung ein. Im Blutstrom ist dies normalerweise nicht der Fall, da verschiedene Mechanismen eine Aktivierung wirkungsvoll verhindern. Die Bildung eines Thrombozytenpfropfes nach Verletzung eines Blutgefäßes (weißer Abscheidungsthrombus) umfasst mehrere Teilschritte: Adhäsion, Aggregation, Proteinsekretion aus den aktivierten Thrombozyten und Einleitung der Gerinnungskaskade an der Thrombozytenoberfläche.

Die Adhäsion der Thrombozyten beginnt erst mit der Schädigung des Endothels der Blutgefäße, wenn die Thrombozyten Kontakt mit dem subendothelialen Bindegewebe erhalten. Sie heften sich über ihren GP-Rezeptor Ib-IX-V an ein Adhäsionsprotein des Bindegewebes, den Kollagen bindenden von-Willebrandt-Faktor, außerdem über GPIa-IIa direkt an kollagene Fasern des Bindegewebes. Die Adhäsion bewirkt innerhalb von Sekunden eine dramatische Gestaltänderung der Thrombozyten in Gegenwart von Mg2+-Ionen. Aus einer Scheibe wird eine Stachelform.

Danach wird die Phase der Aggregation eingeleitet, die auf der Erhöhung des Calciumspiegels und der Bindung aktivierter GP-IIb-IIIa-Rezeptoren beruht. GP-IIb-IIIa-Rezeptoren werden vor allem durch ADP und Thrombin, aber auch PAF (Platelet Activating Factor) oder Thromboxan unter Konformationsänderung aktiviert und binden das bivalente Fibrinogen, sodass es zur Brückenbildung zwischen den Thrombozyten kommt. Die Anheftung der GP-IIb-IIIa-Rezeptoren an das Zytoskelett der Thrombozyten bewirkt ihre Retraktion (outside-in signaling).

Aktivierte Thrombozyten setzen nun den Inhalt ihrer a- und d-Granula frei, deren Inhaltsstoffe eine zweite Welle der Aggregation bewirken, die bestehenden Quervernetzungen zwischen den Thrombozyten verstärken (Thrombospondin, Fibronektin) oder die Proliferation der glatten Gefäßmuskulatur anregen (PDGF).

Bei der Einleitung der Gerinnungskaskade werden auf der Thrombozytenoberfläche die Gerinnungsfaktoren Va/Xa angeordnet, die Prothrombin in Thrombin überführen. Damit setzt der Prozess der sekundären Gerinnung mit Bildung eines festen Fibringerinnsels ein, das durch Einschluss von Erythrozyten rot gefärbt ist (roter Abscheidungsthrombus).

Selten führen autosomal rezessiv vererbte Erkrankungen zum Verlust oder Defekt eines Glykoproteins, zum Beispiel beim Bernard-Soulier- Syndrom (fehlende Bindung des von-Willebrandt-Faktors) oder Glanzmann-Naegeli-Syndrom (fehlende Bildung der Fibrinogen-Brücken). In beiden Fällen kommt es zu schweren Störungen der Hämostase und gravierenden Schleimhautblutungen.

 

Einfluss auf die Thrombozytenfunktion Acetylsalicylsäure blockiert durch irreversible Hemmung der thrombozytären Cyclooxigenase die Synthese von Thromboxan, einem wichtigen Vermittler der Thrombozytenaggregation und -sekretion.

Thienopyridine wie Clopidogrel oder Ticlopidin hemmen die Thrombozytenaggregation irreversibel durch Blockade von P2YAC-Nukleotidrezeptoren, sodass die aggregationsfördernde ADP-induzierte Inhibition der Adenylatcyclase und die damit gekoppelte Aktivierung der Plättchen und des GP IIb/IIIa-Rezeptors verhindert werden.

Tirofiban, ein nicht-peptidischer Glykoprotein-IIb/IIIa-Antagonist, bindet reversibel an die Fibrinogen-Bindungsstelle in der b3-Integrinkette des GP IIb/IIIa und verhindert somit die Vernetzung der Blutplättchen durch Fibrinogen.

 

Anschrift des Verfassers
Privatdozent Dr. Thomas Beck
Institut für Anatomie
Universität Rostock
Gertrudenstraße 9
18057 Rostock
thomas.beck@medizin.uni-rostock.de

 

Der erste Teil dieses Beitrages behandelte die Blutbildung beim Embryo und nach der Geburt.Top

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