Osteoimmunologie â revisited

Forschung
aktuell
Osteoimmunologie – revisited
Neue Einblicke in das Wechselspiel von Immunsystem
und Knochen
S. Jeleazcov1; C. Scherbel1; M. Rauner2
1Medizinische
Klinik 3 – Rheumatologie und Immunologie, Universitätsklinkum Erlangen; 2Medizinische Klinik und
Poliklinik III, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, Dresden
Osteoimmunologie ist ein interdisziplinärer Forschungsbereich, der die Verknüpfungen zwischen den Zellen des Immunsystems und dem Knochen untersucht.
Erste Erkenntnisse über die enge Vernetzung der beiden Systeme wurden vor etwas
über 15 Jahren mit der Entdeckung des
Proteins Receptor Activator of NF-Kappa-B-Ligand (RANKL) gewonnen. Seitdem
hat sich das Forschungsfeld Osteoimmunologie geformt und viele molekulare Effekte
des Immunsystems auf den Knochen
konnten entschlüsselt werden. Einen
großen Beitrag zur Erforschung des Wechselspiels zwischen Entzündungszellen,
Botenstoffen und Knochenzellen und somit zur Pathogenese von Knochenschädigungen aufgrund entzündlicher Prozesse
hat das von der Deutschen Forschungsgesellschaft geförderte Schwerpunktprogramm 1468 IMMUNOBONE in den vergangenen vier Jahren geleistet.
Rund 20 Projektgruppen aus den Fachbereichen Rheumatologie, Immunologie
und Osteologie konnten bereits zur Identifizierung wesentlicher zellulärer Interaktionen beitragen. Den Wissenschaftlern gelang es vor allem, neue Mechanismen zu
beschreiben, die Einfluss auf die Knochenneubildung und Entzündungsreaktion im
Knochen nehmen. Weiterhin konnten
wichtige molekulare Mechanismen der Osteoklastendifferenzierung sowie nukleären
Rezeptoren mit anaboler Wirkung im Knochenstoffwechsel identifiziert werden. Ei-
Korrespondenzadresse
Sandra Jeleazcov, M. A.
Universitätsklinikum Erlangen
Medizinische Klinik 3 – Rheumatologie und
Immunologie
Ulmenweg 18, 91054 Erlangen
E-Mail: [email protected]
nige der innerhalb des IMMUNOBONEVerbunds gewonnenen Erkenntnisse werden im Folgenden dargestellt und könnten
Grundlagen zur Entwicklung innovativer
Therapieansätze für die Behandlung von
rheumatisch entzündlichen Erkrankungen
bilden.
Entdeckung neuer Details
des Wirkmechanismus von
Kortison
Aufgrund der antiinflammatorischen Wirkung von Glukokortikoiden (GC) werden
diese in Form von Kortison oder synthetischen Analoga seit über 60 Jahren, trotz diverser negativer Effekte, erfolgreich zur
Behandlung von Entzündungserkrankungen, insbesondere bei rheumatoider Arthritis (RA), eingesetzt. Mittels zellspezifischer glukokortikoiddefizienter Mäuse
konnte im Modell der antigeninduzierten
Arthritis (AIA) gezeigt werden, dass GCs
über den dimerisierten Glukokortikoidrezeptor (GR) wirken und dabei die Aktivierung des T-Zellen-Subtyps TH17 hemmen.
Im Gegensatz zu den entzündungshemmenden Wirkungen war bei der GC-induzierten Osteoporose die Aktivität des monomeren GR in Osteoblasten für die Knochenformation verantwortlich. Ebenso
konnten innerhalb der molekularbiologischen Untersuchungen neue GR-Monomer-unterdrückte Zielgene identifiziert
werden (z. B. IL-11). Diese sind für die Osteoblastendifferenzierung verantwortlich
und lösen möglicherweise die Nebenwirkungen von GCs wie Kortison aus. Die Ergebnisse haben nicht nur das konventionelle Dogma der therapeutischen GC-Wirkung herausgefordert, sondern sie wurden
auch herangezogen, um neue Kriterien zu
formulieren, die GR-Modulatoren erfüllen
sollten, um innerhalb der antientzündlichen Therapie den Knochen zu schonen
(1) (▶ Abb. 1). Forscher aus dem IMMUNOBONE-Konsortium haben mit Compound A bereits einen knochenschonenden GR-Modulator gefunden, der antiinflammatorisch wirkt, aber trotzdem knochenschonend ist (2, 3).
Die Arbeiten der Gruppe um
Prof. Dr. Jan Tuckermann sowie Dr. Martina Rauner bilden damit eine Grundlage
für die Entwicklung von nebenwirkungsarmen Kortisonmedikamenten, insbesondere von Präparaten, die die Einzelmolekülfunktion des GR berücksichtigen. Diese
Erkenntnisse sind für erfolgreiche Therapien unerlässlich und können Auswirkungen auf die Entwicklung industrieller Forschungskonzepte haben.
Indolamin-2,3-Dioxygenase
wirkt auf die Osteoklastogenese
Erst kürzlich konnte innerhalb des Forschungsverbunds ein Kontrollmechanismus des adaptiven Immunsystems innerhalb der Knochenresorption beschrieben
werden, der bei Biologika wie Abatacept
und Ipilimumab greift. CD80/86, ein Molekülpaar, welches von antigenpräsentierenden Zellen exprimiert wird und für die KoStimulation von T-Zellen verantwortlich
ist, agiert als negativer Regulator für die
Generation von knochenresorbierenden
Osteoklasten. In experimentellen Untersuchungen wurde gezeigt, dass CD80/86-gehemmte Mäuse eine Osteopenie aufgrund
einer gesteigerten Osteoklastendifferenzierung entwickeln. CD80/86-defiziente
Osteoklasten entweichen der physiologi-
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schen Hemmung durch CTLA-4 oder
regulatorischen T-Zellen. Mechanistisch
wird die Einbindung von CD80/86 durch
eine CTLA-4-induzierte Aktivierung des
Enzyms
Indolamin-2,3-Dioxygenase
(IDO) in Osteoklastenvorläuferzellen hervorgerufen, welche Tryptophan mindert
und die Apoptose fördert. Übereinstimmend zeigten IDO-defiziente Mäuse einen
osteopenischen Knochenphänotyp mit
einer erhöhten Anzahl von Osteoklastenvorläufern und reifen Osteoklasten (4). Mit
der Identifizierung dieses molekularen Mechanismus konnte zum einen die knochenschützende Wirkung immunsuppressiver
Basistherapeutika zur Behandlung bei
rheumatoider Arthritis, wie Abatacept,
nachgewiesen werden. Umgekehrt konnte
die Forschergruppe um Prof. Dr. Aline Bozec bei immunaktivierenden Präparaten
gegen Tumorerkrankungen wie Ipilimumab nachweisen, dass sich durch die Hemmung von CTLA-4 die Anzahl der knochenabbauenden Zellen erhöht. Diese Erkenntnis über den molekularen Mechanismus verdeutlicht die wesentliche Rolle des
adaptiven Immunsystems innerhalb der
physiologischen und pathophysiologischen
Regulation des Knochenauf- und -abbaus.
Autoantikörper als
Auslöser für Knochenresorption entziffert
Osteoblast
Mesenchymale Stromalzelle
SEGRA
SEGRA
X
X
IL‐11
COL1a1
RANKL/ OPG
AP‐1
Knochenformation
SEGRA
AP‐1
NFB
TNF, IL‐6, CXCL10
Knochenresorption
MMPs
Entzündung
Abb. 1 Eigenschaften eines knochenfreundlichen Glukokortikoids. Um möglichst knochenschonend
zu wirken, sollten selektive Glukokortikoidrezeptor-Agonisten (SEGRAs) in Osteoblasten nicht mit AP-1
interferieren, da dies zu einer Hemmung der knochenfördernden Wirkung von Interleukin (IL)-11 sowie
von Typ-I-Kollagen (COL1a1) führen würde. Des Weiteren sollte in mesenchymalen Stromalzellen die
receptor activator of nuclear factor κB ligand (RANKL)/Osteoprotegerin (OPG)-Ratio nicht verändert werden. Die Transkriptionsfaktoren nuclear factor κB (NFκB) und activated protein (AP)-1 sollten gehemmt
werden, um die Produktion von Zytokinen und Matrixmetalloproteinasen (MMPs) zu unterbinden; mod.
nach Baschant et al. Nature Reviews Rheumatology 2012.
ACPAs bereits vor Ausbruch einer rheumatoiden Arthritis im Blutserum nachweisbar
sind. Anhand ihrer Konzentration im Blut
kann frühzeitig eine Aussage zur Risikoeinschätzung erfolgen. Über welchen Me-
chanismus ACPAs zur Pathogenese einer
rheumatoiden Arthritis beitragen, konnte
die Erlanger Gruppe ebenfalls aufklären.
Die Ergebnisse zeigen, dass ACPAs Proteinstrukturen auf Osteoklasten erkennen
Osteoklastenvorläufer
Entzündliche Gelenkerkrankungen, wie
RA, gehören zu den Autoimmunerkrankungen, bei denen die Immunantwort zur Schädigung bis hin zur Zerstörung der Gelenke führt. Innerhalb von
unterschiedlichen
Projekten
des
IMMUNOBONE-Konsortiums wurden in
den vergangenen Jahren verschiedene Antikörper als Auslöser für eine Autoimmunerkrankung identifiziert. Die Erlanger Forschergruppe um Prof. Dr. Georg Schett
wies innerhalb der ersten Förderperiode
des Schwerpunktprogramms eine starke
und spezifische Verbindung zwischen Autoantikörpern gegen citrullinierte Proteine
(ACPA) und Serummarker für die osteoklastenvermittelte Knochenresorption bei
Patienten mit rheumatoider Arthritis nach.
Aus klinischen Studien ist bekannt, dass
SEGRA
Osteoblastenvorläufer
 OPG
WNT
PPAR
Osteoblasten
Osteoklast
Osteozyten
 Zunahme der Knochendichte
Abbildung
2
Abb.
2 Aktivierung
von peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)β/δ führt zu einer Zunahme
der Knochendichte. Aktivierung von PPARβ/δ in Osteoblasten führt zu einer Stimulation der Produktion
von Osteoprotegerin (OPG) sowie zu einer Aktivierung des Wnt-Signalwegs. Dies führt zu einer vermehrten Osteoblastendifferenzierung sowie einer gehemmten Osteoklastendifferenzierung und somit zu
einer Steigerung der Knochendichte.
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können und somit die Genese dieser knochenabbauenden Zellen fördern. Die Übertragung von gereinigten humanen Autoantikörpern gegen mutiertes citrulliniertes
Vimentin bindet nicht nur an der Osteoklastenoberfläche, sondern führt ebenso zu
einer
stabilen
Induktion
der
Osteoklastenbildung und damit zum Knochenabbau (5).
Die wissenschaftlichen Ergebnisse eines
Zusammenschlusses aus mehreren Arbeitsgruppen unter Leitung von Prof.
Dr. Falk Nimmerjahn zeigen, dass neben
verschiedenen Zytokinen, insbesondere
dem Tumornekrosefaktors (TNF)-α, auch
dem fragment crystallizable γ receptor
(FcγR) eine wesentliche Rolle in der Stimulation der Osteoklastogenese zukommt.
Die experimentellen Untersuchungen ergaben, dass die Osteoklastogenese direkt
durch Immunglobulin G (IgG) beeinflusst
wird, welches an aktivierte Fcγ-Rezeptoren
auf unreifen Osteoklasten bindet (6). Damit wurde eine neue kritische Rolle von
Autoantikörpern und deren Einfluss auf
die osteoklastenmediierte Knochenresorption bei der rheumatoiden Arthritis identifiziert.
Diese Daten über Faktoren, die sowohl
Entzündung als auch die Knochenentwicklung steuern, verdeutlichen das enge Wech-
selspiel zwischen dem Immunsystem und
dem Knochen.
Lipidoxidation als Schlüssel
zur Entsorgung toter Zellen
In allen Entzündungsprozessen und Erneuerungsmechanismen treffen Immunzellen neben Krankheitserregern auf körpereigene apoptotische Zellen. Wie jedoch
die Zellen des Immunsystems zwischen Erregern und körpereigenen abgestorbenen
Zellen unterscheiden, so dass es nicht zu
einer überschießenden Autoimmunreaktion kommt, war bisher unklar. Innerhalb
des IMMUNOBONE-Konsortiums konnte
ein Enzym in Gewebsmakrophagen namens 12/15-Lipoxygenase (12/15-LO)
identifiziert werden, welches die Aktivierung einer spezialisierten Untergruppe von
Gewebsmakophagen, Ly6C(hi) Monozyten, steuert. Diese Zellen besitzen die Fähigkeit, körpereigene tote Zellen und ihre
Überreste zu entsorgen. Bakterien und Viren hingegen werden gleichzeitig von proinflammatorischen Zellen bekämpft und
beseitigt. In experimentellen Versuchen
führte die Blockade von 12/15-LO zu einer
gestörten Entsorgung apoptotischer Zellen
und endete in einer Autoimmunreaktion.
OVX + GW501516
OVX
Sham
0.5mm
*
3
BV/TV (%)
6
20
1
2
Sham OVX OVX+GW
0
60
40
2
4
0
4
Trabecular thickness per µm
**
Trabecular number per mm
8
Sham OVX OVX+GW
0
Sham OVX OVX+GW
Abb. 3 Aktivierung des nukleären Rezeptors PPARβ/δ schützt vor Osteoporose; ▲ = PPARδflox/+; ▼ =
PPARδSox2-cKO; ◆ = Kontrollgruppe; BV/TV = bone volume per total volume; OVX = ovariektomierte Mäuse; OVX + GW = ovariektomierte Mäuse + PPARβ-spezifischer Agonist GW501516 (GW; 10 mg pro Körpergewicht)
Die Zugabe von durch 12/15-LO-oxidierten Phospholipiden konnte die kontrollierte Beseitigung toter Zellen wiederherstellen
und eine Autoimmunreaktion verhindern
(7). Diese Ergebnisse bekräftigen die enge
Vernetzung zwischen dem Immunsystem
und dem Knochen. Es ist davon auszugehen, dass der beschriebene Mechanismus
in allen Gewebearten im menschlichen
Körper stattfindet. Zudem bildet er einen
neuen Ansatz für die Entwicklung fortschrittlicher Therapien zur Bekämpfung
entzündlicher Erkrankungen.
Der Rezeptor PPARβ/δ als
Vermittler zwischen Osteoblasten und Osteoklasten
Der erhöhte Abbau von Knochenmasse
durch Osteoporose ist eine der häufigsten
Folgen rheumatisch entzündlicher Erkrankungen. Im Mittelpunkt der osteoimmunologischen Forschung standen lange Zeit die
Osteoklasten: Zum einen aufgrund ihrer
Herkunft aus dem Knochenmark, zum
anderen infolge ihrer starken Aktivierung
durch Zytokine (8). Mittlerweile werden
zunehmend Therapien diskutiert, die auf
die Osteoblastenaktivierung zielen und so
zu einem gesteigerten Knochenaufbau
führen.
Einen essenziellen Beitrag zur Entwicklung moderner Behandlungsmethoden zur
Stärkung der Knochenstruktur konnte
kürzlich das IMMUNOBONE-Team von
Dr. Gerhard Krönke liefern. Sie identifizierten den nukleären Rezeptor PPARβ/δ
aus der Gruppe der Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptoren (PPARs), der
sowohl an der Steuerung der Osteolyse als
auch an der Osteogenese beteiligt ist.
PPAR-Rezeptoren agieren als metabolische
Sensoren und zentrale Regulatoren innerhalb der Fett- und Glukose-Homöostase.
Die Gruppe zeigte, dass die Aktivierung
von PPARβ/δ den Wnt-abhängigen Signalweg in Osteoblasten und somit die Osteoblastogenese verstärkt. Infolgedessen
kommt es zu einer erhöhten Ausschüttung
von Osteoprotegrin (OPG) sowie zu einer
Hemmung der osteoblastenvermittelten
Osteoklastendifferenzierung (▶ Abb. 2). In
PPARβ/δ-defizienten Mäusen konnte eine
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aktuell
= Ppard flox/+
Ppard Sox2-cKO
20
Abb. 4
Deletion des nukleären Rezeptors
PPARβ/δ führt zum
Verlust an trabekulärem Knochen; BV/
TV = bone volume per
total volume
15
6
***
4
10
0.5mm
niedrigere β-Catenin-Aktivität im Knochen, eine geringe OPG-Konzentration im
Serum und eine erhöhte Anzahl von Osteoklasten, die zu einer Osteopenie führte,
nachgewiesen werden. In einem Mausmodell der postmenopausalen Osteoporose
war es möglich, durch Fütterung mit dem
PPARβ/δ-spezifischen
Agonisten
GW501516 das Knochenvolumen bei
Mäusen mit manifestierter Osteoporose
auf Ausgangsniveau zu bringen, sowie ein
physiologisches Gleichgewicht zwischen
Osteoblasten und Osteoklasten wiederherzustellen. In der nicht ovariektomierten
Kontrollgruppe blieb die Knochenhomöostase unangetastet (9). Mit der Erkenntnis,
dass PPARβ/δ ein zentraler Spieler innerhalb des Knochenumbaus ist (▶ Abb. 3,
▶ Abb. 4), scheint ein innovativer Ansatz
zur Entwicklung neuer Osteoporosetherapien gefunden zu sein.
RANKL und Insulinresistenz
– ein neuer Spieler bei
Diabetes mellitus Typ 2
Ähnlich wie PPAR-Rezeptoren zu den Akteuren des metabolischen Systems zählen,
scheint auch RANKL einen Einfluss auf
metabolische Vorgänge zu haben. Bekannt
ist, dass RANKL eine entscheidende Rolle
in der Regulation der Knochenhomöostase
spielt. Anhand einer Langzeitstudie konnte
eine internationale Forschergruppe mit Beteiligung von Wissenschaftlern aus dem
IMMUNOBONE-Netzwerk belegen, dass
RANKL zusätzlich auch eine Schlüsselfunktion innerhalb der Entstehung einer
Insulinresistenz zukommt und Stoffwechselvorgänge in der Leber anregt. In epide-
2
5
0
miologischen und experimentellen Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass
RANKL den Transkriptionsfaktor NF-κB
in der Leber stimuliert. Messungen der
RANKL-Konzentration im Blut bei
1000 Probanden aus der Bruneck-Studie
zeigten, dass Personen mit einem hohen
RANKL-Titer ein deutlich erhöhtes Diabetes-mellitus-Typ-2 (T2DM)-Risiko entwickelten. Um die molekularen Mechanismen aufzudecken, die zum Entstehen von
T2DM beitragen, wurde in einem T2DMMausmodell die RANKL-Aktivität in der
Leber gehemmt und so eine Normalisierung des Glukosespiegels erreicht (10). Die
medikamentöse Minderung der RANKLAktivität wird bereits zur Behandlung von
Osteoporose eingesetzt. Ebenso ist bekannt, dass das in der Diabetestherapie
eingesetzte Präparat Metformin die Aktivität von RANKL hemmt. Dieses Wissen in
Ausblick
Die Vielzahl der Ergebnisse zeigt, dass
diverse Verbindungen zwischen dem Immun- und Skelettsystem existieren, die eine
komplexe Kommunikationsstruktur bilden.
Die interdisziplinäre Forschergruppe des
Schwerpunktprogramms 1468 IMMUNOBONE konnte bereits das Wissen über die
Interaktionen der beiden Systeme und ihren
unterschiedlichen Mitspielern erweitern.
Damit ist das Konsortium seinem ursprünglichen Ziel, das Forschungsfeld Osteoimmunologie zu formen, schon heute in weiten
Teilen gerecht geworden. Die hier genannten Erkenntnisse bilden nur einen Ausschnitt aus den 69 aktuell publizierten Ergebnissen.
*
0
Trabecular thickness per µm
= Ppard Sox2-cKO
Trabecular number per mm
Ppard flox/+
BV/TV (%)
223
60
40
20
0
Verbindung mit dem jetzt verstandenen
zellulären Mechanismus könnte die Entwicklung von neuen Behandlungsmethoden zur Prävention und Therapie von Diabetes ermöglichen.
Literatur
1. Baschant U, Frappart L, Rauchhaus U et al. Glucocorticoid therapy of antigen-induced arthritis depends on the dimerized glucocorticoid receptor in
T cells. Proc Natl Acad Sci U S A 2011.
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mineral density in mice. J Bone Miner Res 2012;
27 (11): 2242–2245.
3. Rauner M, Thiele S, Sinningen K et al. Effects of
the selective glucocorticoid receptor modulator
compound A on bone metabolism and inflammation in male mice with collagen-induced arthritis. Endocrinology 2013; 154 (10): 3719–3728.
4. Bozec A, Zaiss MM, Kagwiria R et al. T Cell Costimulation Molecules CD80/86 Inhibit Osteoclast
Differentiation by Inducing the IDO/Tryptophan
Pathway. Sci Transl Med 2014; 6 (235): 235ra60.
5. Harre U, Georgess D, Bang H et al. Induction of
osteoclastogenesis and bone loss by human autoantibodies against citrullinated vimentin. J Clin
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6. Seeling M, Hillenhoff U, David JP et al. Inflammatory monocytes and Fcγ receptor IV on osteoclasts
are critical for bone destruction during inflammatory arthritis in mice. Proc Natl Acad Sci U S A
2013 Jun 10.
7. Uderhardt S, Herrmann M, Oskolkova OV et al.
12/15-Lipoxygenase Orchestrates the Clearance of
Apoptotic Cells and Maintains Immunologic Tolerance. Immunity 2012 Apr 11.
8. Rauner M, Sipos W, Thiele S, Pietschmann P. Advances in osteoimmunology: pathophysiologic
concepts and treatment opportunities. Int Arch
Allergy Immunol 2013; 160 (2): 114–125.
9. Scholtysek C, Fu H, Katzenbeisser J et al. PPARβ
governs Wnt-signaling and bone turnover. Nat
Med 2013 Mar 31.
10. Kiechl S, Wittmann J, Giaccari A et al. Blockade of
receptor activator of nuclear factor-κB (RANKL)
signaling improves hepatic insulin resistance and
prevents development of diabetes mellitus. Nat
Med 2013 Feb 10.
Osteologie 3/2014
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