Prof. Dr. med. Gabriele Köhler Zwischenbericht (2008

Prof. Dr. med. Gabriele Köhler
Zwischenbericht (2008):
Ultrastrukturelle Analyse alternativ aktivierter Makrophagen und dendritischer
Zellen der Lunge in einem experimentellen, infektiös induzierten Asthmamodell
- gefördert von der Rolf Dierichs-Stiftung
Hintergrund:
In der Immunpathogenese von Allergien sowie dem Asthma bronchiale spielen die
Zytokine Interleukin (IL)-4 und IL-13 sowie deren gemeinsamer Rezeptor (R) IL-4Ralpha eine entscheidende Rolle. Einerseits induzieren sie die an der Bildung von
Immunglobulin E beteiligten T-Helfer-2-Zellen (Th2), andererseits bewirken sie die
Bildung von sog. alternativ aktivierten Makrophagen. Alternativ aktivierte
Makrophagen tragen durch ihre verminderte Fähigkeit zur Erregerabwehr wesentlich
zur allergischen Entzündung bei. Bisher liegen keine Informationen zur Morphologie
der alternativ aktivierten Makrophagen - im Unterschied zu klassisch aktivierten
Makrophagen - vor. Das geplante Forschungsprojekt trägt dazu bei, die Funktion
alternativ aktivierter Makrophagen bei Allergien und dem Asthma bronchiale durch
ihre detaillierte morphologische subzelluläre Charakterisierung besser zu verstehen.
Dies stellt für die Entwicklung dringend notwendiger pharmakologischer bzw.
immunologischer Behandlungsmöglichkeiten des Asthma bronchiale eine wichtige
Voraussetzung dar.
Projekt:
In einem infektiös induzierten Maus-Asthmamodell werden Wildtypmäuse sowie
globale IL-4-/-, IL-13-/- und IL-4R-alpha-/- und IL-13-transgene Mäusen mit dem
fungalen Infektionserreger Cryptococcus neoformans intranasal infiziert. Darüber
hinaus sollen Makrophagen-spezifische IL-4R-alpha-/--Mäuse zum Einsatz kommen,
um ausschliesslich die Wirkung von IL-4/IL-13 auf Makrophagen beurteilen zu
können. Proben aus Lungengewebe infizierter Mäuse werden zu unterschiedlichen
Zeitpunkten nach der Infektion gewonnen. Im Mittelpunkt steht dann die
morphologische
Charakterisierung
dieser
Lungenproben
mittels
elektronenmikroskopischer
Darstellungsmethoden
(Transmissions-Elektronenmikroskopie).
Im
Weiteren
kommen
sehr
sensible
und
aufwendige
Untersuchungsverfahren zum Einsatz, mit denen neben der Morphologie auch die
funktionellen Eigenschaften der Zellen sichtbar gemacht werden können.
Bisherige Umsetzung:
Mit den von der Rolf Dierichs-Stiftung zur Verfügung gestellten Mitteln für das Projekt
konnten erste Tierexperimente durchgeführt werden sowie die ersten
morphologischen Charakterisierungen von Lungen-Makrophagen mittels
Elektronenmikroskopie erfolgen (Abbildungen 1 und 2).
Lungenmakrophage
„Schaumzelle“
Cryptococcus neoformans
Abbildung 1: Ultrastruktur von Lungenmakrophagen aus suszeptiblen
Wildtypmäusen, die mit Cryptococcus neoformans intranasal infiziert wurden.
Die elektronenmikroskopischen Untersuchungen am Glutardialdehyd-fixierten
Lungenparenchym zeigen reichlich Kryptokokken im Lungengewebe, welche in
dichter Anordnung vorliegen und eine typische Morphologie mit einem
strahlenartigen Kranz aufweisen. Dazwischen einzelne wenige Makrophagen mit
einem etwas schaumzellig imponierenden Zytoplasma und ansonsten üblicher
Organellenstruktur. Des Weiteren im Bild erkennbare Alveolarwände mit kleinen
Kapillaren und einliegenden Erythrozyten.
Lysosom des
Makrophagen
Zellkern des
Makrophagen
Abbildung 2: Ultrastruktur von Lungenmakrophagen aus resistenten IL-4R-alpha-/-Mäusen, die mit Cryptococcus neoformans intranasal infiziert wurden.
Bei der Untersuchung der IL-4R-alpha-/- - Maus zeigt das Lungenparenchym in der
elektronenmikroskopischen Untersuchung keinen Nachweis von Kryptokokken, was
die Resistenz dieses Mausstammes gut widerspiegelt und die Bedeutung des IL-4Ralpha als Schlüsselmolekül für die Krankheitsentstehung zeigt. Die
Bronchialepithelien werden von Becherzellen ausgekleidet. Diese lassen im
ultrastrukturellen Bild einen prominenten Zellkern sowie Schleimvakuolen im
Zytoplasma erkennen. Dazwischen einzelne Flimmerepithelzellen mit typischem
Flimmerbesatz an der Zelloberfläche. Die Makrophagen weisen größere, nicht so
dicht gelagerte Vakuolen ohne eindeutig erkennbare Binnenstruktur auf. Ansonsten
findet sich auch hier eine typische Organellenstruktur im Zytoplasma sowie ein zur
einen Seite hin verlagerter Zellkern. Eindeutige Reste oder Anteile von abgebauten
Kryptokokken sind nicht nachweisbar. Um evtl. vorhandene antigene Anteile von
Cryptococcus neoformans erkennen zu können, sind weitere ultrastrukturelle
Immuno-Gold-Markierungen notwendig, um antigene Strukturen als Anteile
phagozytierter Kryptokokken-Bestandteile in lysosomalen Strukturen in der
resistenten IL-4R-alpha-/- - Maus sichtbar zu machen.
Eine internationale Publikation, die diese IL-4R-alpha–abhängigen ultrastrukturellen
Untersuchungen zusammen mit den funktionellen Eigenschaften der alternativ
aktivierter Makrophagen im murinen pulmonalen Cryptococcus neoformans –
Infektionsmodell beschreibt, ist in Vorbereitung.
Fortführung:
Es ist im Weiteren geplant, Proben von Makrophagen-spezifischen IL-4R-alpha-/-Mäusen zu analysieren. Dies ermöglicht eine gezielte Charakterisierung von
therapeutischem Zielmolekül zusammen mit der Zielzelle – eine ideale Basis für
künftige hochspezifische Therapien beim allergischen Asthma und bei Atopie.