Phagozytose: Mechanismus und Schritte

Phagozytose ist die Aufnahme von extrazellulärem partikulärem Material wie eingedrungenen Krankheitserregern oder toten/absterbenden Zellen durch phagozytische Zellen und ist einer der wichtigsten angeborenen Abwehrmechanismen. Sie wird hauptsächlich von spezialisierten Zellen wie Makrophagen, Neutrophilen und dendritischen Zellen durchgeführt.

Die Phagozytose ist eine Art der Endozytose, andere sind die rezeptorvermittelte Endozytose und die Pinozytose.

Schritt 1: Aktivierung der phagozytischen Zellen und Chemotaxis

Im ersten Schritt der Phagozytose werden die Phagozyten von einer Vielzahl von Substanzen angezogen, die bei der Immunreaktion entstehen, und bewegen sich auf diese zu; dieser Vorgang wird Chemotaxis genannt.

Die Phagozyten werden durch Entzündungsmediatoren (bakterielle Produkte, Zytokine, Prostaglandine und Komplementproteine) aktiviert. Die Aktivierung erhöht ihre metabolische und mikrobizide Aktivität. Aktivierte Zellen exprimieren auch mehr Glykoproteinrezeptoren, die ihnen helfen, den Ort der Infektion zu erreichen und sich fest mit Mikroorganismen zu verbinden. Die Neutrophilen treten als erste auf und werden später von den Makrophagen abgelöst.

Schritt 2: Erkennung eindringender Mikroben

Der nächste Schritt der Phagozytose ist das Anhaften des Antigens an der Zellmembran der phagozytischen Zellen. Die Anhaftung führt dazu, dass sich Membranausstülpungen, so genannte Pseudopodien, um das anhaftende Material herum ausbreiten und es aufnehmen.

Phagozytische Zellen enthalten verschiedene Rezeptoren, die ihnen helfen, sich mit Bakterien/Viren zu verbinden. Einige dieser Rezeptoren sind:

• Mustererkennungsrezeptoren (PRR): Mustererkennungsrezeptoren erkennen pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs). Dazu gehören bakterielle Moleküle wie Peptidoglykan, Teichoinsäuren, Lipopolysaccharid, Mannane, Flagellin, Pilin und bakterielle DNA. Zum Beispiel binden und internalisieren Scavenger-Rezeptoren und Toll-like-Rezeptoren grampositive und gramnegative Bakterien nach der Bindung an PAMPs.

Opsonin ist ein Molekül, das sowohl an Antigen als auch an Makrophagen bindet und die Phagozytose fördert.

• Fc-Rezeptoren: Fc-Rezeptoren (FcR), die auf der Oberfläche von Makrophagen und Neutrophilen vorhanden sind, binden an den Fc-Teil von Antikörpern wie IgG und IgM, die mit Antigenen (Bakterienzellen oder Viren) komplexiert sind. Dieser als Opsonisierung bezeichnete Prozess verstärkt die Phagozytose.

• Komplementrezeptoren (CR1): Komplementrezeptoren auf den phagozytischen Zellen binden an Komplementproteine, die mit Antigen-Antikörper-Komplexen komplexiert sind. Makrophagen haben beispielsweise Rezeptoren für C3b und binden so Zellen oder Komplexe, an denen C3b haftet, was zur Phagozytose führt. Mannose-bindende Lektine (MBL) tragen ebenfalls zur Verbesserung der Phagozytose bei.

Schritt 3: Ingestion und Bildung von Phagosomen

Nach der Anheftung werden durch Polymerisation und anschließende Depolymerisation der Aktinfilamente Pseudopodien ausgesandt, um die Mikrobe zu verschlingen. Die Fusion der Pseudopodien schließt das Material in einem endozytischen Vesikel ein, das als Phagosom bezeichnet wird und dann in den endozytischen Verarbeitungsweg eintritt.

Schritt 4: Bildung des Phagolysoms

In diesem Weg bewegt sich ein Phagosom in Richtung Zellinneres, wo es mit einem Lysosom zu einem Phagolysosom fusioniert.

Schritt 5: Abtötung von Mikroorganismen und Bildung von Restkörpern

Lysosomen enthalten Lysozym und verschiedene antimikrobielle und zytotoxische Substanzen, die phagozytierte Mikroorganismen und Zellen zerstören können. Mikroorganismen werden entweder durch sauerstoffabhängige oder durch sauerstoffunabhängige Mechanismen abgetötet.

1. Sauerstoffabhängige Abtötung: Aktivierte Phagozyten produzieren eine Reihe von reaktiven Sauerstoffintermediaten (ROI) und reaktiven Stickstoffintermediaten, die eine starke antimikrobielle Aktivität aufweisen. In den phagozytischen Zellen findet ein Stoffwechselprozess statt, der als Respiratory Burst bekannt ist und membrangebundene Oxidase aktiviert, die Superoxidanionen, Hydroxylradikale und Wasserstoffperoxid bildet. Im Phagolysosom werden auch andere wirksame antimikrobielle Substanzen wie Hypochlorit, Stickstoffoxid usw. gebildet. Alle diese Substanzen zeigen eine ausgeprägte antimikrobielle Aktivität gegen Bakterien, Pilze, parasitäre Würmer und Protozoen.
2. Sauerstoffunabhängige Abtötung: Aktivierte phagozytische Zellen synthetisieren auch Lysozym und verschiedene hydrolytische Enzyme (z. B. Cathepsin G, Elastase, Kollagenase, Cathelicidine und bakterizides Permeabilitätsinduktionsprotein), deren Abbauaktivitäten keinen Sauerstoff erfordern. Darüber hinaus produzieren aktivierte Makrophagen eine Gruppe antimikrobieller und zytotoxischer Peptide, die gemeinhin als Defensine bezeichnet werden. Defensine können eine Vielzahl von Bakterien abtöten, darunter Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa und Haemophilus influenzae. Aktivierte Makrophagen sezernieren auch den Tumor-Nekrose-Faktor α (TNF-α), ein Zytokin, das eine Vielzahl von Wirkungen hat und für einige Tumorzellen zytotoxisch ist.

Schritt 6: Eliminierung oder Exozytose

Der verdaute Inhalt des Phagolysosoms wird dann in einem als Exozytose bezeichneten Prozess eliminiert.