Vitamin D und Diabets Typ 1

Können Vitamin-D3-Verbindungen
den Ausbruch von
Typ-1-Diabetes stoppen?
Die im menschlichen Organismus
aktive Form von Vitamin D3 beeinflusst verschiedene Mechanismen
des Immunsystems wie die Produktion von Botenstoffen oder die
Ausbildung bestimmter signalgebender oder -empfangender
Moleküle auf der Oberfläche von
Zellen, die für zelluläre Wechselwirkungen bedeutsam sind. Daher
wird die Substanz auch schon
erfolgreich zur Behandlung der
Schuppenflechte, einer Autoimmunerkrankung der Haut, eingesetzt.
Könnten Vitamin-D3-Verbindungen
auch zur Behandlung der Autoimmunerkrankung Typ-1-Diabetes
eingesetzt werden? Die tierexperimentellen Daten sind viel
versprechend.
Es gibt mehrere Formen von Vitamin D: D1, D2,
D3 und D4. Wichtig für den Menschen ist Vitamin
D3. Bei gesunden weißen Erwachsenen reicht in
unseren Breitengraden im Sommer schon eine 10- bis 15minütige Einwirkung von Sonnenlicht auf Gesicht, Hände und
Arme zwei- bis dreimal mal pro Woche an einem klaren Tag, damit der Körper genügend Vitamin D3 bilden kann [1]. Die UVBStrahlung der Wellenlänge von 290–315 nm1 ermöglicht in der
Haut die photochemische Bildung von Prävitamin D3 aus der
Provitamin-Vorstufe 7-Dehydrocholesterin. Dehydrocholesterin wiederum entsteht in der Leber durch Dehydrierung aus
Cholesterin. Aus dem Prävitamin D3 wird dann im Verlaufe
von zwei bis drei Tagen durch eine thermisch induzierte Isomerisierung Vitamin D3 (Cholecalciferol), wofür keine Einwirkung
von Sonnenlicht mehr erforderlich ist. In der Leber bzw. der
Niere wird Vitamin D3 dann enzymatisch zum hochwirksamen
1,25-Dihydroxycholecalciferol, auch als 1,25-Dihydroxy-Vitamin D3 (1,25(OH)2D3, siehe Abb. 1) bezeichnet, umgewandelt.
1,25-Dihydroxy-Vitamin D3 ist die eigentliche Wirkform im
menschlichen Organismus [1, 2].
Ein Vitamin im eigentliche Sinne, also eine lebensnotwendige
Verbindung, die vom Körper nicht selbst erzeugt, sondern mit
der Nahrung zugeführt werden muss, ist Vitamin D3 daher
nicht, da alle Reaktionen zur Bildung von D3 bei ausreichender
UVB-Einstrahlung im Körper des Menschen ablaufen können.
D3 kann aber durchaus die Bedeutung eines Vitamins für Menschen haben, die nicht genug Sonnenlicht bekommen. Dazu
zählen Personen,
❚ die sich viel im Haus aufhalten,
❚ bei denen der normale Prozess der Vitamin-D3-Bildung gestört ist,
❚ die eine höhere Hautpigmentierung aufweisen (dunkle
Hautfarbe),
❚ die in Gegenden höherer Breitengrade mit geringer Sonneneinstrahlung leben, aber auch
❚ die über 70 Jahre alt sind und bei denen die Fähigkeit zur Bildung von D3 in der Hautepidermis bis um das Zweifache herabgesetzt sein kann [3].
Eher ein Hormon als ein
Vitamin: Vitamin D3
1
30
Strahlung dieser Wellenlänge verursacht
auch die gefährlichen Sonnenbrände und
im Übermaß Hautkrebs.
ABBILDUNG 1: Struktur von 1,25-Dihydroxy-Vitamin D3
(1,25(OH)2D3). Die hochwirksame Verbindung wird vom Körper
in Leber und Niere enzymatisch aus dem in der Haut durch eine
photochemische Reaktion gebildeten Vitamin D3 hergestellt. Vitamin-D3-Kristalle sind in der polarisationsmikroskopischen
Aufnahme von Beat Ernst auf Seite 29 zu sehen.
OH
HO
OH
Vitamin-D-Verbindungen sind fettlösliche Verbindungen. D3
findet man daher hauptsächlich in Fetten und Ölen tierischen
Ursprungs, wie in Butter, Eigelb, Käse, Milch, Schweineleber,
Speisepilzen, oder in Ölen von Seefischen, wie im berühmt
berüchtigten Lebertran. Die chemische Struktur der VitaminD-Verbindungen ähnelt den Steroiden. Und wie die meisten
Steroidverbindungen haben auch sie im Säugetierorganismus
Hormonwirkung. 1,25(OH)2D3 hat folgende Wirkungen mit
Hormoncharakter:
❚ Es fördert die Resorption von Ca2+-Ionen im Darm.
❚ Es sorgt für die Rückresorption von Ca2+-Ionen in der Niere.
❚ Es mobilisiert Kalzium aus den Knochen und setzt dadurch
Knochenumbauprozesse in Gang. Es sorgt aber auch für Kalzium- und Phosphataufnahme in Knochen, die von Rachitis
und Osteoporose betroffen sind [2].
❚ Es beeinflusst die Regulierung des Immunsystems.
Diese Wirkungen entfaltet die Substanz über Bindung an einen
Rezeptor an der Oberfläche der Membran der Zellkerne, dem
sog. Vitamin-D-Rezeptor. Vitamin-D3-Mangel führt zu Rachitis. Überdosierung führt zu Störungen des Kalzium- und Phosphatstoffwechsels mit Verkalkung verschiedener Gewebe wie
Nieren, Lungen, Arterien, Lymphknoten oder der Muskelschicht
des Herzens und Entzug von Kalzium aus den Knochen. Der tägliche Bedarf an Vitamin D3 liegt bei 0,02 mg für Erwachsene und
bei 0,1 mg während des Wachstums [4, 5].
Typ-1-Diabetes: Therapie mit Vitamin-D3-Analoga
31
Der Vitamin-D-Rezeptor (VDR) gehört zu einer
Familie von Zellkernrezeptoren. Die genetische
Information, der Bauplan für diesen Rezeptor,
befindet sich auf Chromsom 12 (siehe Abb. 2) und kann zwischen verschiedenen Individuen beträchtliche Unterschiede,
sog. Polymorphismen aufweisen. Wie Pani und Chang berichteten, sind bestimmte VDR-Gen-Polymorphismen mit Typ-1Diabetes assoziiert [6, 7].
Aktiviert werden diese VDRs, wenn bestimmte Botenstoffe, sog.
Liganden andocken. Diese Ligandenfunktion können neben Vitamin-D-Verbindungen auch Steroidhormone, Schilddrüsenhormone oder Vitamin-A1-Säure ausüben. Durch Bindung an
den Rezeptor regulieren diese Liganden den Kalzium- und
Phosphat- und damit den Knochenstoffwechsel und kontrollieren Zellvermehrung und -differenzierung. Dies geschieht durch
Beeinflussung der Eiweißsynthese bestimmter Botenstoffe.
VDRs sind darüber hinaus jedoch nicht nur in Zellen zu finden,
die am Kalzium- und Knochenstoffwechsel beteiligt sind, sondern auch in Zellen des Immunsystems. Sie wirken immunregulatorisch.
Wird ein VDR durch Bindung eines Liganden aktiviert, so entfaltet er seine Wirkung als Transkriptionsfaktor.
Das heißt, er bindet an spezifische Stellen der
DNS (Desoxyribonukleinsäure), der Erbinformation im Zellkern, und initiiert die Eiweißsynthese bestimmter Botenstoffe. Das Vorhandensein dieser VDRs in den meisten Zellen des
Immunsystems, vor allem in antigenpräsentierenden Zellen (APC) wie in Makrophagen und
dendritischen Zellen (DC), aber auch in CD4+und CD8+-T-Lymphozyten, führte zur Untersuchung des Potenzials von 1,25(OH)2D3 als immunmodulatorischem Arzneimittel, um jene Reaktionen des Immunsystems zu beeinflussen, die
durch T-Lymphozyten (im Folgenden vereinfacht als T-Zellen bezeichnet) vermittelt werden.
Ein immunregulatorischer
Zellkernrezeptor
ABBILDUNG 2: Modell vom Chromosomenpaar 12.
Auf diesen Chromosomen befindet sich der Bauplan
für den Vitamin-D-Rezeptor. Einzelne Genvarianten
(Polymorphismen) des Vitamin-Rezeptor-Gens wurden bei verschiedenen Bevölkerungsgruppen mit der
Entwicklung eines Typ-1-Diabetes in Verbindung gebracht.
32
Ein Mausmodell für Diabetes
stört, so werden Bestandteile und Inhaltsstoffe dieser Die NOD-Maus (von engl.: nonobese diabetic mouse) ist
Zellen freigesetzt, wie Proinsulin, GAD (von engl.: glutamic
ein ideales experimentelles Modell zur Erforschung neuer
acid decarboxylase) und IA-2 (Tyrosinphosphatase-ähnliTherapiestrategien zur Behandlung des autoimmunen Diaches Molekül), die nun aus den ursprünglichen Zellen freibetes, denn sie entwickelt aufgrund ihrer genetischen Vergesetzt als Antigene wirken und von APC den T-Lymphoanlagung zu einer krankhaften Regulierung von Th1-Lymzyten präsentiert werden. Antikörper gegen Bestandteile
phozyten spontan Typ-1-Diabetes (T1D). Der Krankheitsder -Zellen des Pankreas werden gebildet, die diese zerverlauf ähnelt dem der menschlichen T1D-Erkrankung.
stören.
Viele der im Folgenden erläuterterten Erkenntnisse über die
Regulatorische Mechanismen dagegen, welche die pathoWechselwirkungen von schützenden und zerstörerischen
gene Aktivität von Th1-Lymphozyten in Schach halten würZellen bei der Entwicklung des Krankheitsbildes autoimden, sind bei der NOD-Maus außer Gefecht gesetzt. Dazu
muner T1D stammen aus Untersuchungen an der NODzählen:
Maus (siehe Abb. 3):
❚ die Hemmung der IL-12-Produktion dendritischer ZelDie Schlüsselrolle bei der Entstehung eines T1D spielt die
len durch Freisetzen des Gegenspielers IL-10 durch
Aktivierung pathogener T-Lymphozyten, welche die insulinTh2-Zellen,
produzierenden -Zellen des Pankreas zerstören können.
❚ die Herunterregulierung der Th1-Zellpopulation durch
Dazu zählen u. a. CD8+-T-Lymphozyten und Makrophagen,
direkten Zell-Zell-Kontakt von Th1-Zellen und regulatodie durch Interleukin-12-(IL-12)abhängige Th1-Lymphorischen CD4+CD25+-T-Zellen sowie
zyten reguliert werden.
❚ die Wirkung von entsprechenden Botenstoffen, die von
Antigenpräsentierende Zellen (APC) und besonders densog. natürlichen Killerzellen produziert werden [10].
dritische Zellen und Makrophagen produzieren dann nach
Aktivierung durch verschiedene Stimuli bakteriellen oder
viralen Ursprungs verschiedene
Botenstoffe (Zytokine) mit geIL-12
gensätzlichen Effekten wie IL-12
zytotoxischer
und Interleukin-10 (IL-10).
T-Lymphozyt
Überwiegt die Bildung von IL-12
IL-2
werden bevorzugt Th1-LymphoToxine
IFN-
zyten gebildet. Th1-LymphozyCD40
CD154
ten wiederum kurbeln die IL-12TFN-
antigenTh-1
präsentierende
Produktion durch dendritische
-Zelle des Pankreas
Zelle
Zellen an. Das entsprechende
IFN-
MHC
TCR
Signal wird durch Bindung des
IFN-
IL-10
Moleküls CD154 auf der Oberfläche von Th1-Lymphozyten an
Zytokine, Toxine
CD152
das Empfängermolekül CD40
Th-2
auf der Oberfläche von denCD4+CD25+
dritischen Zellen vermittelt. Th1CD25
Makrophage
Lymphozyten produzieren darünatürliche
Killerber hinaus große Mengen des
zelle
TCR
Botenstoffes Interferon- (IFN), welcher die durch IL-12 induzierte Th1-Lymphozytenentwicklung vervielfacht. Weiterhin kann IFN- Makrophagen dazu
ABBILDUNG 3: Schematische Darstellung der Inanregen, zytotoxisch wirksam zu werden und für -Zellen
teraktionen verschiedener Immunzellen bei der
des Pankreas toxische Botenstoffe abzugeben. IFN- und
Entwicklung eines Typ-1-Diabetes. Modifizierte
IL-2 stimulieren darüber hinaus zytotoxische CD8+-Zellen,
Abbildung aus [10]. Bedeutung der Abkürzungen
die weitere für die -Zellen toxische Botenstoffe abgeben.
im Text und Glossar auf S. 36. (Quelle: L. Adorini,
Th1-Lymphozyten können auch direkt die -Zellen schädiBioXell, Mailand.)
gen, indem sie Zytokine wie IFN- freisetzen.
Werden die insulinproduzierenden -Zellen des Pankreas
durch diese verschiedenen sog. Effektormechanismen zer-
Typ-1-Diabetes: Therapie mit Vitamin-D3-Analoga
33
Die immunregulatorischen Eigenschaften von 1,25(OH)2D3
werden derzeit klinisch sogar schon für die Behandlung einer
Th1-Zell-vermittelten Autoimmunerkrankung der Haut, für die
Therapie der Schuppenflechte, genutzt [8].
Das in nördlichen Breitengraden häufigere Auftreten von Typ-1-Diabetes (T1D) als in südlicheren
sonnigeren Gefilden legt eine mögliche Beteiligung
eines 1,25(OH)2D3-Mangels bei der Entstehung eines T1D nahe. Diese Annahme wird durch eine auf großen Bevölkerungsgruppen basierende Fall-Kontroll-Studie gestützt,
die zeigte, dass die Vitamin-D-Zuführung in früher Kindheit
nicht nur zur Vorbeugung einer Rachitis, sondern auch zu einer
signifikanten Senkung des Risikos der Erkrankung an T1D führte [9]. Umfangreiche Untersuchungen über die Beeinflussung
von T1D durch 1,25(OH)2D3 und analoge Verbindungen wurden daher in jüngster Vergangenheit an NOD-Mäusen durchgeführt, einem tierexperimentellen Modell für T1D (siehe Kasten
auf S. 33).
Typ-1-Diabetes
und 1,25(OH)2D3-Verbindungen
Die aktive Form von Vitamin D3 im Körper,
1,25(OH)2D3, und auch analoge Verbindungen
können die Immunantwort durch verschiedene
Mechanismen in sekundären lymphoiden Organen
und in von autoimmunen Zerstörungsprozessen betroffenen
Geweben beeinflussen (siehe Abb. 4).
Wie greift 1,25(OH)2D3
in die Regulierung der
Immunantwort ein?
Wirkung auf Th1-Zellen in lymphoiden Organen
In sekundären Lymphorganen hemmen die Verbindungen die
Produktion des Botenstoffes Interleukin-12 (IL-12) und stimulieren die Produktion des Botenstoffes Interleukin-10 (IL-10).
IL-10 blockiert die Entwicklung von Th1-Helferzellen. Darüber
hinaus üben 1,25(OH)2D3 und analoge Verbindungen Th1-Zellhemmende Wirkungen auch durch:
❚ die Herunterregulierung der Bildung von sog. kostimulierenden Molekülen (CD40, CD80, CD8) durch dendritische
Zellen sowie
❚ die Bildung von CD4+CD25+-regulatorischen T-Zellen und
Th2-Zellen aus.
1,25(OH)2D3 hat auch direkte Effekte auf T-Zellen, indem es die
Interleukin-2- und die Interferon--Produktion hemmt. Inter-
34
sekundäre Iymphoide Organe
betroffenes Gewebe
1,25 (OH)2D3
IL-12
dendritische
Zelle
zytotoxische
T-Zelle
CD40
CD154
MHC
TCR
CD80/CD86
CD28
1,25 (OH)2D3
IL-2
CD4
Th 1
Th 1
IFN-
IL-10
1,25 (OH)2D3
Zielzelle
IL-2
IFN-
Makrophage
Th1
IFN-
Th1
IL-4
Th1
Th1
Makrophage
+
IL-10
Th 2
1,25 (OH)2D3
+
CD4 CD25
regulatorische Zellen
1,25 (OH)2D3
ABBILDUNG 4: 1,25(OH)2D3 und seine Analoga können die Immunantwort durch verschiedene Mechanismen in sekundären Lymphorganen und in Zielgeweben beeinflussen. Gestrichelte Pfeile bedeuten
Zytotoxizität, grüne Peile symbolisieren Stimulierung,
rote abgestumpfte Pfeile Hemmung. Modifizierte Abbildung aus [11]. Bedeutung der Abkürzungen im Text
und Glossar auf S. 36. (Quelle: L. Adorini, BioXell,
Mailand.)
leukin-2 (IL-2) wird von aktivierten T-Zellen gebildet und wirkt
gleichzeitig als T-Zell-Wachstumsfaktor, der die Vermehrung
von T-Zellen stimuliert. IL-2 steigert auch die Vermehrung von
antikörperbildenden B-Lympozyten und wirkt stimulierend auf
zytotoxische Makrophagen und zytotoxische T-Zellen.
Herunterregelung von Th1-Zellen im betroffenen Gewebe
In von autoimmunen Zerstörungsprozessen betroffenen Geweben, in denen pathogen-wirksame Th1-Zellen die Bildung gewebezerstörender (zytotoxischer) T-Zellen und aktivierter
Makrophagen bewirken, können 1,25(OH)2D3 und analoge Verbindungen die Anzahl der Th1-Zellen herunterregeln. Des Weiteren regen sie die Bildung von CD4+CD25+-regulatorischen TZellen und Th2-Zellen an, die ihrerseits wiederum hemmend
auf Th1-Zellen wirken [10].
Typ-1-Diabetes: Therapie mit Vitamin-D3-Analoga
35
Glossar
Antigenpräsentierende Zellen (APC): werden von TLymphozyten benötigt, um mittels ihrer T-Zell-Rezeptoren (TCR) Antigen zu erkennen. APC sind z. B. dendritische Zellen, Makrophagen, Kupffersche Zellen
oder B-Lymphozyten. Sie kommen über Endozytose
oder Infektion mit einem Erreger in Kontakt mit dem
Antigen. Das Antigeneiweiß wird dann im Inneren der
APC in kleinere Bruchstücke von nur wenigen Aminosäuren zerlegt. Diese werden dann an spezialisierte
Moleküle gebunden und so auf der Oberfläche der
APC den T-Lymphozyten präsentiert.
Dendritische Zellen (DC): dienen der Antigenpräsentation (siehe APC) und produzieren darüber hinaus
Botenstoffe wie Interleukin-12, die T-Lymphozyten
aktivieren. Sie werden aus Knochenmarkstammzellen
gebildet und wandern in die Haut und lymphatische
Organe ein.
Effektor-T-Lymphozyten: werden nach Antigenkontakt
gebildet, haben zytotoxische Aktivität (Killerzellen)
und sorgen so für die zelluläre Immunabwehr.
Primäre lymphoide Organe: wie beim Menschen der
Thymus steuern die Entwicklung von B- und T-Lym-
phozyten ohne Einfluss durch Antigene. Die Bildung
von Lymphozyten erfolgt hier aus Stammzellen.
Sekundäre lymphoide Organe: dienen der Produktion
von Lymphozyten unter dem Einfluss von Antigenen.
Es werden Gedächtniszellen und Effektorzellen der
zellulären Immunantwort, d. h. antikörperproduzierende B-Lymphozyten und T-Lymphozyten, gebildet.
Zu den sekundären lymphoiden Organen zählen beim
Menschen Milz, Lymphknoten, Mandeln und das darmassoziierte lymphoide System.
Regulatorische T-Lymphozyten: haben einen hemmenden Einfluss auf Ausbildung und Ablauf der Immunantwort. Sie spielen eine große Rolle bei der Aufrechterhaltung der Toleranz von Immunzellen gegenüber körpereigenen Strukturen.
MHC: steht für Haupthistokompatibilitätskomplex von
engl.: major histocompatibility complex. Es ist eine
Gengruppe, deren Genprodukte Zellmembranproteine
sind, die die Aktivität von T-Lymphozyten steuern. TLymphozyten können Fremdantigene nur mit Hilfe von
MHC-Molekülen erkennen.
Eine kurze Behandlung von NOD-Mäusen mit
Vitamin-D3-Verbindungen in nichthyperkalzämischen Dosen ergab eine Hemmung der IL-12und der IFN--Produktion sowie eine Hemmung der Einwanderung von Th1-Zellen in die Bauchspeicheldrüse [10]. Ferner
konnte in verschiedenen tierexperimentellen Studien gezeigt
werden, dass 1,25(OH)2D3 nicht nur präventiv den Ausbruch
eines autoimmunen Diabetes verhindert, sondern auch das
Fortschreiten der Erkrankung behindert. Bei NOD-Mäusen
konnten transplantierte Pankreasinseln unter Behandlung mit
1,25(OH)2D3 ihre Funktion als Insulinproduzenten für eine
längere Zeit aufnehmen.
Da bei anhaltender systemischer Verabreichung von 1,25
(OH)2D3 die Gefahr der Entwicklung einer Hyperkalzämie
bestehen kann, wurden verschiedene 1,25(OH)2D3-Analoga
entwickelt, die sich in tierexperimentellen Modellen von Autoimmunerkrankungen als effektiv erwiesen, ohne eine Hyperkalzämie hervorzurufen. Die Substanz, deren Struktur in Abb. 5
gezeigt ist, weist z. B. im Tierexperiment nicht nur eine erhöhte
Erste Erfolge bei diabetischen NOD-Mäusen
36
ABBILDUNG 5: Struktur einer von 1,25(OH)2D3- abgeleiteten
Verbindung: BXL-698. Die Verbindung zeigte im Tierversuch im
Vergleich zu 1,25(OH)2D3 eine 100fach höhere Fähigkeit zur Immunsuppression.
OH
F3C
HO
CF3
OH
metabolische Stabilität, sondern auch eine 100fach höhere
Fähigkeit zur Immunsuppression im Vergleich zu 1,25(OH)2D3
auf – ein erster Schritt in Richtung Entwicklung einer VitaminD3-Verbindung als wirksames Instrument zur Behandlung von
T1D.
Quellen
1. Holick, M.F.: Photosynthesis of vitamin D
in the skin: effect of enviromental and lifestyle variables. Fed Proc 46 (5): 1876–82,
1987
2. Holick, M.F., MacLaughlin, J.A., Doppelt.,
S.H.: Regulation of cutaneous previtamin
D3 photosynthesis in man: skin pigment is
not an essential regulator. Science 211:
590–593, 1981
3. MacLaughlin, J., Holick, M.F.: Aging
decreases the capacity of human skin to
produce vitamin D3. J Clin Invest 76 (4):
1536-1538, 1985
4. Lexikon der Biochemie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin,
2000
5. Zetkin, Schaldach: Lexikon der Medizin,
Ullstein Medica., 16. neue bearbeitete
Auflage, 1999
6. Pani, M.A., Knapp, M., Donner, H., et al.:
Vitamin D receptor allele combinations influence genetic susceptibility to type 1
diabetes in Germans. Diabetes 49(3):
504-507, 2000
7.
8.
9.
10.
11.
Chang, T.J., Lei, H.H., Yeh, J.I., et al.: Vitamin D receptor gene polymorphisms influence susceptibility to type 1 diabetes
mellitus in the Taiwanese population. Clin
Endocrinol 52(5): 575-580, 2000
Adorini, L.: Immunomodulatory effects of
Vitamin D receptor ligands in autoimmune diseases. Int Immunopharmacol 2 (7):
1017-1028, 2002
The EURODIAB Substudy 2 Study
Group: Vitamin D supplement in early
childhood and risk for Type I (insulin-dependent) diabetes mellitus. Diabetologia
42: 51-54, 1999
Adorini, L., Gregori, S., Harrison, L.C.: Understanding autoimmune diabets: insights from mouse models: Trends in
Molecular Medicine 8 (1), 2001
The coming of age of 1,25 dihydroxyvitamin D3 analogs as immunomodulatory
agents. Trends in Molecular Medicine 8
(4), 2002
Typ-1-Diabetes: Therapie mit Vitamin-D3-Analoga
37