Power Point Präsentation
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Zytokine und Interferone Bedeutung für die Diagnostik entzündlicher Erkrankungen Dr. med. Volker von Baehr Institut für Medizinische Diagnostik Berlin, Nicolaistraße 22, 12247 Berlin +49 3077001-220, [email protected] Zytokine Peptidhormone, die im Rahmen von Entzündungsreaktionen von immunkompetenten Zellen produziert werden. man unterscheidet: Interferone, Interleukine, kolonie-stimulierende Faktoren, TumorNekrosefaktoren und Chemokine Chemokine Name abgeleitet von „chemotaktische Zytokine“ kleine Proteine (75–125 Aminosäuren) Interferone Proteine oder Glykoproteine, mit einer immunstimulierenden, vor allem antiviralen und antitumoralen Wirkung vorrangig lymphozytärer Herkunft Welche Zytokine haben Bedeutung in der Diagnostik? im Serum: Proentzündung: Antientzündung TNF- IL-1 IL-6 IL-8 (IFN-, IP-10 sIL-2-Rezeptor RANTES IL-10 TGF- Erfassung anderer Entzündungsphänomene: Histamin (Indikator der Mastzellaktivierung) Lp-PLA2 (Gefäßentzündung) Welche Zytokine haben Bedeutung in der Diagnostik? in in vitro-Stimulationstests: TH1/TH2/TH17-Profil / TH1/TH2-Profil IFN-, IL-4, IL-2, IL-17, IL-10 Untersuchung auf Wirksamkeit antientzündlicher Präparate TNF-, IL-4 (Hemmteste) Untersuchung auf Wirksamkeit immunmodulierender Präparate IFN-, IL-10 Effektorzelltypisierung (Typisierung allergen-/antigenspezifischer T-Lymphozyten) IFN-, IL-10 (IL-2, TNF-) Serum-Zytokinanalysen Bakterien LPS Pilze TNF- IL-1 Partikel (z.B. Titanoxid) Makrophage IL-6 IL-8 Myelomonozytäre Entzündung CRP Immunkomplexe Viren intrazellulär persistierende Bakterien Xenobiotika (z.B. Metalle, Acrylate, Biozide usw.) IFN- T-Lymphozyt (IP-10) IL-17 IL-4 IL-10 u.a. Lymphozytäre Entzündung (TH1-Immunaktivierung) Allergene (bei Sensibilisierung) Bakterien Histamin Pilze Leukotriene TGF- Serotonin u.a. Xenobiotika (z.B. Flammschutzmittel, Biozide usw.) Mastzelle Entzündung durch Mastzellaktivierung (Typ I)-allergische Entzündung Das CRP ist zum Nachweis der chronischen Entzündung nicht ausreichend sensitiv ! TNF- und IL-1 sind die „Schlüsselzytokine“ der myelomonozytären Entzündung TNF- IL-1 IL-10, TGF- IL-6 Akute PhaseReaktion CRP 90 Entzündungsreiz (auf Einzelzellniveau) 2h 4h 8h 12h Tage Allgemeines zu Zytokinen Hohe Sensitivität – keine Organspezifität zirkulierende Zytokine werden von Leber und Nieren eliminiert, die Halbwertzeit im Serum liegt im Minutenbereich (Ausnahme: IP-10 und RANTES). Die ex-vivo-Halbwertszeit ist dagegen vergleichbar zu anderen Serumproteinen. Wirkung der Zytokine auf ihre Zielzellen durch Rezeptorbindung: 1. membrangebundene Rezeptoren (Repertoire beschränkt) 2. lösliche Rezeptoren (z.B. sIL-6R). Die entstehenden Komplexe binden an Zellmembranenen sehr vieler Zelltypen Indikationen der Zytokinbestimmung im Serum Nachweis chronischer Entzündung (silent inflammation) TNF-, IL-1, IL-6, (RANTES) Nachweis der TH1-Immunaktivierung IP-10, (IFN-) Nachweis gestörter Immuntoleranz IL-10, TGF- Nachweis der Krankheitsaktivität definierter Erkrankungen, z.B. Sarkoidose: sIL2R (besser als ACE) Rheuma, Autoimmunerkrankungen u.a.: IL-6, IP-10 Kieferrestostitis (NICO): RANTES Nachweis der Tumornekrose IL-6 (besser als TNF-) Silent inflammation, die „schleichende“ Entzündung Kunststoffe Metalle Psychologischer Stress EMF Industriegifte Biozide Pilze Bakterien Lösungsmittel Viren Mercaptane/Thioether Weichmacher Nahrungsmittel Nitrosativer Stress Superoxid iNOS gestörte Immuntoleranz Peroxynitrit Mitochondriopathie Chronische Entzündung Oxidativer Stress Entwicklung weiterer Sensibilisierungen Abb. modifiziert nach Pall, Dr. (PhD) Lehrstuhl Biochemie an der Washington State University ML.:Explaining 'Unexplained Illnesses“ Silent inflammation, die „schleichende“ Entzündung Kunststoffe Metalle Psychologischer Stress EMF Industriegifte Biozide Pilze Bakterien Lösungsmittel Viren Mercaptane/Thioether Weichmacher Nahrungsmittel + Nitrosativer Stress Superoxid iNOS gestörte Immuntoleranz Peroxynitrit Mitochondriopathie Chronische Entzündung Oxidativer Stress Entwicklung weiterer Sensibilisierungen Abb. modifiziert nach Pall, Dr. (PhD) Lehrstuhl Biochemie an der Washington State University ML.:Explaining 'Unexplained Illnesses“ Psychologischer Stress Kunststoffe Biozide Metalle EMF Pilze Mercaptane/Thioether Industriegifte Bakterien Lösungsmittel Viren Weichmacher Nahrungsmittel + Nitrosativer Stress Nitrotyrosin Superoxid iNOS gestörte Immuntoleranz Peroxynitrit Mitochondriopathie Chronische Entzündung ATP intrazellulär Oxidativer Stress MDA-LDL TNF- IP-10 Histamin Entwicklung weiterer Sensibilisierungen Dieser Befund schließt eine chronische Entzündung weitestgehend aus Mitochondriopathie und Oxidativer Stress sind (oft) Teil der systemischen Entzündung Autoantigene /Immunkomplexe Umweltschadstoffe UV-Licht Strahlung Bakterien Partikel Hypoxie LPS IB-Kinase Wirkung über Toll-like-Rezeptoren ROS IkB- NFB p50 p50 Genaktivierung Inflammation TNF-, IL-1 IFN-, IL-12, IL-6 p65 p65 zeitversetzt: Antiinflammation IL-10, IL-1ra TGF- Die Bestimmung der NFkB-Aktivität gibt keine Aussage über die Entzündungslage, da pro- und antiinflammatorische Mediatoren vermittelt werden. Die Labordiagnostik der chronischen Entzündung unterscheidet sich von der bei akuter Entzündung Akute Entzündung CRP und andere Akute-Phase-Proteine der Leber Leukozytose Chronische Entzündung TNF- Entzündung? IP-10 TH1-Immunaktivierung? Histamin Mastzellaktivierung? MDA-LDL Oxidativer Stress? Nitrotyrosin Nitrosativer Stress? ATP (in Leukozyten) Mitochondrienfunktion? Tumor-Nekrose-Faktor-alpha (TNF-) Multifunktionales Zytokin des Immunsystems, welches initial an allen lokalen und systemischen Entzündungen beteiligt ist. Quellen: Makrophagen >> Lymphozyten (TH1, TH0), Mastzellen >> Endothelzellen, Herzmuskelzellen, Fibroblasten, Nervenzellen Aktivierungswege: Toll-like Rezeptoren, MAP-Kinase-Weg, NF-κB Effekte: gemeinsam mit IL-1 „Alarmzytokin“ im Organismus Effekte auf das Immunsystem, Nervensystem und Hormonsystem Vermittler von Krankheitsgefühl (Fieber, Fatigue, Anorexie, Libidoverlust) Vermittler kataboler Stoffwechselprozesse Testbesonderheiten (ELISA): Es werden auch die Abbauprodukte erfasst, daher höhere in vivoHalbwertzeit als IL-1 und IL-6 TNF- fördert die Cortisolsynthese in der Nebenniere und hemmt die Synthese der Sexualhormone Nebenniere Gonaden Cholesterin TNF- 17a-Hydropregenolon Pregnenolon 17a-Hydroprogesteron + TNF- 11-Desoxykortikosteron 7-hydroxy-DHEA DHEA(S) DHEA TNF- Progesteron + TNF- Androstendion Östron TNF- 11-Desoxykortisol Kortikosteron Kortisol 18-Hydroxy-Kortikosteron Kortison Testosteron + 17Östradiol TNF- Aldosteron Straub R.H. Pathophysiologie komplexer chronischer Erkrankungen, Band 1 TNF- fördert die Cortisolsynthese in der Nebenniere und hemmt die Synthese der Sexualhormone Nebenniere Gonaden Cholesterin TNF- 17a-Hydropregenolon Pregnenolon 17a-Hydroprogesteron + TNF- 11-Desoxykortikosteron 7-hydroxy-DHEA DHEA(S) DHEA TNF- Progesteron + TNF- Androstendion Östron TNF- 11-Desoxykortisol Kortikosteron Kortisol 18-Hydroxy-Kortikosteron Kortison Testosteron + 17Östradiol TNF- Aldosteron Straub R.H. Pathophysiologie komplexer chronischer Erkrankungen, Band 1 Bei chronischer Entzündung zeigt sich oft ein erhöhtes Cortisol und ein vermindertes DHEAS im Blut Auch moderate TNF--Erhöhungen zeigen einen chronischen Entzündungsprozess an. Interleukin-1-beta (IL-1) Zusammen mit TNF- multifunktionales Zytokin, welches an allen lokalen und systemischen Entzündungen beteiligt ist. Quellen: Makrophagen >> Endothelzellen, Fibroblasten Aktivierungswege: Toll-like Rezeptoren, MAP-Kinase-Weg, NF-κB Effekte: gemeinsam mit TNF- „Alarmzytokin“ im Organismus Effekte auf das Immunsystem, Nervensystem und Hormonsystem Vermittler von Krankheitsgefühl (Fieber, Fatigue, Anorexie) Vermittler kataboler Stoffwechselprozesse Testeigenschaften (ELISA): Präanalytisch anfälliger als TNF-, daher nur erhöhte Werte aussagekräftig TNF- und IL-1 sind die „Schlüsselzytokine“ der systemischen „klassischen“ Entzündungsreaktion Bakterien LPS Pilze Partikel (z.B. Titanoxid) Xenobiotika sjuan-gä[email protected] TNF- IL-1 Aktivierung und Rekrutierung weiterer Immunzellen Fieber Fatigue Anorexie s[email protected] Immunkomplexe [email protected] Akute PhaseReaktion / HHN-AchseStressantwort u.a. Alle vermittelten Effekte sind sinnvoll bei einer akuten (notwendigen) Entzündungsantwort Knochen Osteoklastenaktivität Knochenresorption Parodontitis Osteoporose Schleimhaut/Haut Immunsystem Anlockung weiterer Immunzellen (Chemotaxis) T-Zellaktivierung (IFN-g ) Gefäßendothel Adhäsionsmoleküle Verstärkung der lokalen Entzündung Adhäsionsmoleküle Arteriosklerose Schlaganfallrisiko Kollagenase u.a. aMMP8 Proteinasen Gewebeabbau TNF- IL-1 Muskel Proteinkatabolismus Schmerzwahrnehmung Muskelatrophie Fibromyalgie Fettgewebe Lipoproteinlipase Fettsäurefreisetzung “Cachektin-Wirkung” Nervensystem Fieber, Anorexie Fatigue IDO-Aktivität Depression Hormonsystem ACTH , Cortisol Sexualhormone Stresseffekte Mitochondrien ATP-Bildung Interleukin-6 (IL-6) Zytokin mit pro- und antientzündlichen Eigenschaften („Regulation“) Quellen: Monozyten/Makrophagen >> Epithel- und Endothelzellen kurzfristige Induktion auch durch Muskelbeanspruchung Die Bildung von Interleukin-6 wird durch Prostaglandin E2 verstärkt. wichtigste Funktionen: Induktor der Akute-Phase-Proteine in der Leber Stimulation von B- und T- Lymphozyten IL-6 steigert die Sekretion von Kortison, Somatotropin, Glucagon und Adrenalin Interleukin-8 (IL-8, CXCL8) Chemokin mit proentzündlichen Eigenschaften Quellen: Endothelzellen, Monozyten >> Epithelzellen und Fibroblasten Zielzellen und Effekte: Neutrophile Granulozyten Anlockung ins entzündete Gebiet (Chemotaxis) Endothelzellen Gefäßneubildung (Angiogenese) Besonderheit: IL-8 bindet im Blut an Erythrozyten daher IL-8 nach Vollblutlyse als empfindlichster Inflammationsmarker, Voraussetzung: Erythrozytenlyse < 2 h nach Blutabnahme, Serumbestimmung nur aus < 2 h abzentrifugiertem Serum möglich Interleukin-10 (IL-10) Zytokin mit antientzündlichen Eigenschaften veraltet: Cytokine-synthesis inhibitory factor Quellen: Monozyten/Makrophagen >> Treg-Zellen, TH2-Lymphozyten Zielzellen und Effekte: gemeinsam mit TGF- verantwortlich für die Immuntoleranz hemmt die Bildung von IFN- in TH1-Lymphozyten und NK-Zellen stimuliert B-Lymphozyten zur Antikörperproduktion Immunmodulation in der Darmscheimhaut (NFB-Hemmung) hemmt die Antigenpräsentation von Monozyten hemmt die Aktivierung der Cyclooxygenase-2 in Monozyten Transforming Growth Faktor beta (TGF-) Wachstumsfaktor der als Homodimer im Blut vorliegt. Quellen: Makrophagen, dentritische Zellen, Treg-Zellen >> viele andere Zellen Zielzellen und Effekte: beeinflussen Zellproliferation und Zelldifferenzierung in vielen Zelltypen starke antiinflammatorische Wirkung auf TH1-Zellen vermittelt gemeinsam mit IL-10 die Immuntoleranz wichtige Rolle bei Heilungsprozessen, Kollagenbildung (Kollagen Typ I) und Fibrosierung von Gewebe Besondere Rolle bei Tumorerkrankungen initial: TGF-ß = Tumorsuppressor wegen antiproliferativer, proapoptotischer und antiangionetischer Wirkung später: Tumorzellen werden „unsensibel“ (Escape-Mechanismus) TGF-ß fördert dann die Progression durch seine immunsuppressive (toleranz-induzierende) Wirkung Erhöhte TGF- und IL-10-Blutspiegel sind im chronischen Verlauf bei Tumoren prognostisch ungünstig Eine Senkung durch immunstimulierende Massnahmen erscheint sinnvoll, auch wenn klinische Studien dazu bisher fehlen. Bakterien LPS Pilze TNF- IL-1 Partikel (z.B. Titanoxid) Makrophage IL-6 IL-8 Myelomonozytäre Entzündung CRP Immunkomplexe Viren intrazellulär persistierende Bakterien Xenobiotika (z.B. Metalle, Acrylate, Biozide usw.) IFN- T-Lymphozyt (IP-10) IL-17 IL-4 IL-10 u.a. Lymphozytäre Entzündung (TH1-Immunaktivierung) Allergene (bei Sensibilisierung) Bakterien Histamin Pilze Leukotriene TGF- Serotonin u.a. Xenobiotika (z.B. Flammschutzmittel, Biozide usw.) Mastzelle Entzündung durch Mastzellaktivierung (Typ I)-allergische Entzündung Interferon-gamma (IFN-) Typ II-Interferon mit immunstimulierender, antiviraler und antitumoraler Wirkung Quellen: TH1-Lymphozyten (CD4 > CD8) >> CD28+/CD8+T-Lymphozyten, dentritische Zellen, NK-Zellen Zielzellen und Effekte: in Makrophagen Aktivierung, MHCII-Expression und Phagozytose , Bildung von NO , TNF- und IL-1-Sekretion in B-Lymphozyten Förderung des Klassenwechsel IgM IgG (d.h. Hemmung IgE) in TH2-Lymphozyten Hemmung der IL-4-Synthese (TH2-Hemmung) Aktivierung der 1α-Hydroxylase: 25(OH) Vitamin D3 1,25(OH)2Vitamin D3 Aktivierung der Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO) in verschiedenen Zelltypen Tryptophan Kynurenine (Hemmung Serotoninsynthese) IFN- (und auch TNF- induziert die Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO) und hemmt so die Serotoninsynthese im ZNS IFN- +TNF- L-Tryptophan + Blut-Hirn-Schranke Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO) + Serotonin • Stimmung • Schlaf • Appetit • Sexualverhalten • Temperaturregulation • Schmerzwahrnehmung Oxenkrug, Ann N Y Acad Sci 2010 Kynurenine • Neurotoxische Wirkung • Glutamat-Rezeptor-Wirkung • Hemmung des Tryptophan-Transports über die Blut-Hirn-Schranke depressive Symptomatik Deshalb sollte bei Serotoninmangel und erhöhter IDOAktivität Tryptophan erst nach der antientzündlichen Therapie substituiert werden !!! Viele Symptome bei Multisystemerkrankungen werden durch Interferon-gamma vermittelt ! IP-10 ist ein IFN--Biomarker idealer Serummarker für die TH1-Immunaktivierung (IP-10 = IFN--inducible protein 10) aktivierte TH1-CD4-Zelle IFN- IP-10 sehr niedrige und schwankende Serumspiegel stabil im Serum messbar IP-10-Spiegel im Blut pg/ml im Serum IFN- Stunden Tage TH1-dominante Entzündung Aktivierung von TH1-Lymphozyten IFN– IP-10 Aber auch eine TH1-dominante Entzündung kann Ursache für oxidativen/nitrosativen Stress (seltener auch Mitochondriopathie) sein Achtung: Andere T-lymphozytäre Zytokine wie IL-2, IL-4, IL-5, IFN-oder IFN- sind im Serum nicht in ausreichender Höhe messbar. Daher müssen in-vitro Stimulationsteste durchgeführt werden, welche die „Zytokinausrichtung“ der T-Helferzellen verstärken. TH2-Dominanz ist typisch für: • atopische Disposition (IgE ?, Eosinophilie?, allergenspezifische IgE?) • Parasitose (IgE ?, Eosinophilie?, Stuhlanalysen) • chronische Entzündung (Profil Multisystemerkrankung, Ursachendiagnostik) • assoziiert mit seltenen Immundefekten (v.a. im Kindesalter) Durch Erweiterung des Profils können alle THSubpopulationen charakterisiert werden CD4-Lymphozyten (Helferzellen) TH1-Helferzellen „Angriffszellen“ sezernieren IFN- Elimination von infizierten und veränderten Körperzellen „Immunmodulierende Zellen“ sezernieren IL-4 und IL-5 Stärkung der Antikörperproduktion, auch IgE als verantwortlicher Antikörper für die Soforttypallergie TH2-Helferzellen TH17-Helferzellen CD25+/CD127 Treg-Zellen „Kontrollzellen“ sezernieren IL-17 Kontrolle von persistierenden Erregern „Bremserzellen“ sezernieren IL-10 und TGF- Toleranzerhaltung, Verhinderung und Bremsung von Immunreaktionen Treg-Zellen im Darm = TH3-Zellen genannt Im TNF-Hemmtest kann in vitro die individuelle Wirksamkeit von Präparaten auf die Entzündungsinduktion bestimmt werden Hemmwirkung 75% +18% 85% 94% +75% Hier wirkt Silymarin und Boswellia-Extrakt am stärksten antientzündlich. Hox alpha und Colibiogen wirken hier eher proentzündlich ! Damsgaard CT et al. Whole-blood culture is a valid low-cost method to measure monocytic cytokines - a comparison of cytokine production in cultures of human whole-blood, mononuclear cells and monocytes. J Immunol Methods. 2009;340:95-101 Basisansatz Zugabe der verschiedenen antientzündlichen Wirkstoffe in Parallelansätzen 50 Patientenblut 500 µL RPMI + LPS Mischung und Inkubation für 4h bei 37 °C Zentrifugation Analyse von TNF- im Überstand TNF- Basiswert (gehemmte) TNF- - Werte Das Ausmaß der entzündungshemmenden Wirkung der Präparate ist individuell n = 122 Patienten Curcumin Boswellia Resveratrol S-Adenosylmethionin Prednisolon Hemmung LPS-induzierte TNF--Freisetzung im Vergleich zum LPS-Basalwert < 10% 10 – 50% > 50% Curcumin 17 % 47 % 36 % Boswellia 22 % 36 % 42 % Resveratrol 12 % 84 % 4% SAM 17 % 24 % 59 % Prednisolon 3% 22 % 75 % Institut für Medizinische Diagnostik Berlin, Nicolaistraße 22, 12247 Berlin +49 3077001-220, [email protected] Zusammenfassung und Empfehlung Zytokindiagnostik ist essentiell für den Nachweis und das Monitoring chronischer Entzündungserkrankungen Zytokindiagnostik sollte aber gezielt eingesetzt werden: Nachweis der systemischen Entzündung: TNF- (ggf. auch IL-6 und IL-1) Nachweis der Antientzündung und der Immuntoleranz: IL-10, TGF- kompensatorischer Anstieg dieser Zytokine bei gestörter Immuntoleranz Nachweis der TH1-Immunaktivierung: IP-10 (im Serum) besser geeignet als IFN- Beurteilung der TH1/TH2-Balance erfolgt nur über Stimulationstests (TH1/TH2-Balance oder TH1/TH2/TH17-Test) Immer zu empfehlen: Zentrifugation des Blutes und Trennung vom Blutkuchen < 4 h, Einsendung ins Labor < 24 h (Abfall dann < 10%)
