Mechanismen der körpereigenen Abwehr
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FAM Umbruch 3_09:FAM Umbruch 3_09 6 FA M 09.09.2009 11:47 Uhr Seite 6 INFO Mechanismen der körpereigenen Abwehr Alternative Systeme in Synergie mit Antikörpern und T-Lymphozyten verfasst von J.P. Guggenbichler, Univ.-Klinik für Kinder und Jugendliche, Univ. Erlangen Nürnberg Einleitung Der Körper ist über die Oberflächen der Haut und Schleimhäute ständig einer mikrobiellen Besiedlung mit einer Vielzahl von Mikroorganismen ausgesetzt. Es handelt sich dabei meist um eine Besiedelung mit apathogenen oder fakultativ pathogenen Mikroorganismen wie Bakterien, Pilzen oder Viren. Die Keimzahlen von Bakterien auf Epitheloberflächen, die bei quantitativen Kulturen z.B. der Nasenschleimhaut von Gesunden ermittelt wurden, liegen im Bereich von 105 - 107 CFU/cm2. Bei Betrachtung der Epithelzellen finden sich nur 1 bis maximal 2 Mikroorganismen/Epithelzelle dieser „normalen Flora“. Es ist insofern bemerkenswert, dass Mikroorganismen auf Schleimhäuten z.B. des Respirationstraktes trotz optimaler Wachstumbedingungen (Feuchtigkeit, Elektrolyte, Glukose, Eiweiß, Wärme) nahezu konstant bleiben. Das Immunsystem ist gefordert pathogene und fakultativ pathogene Mikroorganismen zu erkennen und zu eliminieren jedoch apathogene Kommensalen zu tolerieren. Für viele Jahre hat man sich ausschließlich auf die Erforschung der adaptiven Immunität konzentriert, die eine wichtige Rolle in der Prävention vieler Infektionen spielt. Das adaptive Immunsystem ist jedoch in der Evolution eine vergleichsweise junge Strategie, die bei höher entwickelten Vertebraten besonders gut ausgebildet ist. Die entscheidende Eigenschaft der adaptiven Immunität ist der „Memory Effekt“, der jedoch gegen die Erstbesiedelung von Schleimhäuten mit einem Mikroorganismus nicht wirksam ist. Die adaptive Immunität ist jedoch keineswegs der einzige Abwehrmechanismus. Haut und Schleimhäute wirken primär als physikalische Barriere und Infektionen werden durch eine undurchdringliche Schicht aus Lipiden, Hornschuppen und Schleim, durch die mechanische Reinigungsfunktion wie die mukoziliäre Clearance, Zilienbewegung, Sekretfluss und korrekte Belüftung der Mucinschicht (Epithelial linig fluid = ELF) abgewehrt. Die vergleichsweise geringe Keimbesiedelung von Epithelzellen verwundert insbesondere im Lichte der Erkenntnis, dass dieselben Mikroorganismen unter optimalen Wachstumsbedingungen ihre Anzahl in jeweils 12 bis 20 Minuten verdoppeln können. Diese Beobachtung ließ den Schluss zu, dass eine Kontrolle der Besiedelung von Schleimhautoberflächen bestehen muss und ließ vermuten, dass die Haut und andere Körperoberflächen mit Kontakt zur Umwelt neben der physikalischen Barriere auch ein chemisches Abwehrsystem besitzen, das die Besiedlung durch Mikroorganismen sowohl qualitativ als auch quantitativ kontrolliert. [1] Pathogenese von Infektionen, Adhärenz als Virulenzfaktor von Mikroorganismen Die Entstehung einer bakteriellen oder viralen Infektion ist ein komplexes Geschehen das von unterschiedlichen Faktoren sowohl auf Seiten des Erregers als auch auf der des Wirtes abhängt. Bisher wurde die Virulenz pathogener Mikroorganismen weitgehend auf die Bildung von Toxinen reduziert, die zum Zelltod oder zu schweren Störungen von Körperfunktionen Anlass geben. Nur Mikroorganismen, die an Epithelzellen adhärieren entwickeln die Fähigkeit zur lokalen Proliferation und können Toxine direkt an den Rezeptor heranbringen. Über Signalproteine kommt es zur proteolytischen Auflösung der angrenzenden Schleimhaut oder durch Freisetzung von Toxinen zu einer lokalen oder systemischen Entzündung. Die Adhärenz von Mikroorganismen wird heute als der erste Schritt für eine Infektion betrachtet und als gleichwertiger Virulenzfaktor wie die Bildung von Toxinen oder die Gewebezerstörung durch bakterielle Enzyme gewertet. [2, 3] Im Tiermodell konnte gezeigt werden, dass toxinbildende Mikroorganismen (ETEC) nur in Kombination mit dem Kolonisationsfaktor zu einer Erkrankung führen. Abbildung 1: Enterohämorrhagische E. coli (EHEC) O 157 H7 adhärieren an der Schleimhaut und lösen die Mikrovillusstruktur auf. Eine wesentliche Aufgabe der körpereigenen Abwehr besteht darin, die Besiedelung von Epithelzellen durch pathogene oder faktultativ pathogene Mikroorganismen zu verhindern. Dafür besitzt der Körper eine Vielzahl von Möglichkeiten. Mechanismen, die die Besiedelung von Schleimhäuten kontrollieren Mukoziliäre Clearance Ein wesentlicher Mechanismus zur Elimination pathogener Mikroorganismen von Schleimhäuten besteht in der mechani- FAM Umbruch 3_09:FAM Umbruch 3_09 09.09.2009 11:48 Uhr Seite 9 FA M schen Reinigung von Epitheloberflächen z.B. durch die mukoziliäre Clearance, Zilientätigkeit, Peristaltik, Sekretfluss etc.. Die ELF ist aus einer direkt auf den Epithelzellen liegenden Mucoinschicht, die sich aus einer auf den Epithelzellen liegenden Sol-Schicht und einer darüberliegenden Gel-Schicht zusammengesetzt. In der SolSchicht schlagen die Zilien wobei der korrekten Viskosität der Schleimschicht auf den Epithelzellen entscheidende Bedeutung zukommt. In der Gel-Schicht werden bakterielle und virale Mikroorganismen aber auch Antigene (Allergene) gefangen und mechanisch abtransportiert. Diese Faktoren werden als unspezifische Abwehr subsummiert. [4] Stabile normale Flora Ein vielfach unterschätzter Mechanismus der körpereigenen Abwehr ist eine stabile körpereigene Flora. Die normale Flora verhindert die Besiedelung mit obligat pathogenen Mikroorganismen. Eine Destabilisierung der normalen Flora durch Antibiotika ermöglicht es bereits einem kleinen Inokulum von pathogenen Mikroorganismen, die Schleimhäute zu besiedeln. [5] Hemmung der Adhärenz bzw. Proliferation/Toxinbildung von Mikroorganismen an Epitheloberflächen Ein wesentlicher Virulenzfaktor pathogener Mikroorganismen ist die Adhärenz an Epithelzellen. In zahlreichen Untersuchungen wurde beobachtet, dass nur Mikroorganismen, die gleichzeitig mit der Bildung von Toxinen auch die Schleimhäute besiedeln, zu einer Erkrankung führen. Die Blockierung der Adhärenz kann sowohl durch Sekretions Ig A als auch Rezeptor analoge Kohlenhydrate erfolgen. Sekretions Ig A Das Sekretions Ig A wird von speziell dafür ausgestatteten B Zellen, die in der Peyerschen Plaques gebildet werden und als Mukosa assoziiertes lymphatisches Gewebe (MALT) in die Schleimhäute des oberen (NALT) sowie des unteren Respirationstraktes (BALT), den Darm (GALT) und den Urogenitaltrakt sowie in die Muttermilch auswandern, gebildet. Die Aufgabe des Sekretions Ig A, das nicht zur Aktivierung der Komplementkaskade imstande ist, besteht in erster Linie in der Blockierung der Anlagerung von Mikroorganismen an Schleimhäute. Im Sekretions Ig A finden sich daher vorwiegend Antikörper gegen Oberflächenstrukturen von Mikroorganismen im Gegensatz zum Serum Ig A, das gegen interne Keimbestandteile einschließlich Toxine gerichtet ist. [6, 7] Rezeptor Analoge Kohlenhydrate Mikroorganismen haften an speziellen Kohlehydratstrukturen von Epithelzellen. Diese Strukturen wurden bei der Majorität pathogener Mikroorganismen als Glykolipide mit einem Kohlenhydratanteil von einem Molekül Glukose und 3 Molekülen Galaktose, die 1 – 3 und 1 – 4 glykosidisch verknüpft sind, identifiziert. [8] Teile dieses Liganden d.h. wasserlösliche Di- und Trimere, 1 – 4 glykosidisch verknüpfter Galaktosemoleküle befinden sich in der ELF und blockieren als Rezeptor – analoge Strukturen die Adhärenz zahlreicher Keime. [9 ] In der Muttermilch sind Oligosaccharide mit ähnlicher Struktur enthalten, die die Adhärenz blockieren. Auch in verschiedenen pflanzlichen Extrakten wie in der Moroschen Karottensuppe und im Preiselbeer/Heidelbeerpressaft sind diese Kohlenhydratstrukturen mit antiadhärenter Wirkung enthalten. Antimikrobielle Substanzen in der ELF Es ist bekannt, das sich auch chemische Stoffe in der Schleimschicht befinden, die die Besiedelung von Epithelzellen verhindern. Es sind dies z.B. kurzkettige freie Fettsäuren, die eine saure, keimabtötende Oberfläche generieren. Ein Beispiel ist der Fettsäuremantel der Haut, der die Besiedelbarkeit der Haut steuert. Freie Eisenmoleküle sind für pathogene Mikroorganismen ein Wachstumsfaktor (z.B. Haemophilus influenzae) und für die Toxinbildung notwendig. Siderophore in der Schleimschicht, die überschüssiges Eisen speichern, hemmen die Keimproliferation und Toxinbildung und sind dadurch ebenso als Abwehrmechanismus zu betrachten. [10] INFO Antimikrobielle Peptide Als Fleming 1922 die ersten, humanen antimikrobiellen Peptide (AP) in der Mucinschicht bzw. in Sekreten wie Speichel entdeckte, dürfte ihm aufgrund der für ihn viel bedeutenderen Entdeckung des Penicillins, die Bedeutung dieses „Nebenbefundes“ nicht bewusst gewesen sein. [11] Er nannte diese antimikrobielle Struktur Lysozym ohne dass es zu einer Strukturabklärung gekommen war. Vergleichbare epitheliale Abwehrsysteme wurden vor Jahren bereits bei Tieren und später auch bei Pflanzen beschrieben. Zasloff untersuchte 1987 die Resistenz der Froschhaut gegen Infektionen und isolierte Proteine mit 23 – 28 Aminosäuren mit Wirksamkeit gegen ein breites Spektrum gramnegativer und grampositiver Mikroorganismen, Pilze und Protozoen. [15] Diamond et al. isolierten 1991 das tracheale antimikrobielle Peptid (TAP) aus der Lunge von Rindern, Schonwetter et al. beschrieben 1995 das linguale antimikrobielle Peptid in der bovinen Zunge (LAP). [16, 17, 18] Beide bovinen antimikrobiellen Peptide sind epithelialen Ursprungs und sind durch Mikroorganismen und proinflammatorische Zytokine induzierbar. Sie haben strukturelle Ähnlichkeit mit den beim Menschen gefundenen antimikrobiellen Peptiden. Die humane mukosale Abwehr In den letzten Jahren wurde die molekulare Struktur dieser Komponenten für die Mukosaassoziierte Abwehr beim Menschen aufgeklärt, die einen völlig neuen Einblick in die initiale Abwehr von Infektionen geben. Sie beruht auf der Bildung von genkodierten, antimikrobiellen Peptiden (AP) durch Epithelzellen. AP, auch Defensine genannt, besitzen ein breites bakterizides Wirkspektrum gegen gram-positive, gram-negative Mikroorganismen, Viren und C. albicans. [12, 13, 14] Defensine können als körpereigene Antibiotika mit einem breiten Wirkspektrum bezeichnet werden, wobei das Risiko einer Resistenzentwicklung als sehr gering zu betrachten ist. Früh- und Neugeborene besitzen bereits Abwehrmechanismen gegen bakterielle und virale Mikroorganismen, bevor die 9 FAM Umbruch 3_09:FAM Umbruch 3_09 10 FA M 09.09.2009 11:48 Uhr Seite 10 INFO spezifische, stimulierbare/adaptive humorale und zelluläre Abwehr wirksam wird. Dieselben Mechanismen spielen natürlich auch in der Infektabwehr von Säuglingen und älteren Kindern sowie bei Patienten, bei denen die spezifische Abwehr durch Medikamente oder die Grundkrankheit geschwächt ist, eine wesentliche Rolle. Dies wird als angeborene körpereigene Abwehr oder Mucosaimmunität bezeichnet. [19] Die Strukturen in der Zellwand von pathogenen Mikroorganismen sind meist membrangebundene Kohlenhydratstrukturen aber auch zytoplasmatische Überwachungsproteinene die „Nucleotid-bindende oligomerisation Domäne” (Nod), Nod1 und Nod2. Beide Überwachungsstrukturen werden als „pathogen associated molecular patterns“ (PAMPs) bezeichnet. Diese werden von Pattern Recognition Rezeptoren (PRRs) an Epithelzellen erkannt und stimulieren die Bildung von antimikrobiellen Peptiden. Auch Lipopolysaccharide, Lipoproteine, Peptidoglykane sowie die CpG Oligonukleotid - Sequenzen bakterieller und viraler DNA stimulieren die Bildung von antimikrobiellen Peptiden. Unterschiede im Aufbau von bakterieller und viraler DNA (so genannte CpG Motife) im Vergleich zur menschlichen DNA ermöglichen dem Immunsystem diese potentiellen Krankheitserreger auf Grund ihrer DNA Struktur zu erkennen und eine entsprechende Abwehrantwort zu initiieren. [20, 21] Diese PRRs auf Epithelzellen und Makrophagen werden auch TOLL und TOLL-likeRezeptoren (TLR) bezeichnet und erkennen eben diese Kohlenhydratmuster von pathogenen Mikroorganismen. Mindestens 11 TOLL-like-Rezeptoren sind bisher bekannt. Zahlreiche verschiedene Strukturen von Defensinen wurden in der Zwischenzeit beschrieben. Einige dieser antimikrobiellen Peptide – die alpha Defensine – werden ständig in gleich bleibenden Mengen, andere wiederum – die ß Defensine – in erster Linie nach Kontakt pathogener Mikroorganismen mit der Epithelzelle gebildet. Dadurch wird die Entzündungskaskade und in der weiteren Folge die Abwehrmechanismen initiiert. [22, 23, 24, 25] Für die Klinik bedeutet dies, dass durch alpha Defensine eine Grundimmunität vermittelt wird, die die Besiedelbarkeit von Epithelzellen steuert und durch ß Defensine die Abwehr gegen pathogene Mikroorganismen hochgefahren wird. [26] Wirkungsmechanismen von antimikrobiellen Peptiden: Diese durch Kontakt mit pathogenen Mikroorganismen stimulierbaren antimikrobiellen Peptide, ß Defensine genannt, sind cysteinreiche, kationische Substanzen d.h. Peptide mit 11 - 48 Aminosäuren mit einem hohen Anteil an basischen Aminosäuren wie Lysin oder Arginin. Die Amphiphilität scheint die wichtigste Eigenschaft zur Membraneinstülpung und Porenbildung zu sein. Menschliche Defensine sind dimerbildend. Trotz vieler Gemeinsamkeiten weisen antimikrobielle Peptide deutliche Unterschiede in der dreidimensionalen Struktur auf. Hall und Mitarbeiter zeigten am Beispiel des HNP-3-Dimers, dass die räumliche Struktur wie ein Korb aufgebaut ist mit einem hydrophoben Boden, den ß Hairpins entsprechend und dem hydrophilen Gewölbe, das den C und N terminalen Enden entspricht. Andere Peptide weisen eine Faltblattstruktur auf. [27, 28, 29] Der Hauptangriffspunkt sowohl der alpha als auch der ß Defensine ist die Zytoplasmamembran von Mikroorganismen. Diese kationischen Proteinmoleküle bestehen aus 38 - 41 Aminosäuren und besitzen ein Molekulargewicht von ca. 5000 kD. Elektronenmikroskopische Aufnahmen lassen darauf schließen, dass die antimikrobielle Wirksamkeit auf einer Perforation der Zellwand pathogener Mikroorganismen beruht. ß Defensin I wird vorwiegend im Urogenitaltrakt gebildet und besitzt eine Wirksamkeit gegen gramnegative Mikroorganismen, ß Defensin II wird in den Epithelzellen der oberen Luftwege gebildet und ist ebenfalls gegen gramnegative Erreger und Pilze wirksam, das ß Defensin III wirkt gegen S. aureus und Enterokokken unabhängig von deren Resistenz gegen Antibiotika. [30] Abbildung 1: Strukturen, die die Bildung von ß Defensin stimulieren. Untersuchungen von Schröder zeigen auch, dass einerseits bestimmte antimikrobielle Peptide gegen ein unterschiedliches Keimspektrum wirken anderseits z.B. in Respira- FAM Umbruch 3_09:FAM Umbruch 3_09 09.09.2009 11:48 Uhr Seite 11 FA M INFO tionstrakt andere Defensine gebildet werden als im Gastrointestinaltrakt und im Urogenitaltrakt. HBD2 wirkt z.B. außerordentlich gut gegen gramnegative Darmbakterien, Pseudomonas aeruginosa und Candida albicans, vermag aber grampositive Mikroorganismen nicht abzutöten. Dies lässt den Schluss zu, dass Epithelzellen des Menschen eine lokale erregerspezifische Induktion Erreger-selektiver Peptidantibiotika aufweisen können ohne dass das adaptive Immunsystem mit Leukozyten und Makrophagen als Effektorzellen beteiligt zu sein scheint. [34] Abbildung 2: Antimikrobielle Peptide arrangieren sich in der Zellwand von Mikroorganismen, indem sie die Phospholipid Schicht der bakteriellen Zellwand einstülpen, wodurch Poren in der Zellwand entstehen durch die das Zytoplasma austritt. Dies bedingt den Tod des Keimes. [30, 31] Abbildung 3: Eradikation von S. aureus durch ß Defensin nach 30 Minuten Einwirkzeit (S. Maune unpubl. Beobachtung 2007 [32] Zugabe von ß Defensin 0 Minuten/45 Minuten Abbildung 4: Elektronenoptische Darstellung von P. aeruginosa vor und nach Zugabe eines Überstandes aus 105 Uroepithelien + 5 x 105 P. aeruginosa, 90 Minuten: Eradikation eines multiresistenten Stammes von Pseudomonas aeruginosa innerhalb von 45 Minuten. Interaktion mit der adaptiven Abwehr Die Mukosaimmunität ist nicht als einzelnes, von der adaptiven Immunität losgelöstes Abwehrsystem zu betrachten, sondern steht in intensiver Interaktion mit dendritischen Zellen der Haut und Schleimhäute, die vor allem zur Antigenerkennung eine wesentliche Rolle spielen, den Makrophagen und der Entzündungsreaktion in Form proinflammatorischer Zytokine (Leukotriene, Prostaglandine, TNF alpha, IL 1, 6, 8 etc.). [35] Untersuchungen zeigen, dass die Erkennung von Peptidoglykanen durch das angeborene Immunsystem mittels Nod1 den Schlüssel für die Aktivierung einer antigenspezifischer T Zell Immunität darstellt. In der weiteren Folge kommt es zu einer Immunantwort durch Bildung von Antikörpern. In Verbindung mit der TLR Stimulation konnte ein Nod1 als Trigger einer Instruktion des Immunsystems für eine Stimulation des Th1, Th2 und des Th17 Immunantwort identifiziert werden. Nod1 Stimulation allein stellt eine Antigen spezifische Immunantwort mit einem Th2 Profil dar. Immunzellen außerhalb des hämatopoetischen Systems sind für die ersten Signale, die für eine orchestrierte Entwicklung der Nod1-abhängigen Immunantwort notwendig sind, verantwortlich. [36] Diese Untersuchungsergebnisse weisen auf die wesentliche Bedeutung von Nod1 als Schlüssel hin, über die die angeborene Abwehr im lokalen Mikromilieu die adaptive Immunität anstößt. 11 FAM Umbruch 3_09:FAM Umbruch 3_09 12 FA M 09.09.2009 11:48 Uhr Seite 12 INFO Die Stufen der körpereigenen Abwehr bestehen in 1. Erkennen pathogener Strukturen von Mikroorganismen durch die TOLL und TOLL like Rezeptoren (PRR). Hierbei erfolgt auch die Diskriminierung zwischen der normalen Flora und pathogenen Mikroorganismen. 2. Induktion der Bildung von proinflammatorischen Zytokinen. Direkt über TOLLRezeptoren oder über Vermittlung proinflammatorischer Zytokine erfolgt die 3. Induktion von antimikrobiellen Peptiden und Keimabwehr an der Oberfläche. Gleichzeitig kommt es zur 4. Antigen-Präsentation durch Dendritische Zellen der Mukosa und der Haut; dies induziert die 5. Induktion der adaptativen erworbenen Immunität mit Stimulation von B und T Lymphotzyen sowie die Antikörperbildung. Krankheitsbilder, die mit einer Störung der Mukosaimmunität einhergehen Durch ein Zusammenspiel der verschiedenen Abwehrmechanismen wird eine konzertierte, umfassende und nachhaltige Keimabwehr möglich, die jedoch auf verschiedenen Ebenen zu funktionellen Störungen Anlass geben kann. Die Mucosaimmunität, d.h. die Bildung von ß Defensinen, kann sowohl bezüglich Konzentration als auch dem Zeitpunkt der Bildung bei Säuglingen, Klein- und Schulkindern mit rezidivierenden Infekten gestört sein. Dies bedeutet, dass bei diesen Patienten Schleimhäute leichter und mit höheren Keimzahlen durch bakterielle Mikroorganismen besiedelt werden bzw. Keime, die an Epithelzellen haften, nicht eliminiert werden können. • Patienten verzögert auf die bakterielle Besiedelung von Epithelzellen mit der Bildung von ß Defensin reagieren und dadurch einer kleinen Inokulummenge Zeit geben zu proliferieren, wodurch das System überfordert ist, da ß Defensine nur gegen eine kleine Inokulummenge wirksam sind. • Untersuchungen haben auch gezeigt, dass ß Defensin durch einen erhöhten Elektrolytgehalt, wie er z.B. bei der Mucoviscidose besteht, inaktiviert wird. • Ein besonderes Problem bietet die verminderte Bildung von antimikrobiellen Peptiden durch geschädigte Epithelzellen wie sie z.B. im Rahmen einer chronischen Rhinitis besteht. Von Interesse und noch nicht geklärt ist, welcher Defekt zuerst kommt: ist eine verminderte Bildung von ß Defensin die Ursache für die chronische entzündliche Schleimhautveränderung oder die Folge. Chronische polypöse Sinusitis Ein besonders schwierig zu behandelndes Krankheitsbild sind rezidivierende Infekte der Nasennebenhöhlen. Dabei gestaltet sich vor allem die Verhinderung von Rezidiven unbefriedigend und hat zu zahlreichen unterschiedlichen chirurgischen und medikamentösen Maßnahmen geführt. Bei der Abklärung rezidivierender Sinusitiden stehen anatomische und funktionelle Störungen, die die Drainage des Sekrets aus den Nasennebenhöhlen stören, im Vordergrund. Es handelt sich dabei z.B. um eine Hyperplasie der Adenoide, einen zu langen Prozessus uncinnatus, eine Deviation der Nasenscheidewand bzw. das zähe Sekret bei Mukoviscidose oder Störungen der Zilienmotilität. Untersuchungen von Maune konnten zeigen, dass ein wesentlicher Faktor für rezidivierende bakterielle Infektionen der Nassennebenhöhlen auf einer Verminderung der ß Defensinbildung beruht. [37] Rezidivierende Infekte der Luftwege bei Kindern Die Evaluierung von häufig kranken Kindern mit Infektionen der Luftwege an der Univ. Erlangen in den Jahren 1995 bis 2005 ergab Defekte der adaptiven Immunität d.h. ein Antikörpermangel Syndrom einschließlich der Patienten mit einem selektiven Ig A Mangel und IgG 2 und 4 Subklassendefekt, Granulozytendefekte, T Zell Defekte wurden in weniger als 2 % der Patienten als Ursache rezidivierender Infekte identifiziert. In einer Pilot-Untersuchungsreihe zwischen 2002 und 2006 wurden Patienten mit rezidivierenden Infekten, bei denen keine anatomischen und funktionellen Störungen be- Möglichkeiten einer Störung bestehen insofern, als: • Patienten mit rezidivierenden Infekten kaum oder im Vergleich zu gesunden Vergleichspersonen zu wenig ß Defensin bilden oder eine bestimmte ß Defensinklasse nicht bilden. • Patienten nach Kontakt mit bestimmten Mikroorganismen (z.B. P. aeruginosa) kein ß Defensin bilden. Abbildung 5: Genexpression bei chronisch polypöser Sinusitis: Verminderte ß Defensinbildung (S. Maune) FAM Umbruch 3_09:FAM Umbruch 3_09 09.09.2009 11:48 Uhr Seite 13 FA M standen und deren akute Erstinfekte adäquat behandelt wurde auf mögliche Defekte der Mukosa – Immunität untersucht. [38] Besonderer Wert wurde neben einer sorgfältigen Anamnese und physikalischen Untersuchung auf vorangegangene Behandlungen (Antibiotikum, Dosierung, Dosierungsintervalle, Therapiedauer, unterstützende Therapie) gelegt. An laborchemischen Untersuchungen wurden die Entzündungsparameter sowie die Untersuchung der spezifischen adaptiven körpereigenen Abwehr einschließlich Ig E, RAST. Weiters wurde die unspezifische Abwehr beurteilt sowie nach anatomischen und funktionellen Defekten gefahndet. Insgesamt 45 dieser Patienten, bei denen • eine adäquate Behandlung des Erstinfektes durchgeführt wurde, • keine anatomischen (Adenoide, Deviation der Nasenscheidewand, Lippen- KieferGaumenspalte) und funktionellen Störungen vorlagen, • keine Allergie diagnostiziert wurde und eine • normale humorale und zelluläre Immunität vorlag, wurden in die Evaluierung eingeschlossen. Der Abstrich von Wangenschleimhautepithelien und die Bestimmung der Mukosaimmunität erfolgte bei der Erstuntersuchung, nach 3 bis 6 Monaten und nach 1 Jahr. Insgesamt wurde bei 53 Patienten mit den oben genannten Einschlusskriterien eine initiale Bestimmung der Mukosaimmunität durchgeführt. Von diesen Patienten zeigten 43 Patienten initial eine ß Defensinkonzentration von < 50 % einer Kontrollperson. < 10% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Patienten* 20 – 29% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Patienten 30 – 39% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Patienten 40 – 49% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Patienten * 1 Patient mit einer schweren carnifizierenden Pneumonie zeigte einen selektiven Ig A Mangel und einen Ig G 2 und 4 Subklassendefekt, der durch Dauersubstitution mit Gammaglobulinen behandelt wurde. Die Diagnosen bei diesen Patienten bestanden in • Rezidivierende Sinusitis 16 Patienten • Rezidivierende Pneumonie/Bronchitis 6 Patienten • Rezidivierende Otitis media 11 Patienten • Mucokutane Candidiasis: 2 Patienten (Geschwister) • Rezidivierende Harnwegsinfektionen 4 Patient • Rezidivierende Durchfallerkrankungen 3 Patient • Rezidivierende Hautgranulome durch P. aeruginosa 1 Patient Rezidivierende Infekte bei Trisomie 21 In einer gesonderten Untersuchung wurden 8 Patienten mit Trisomie 21 und rezidivierenden Infekten der Luftwege (chronische bakterielle Rhinitis, Sinusitis, Otitis media) eingeschlossen. Alle Patienten zeigten rezidivierende Infekte der oberen Luftwege sowie eine Hyperplasie der Adenoide. Bei allen Patienten mit Trisomie 21 wurde eine ß Defensin Bildung zwischen 20 – 29 % der Werte von gesunden Vergleichspersonen ohne rezidivierende Infekte beobachtet. Therapeutische - Präventive Untersuchungen bei dieser Patientengruppe Natürliche, aber auch synthetische Oligonukleotide – z.B. in Bakterienlysaten – enthalten alle Strukturen, die die ß Defensinbildung umfassend stimulieren. Sie stellen einerseits ein überaus potentes Adjuvans dar, anderseits stimulieren sie über diese verschiedenen TLR-Strukturen die Bildung proinflammatorischer Zytokine. [21,22, 23, 24] Es war von Interesse, ob Bakterienlysate eine Stimulation der ß Defensinbildung bewirken können. 39 Patienten mit einer Bildung von ß Defensin < 50 % im Vergleich zu „matched pairs“ wurden mit Bakterienlysaten 1 Kapsel täglich über 30 Tage behandelt, 4 Patienten erhielten keine Prophylaxe. Bei 34 Patienten konnte die ß Defensinbildung von < 50% auf zwischen 60 und 100 % der INFO Kontrollperson gesteigert und mit einer wesentlichen Abnahme der Häufigkeit und Schwere der Infektionen korreliert werden. Bei 5 Patienten konnte keine Änderung des Befundes erreicht werden. Rezidiviernde Harnwegsinfektionen bei normaler Urodynamik Bemerkenswert erscheint, dass 90 % aller Mädchen bis zum 14. Lebensjahr nie an einer Harnwegsinfektion erkranken, von den 10 %, mit einer ersten Harnwegsinfektion ca. 66 % eine Neigung zu rezidivierenden Harnwegsinfektionen aufweisen. Neben einer inkompletten restharnfreien Miktion durch Fehlbildungen der ableitenden Harnwege, meist eines Refluxes unterschiedlichen Grades ist eine vermehrte Besiedelbarkeit entweder durch eine verminderte Mukosaimmunität oder eine gesteigerte Rezeptordichte für E. coli an Uroepitelien verantwortlich. Bei Untersuchungen von Patienten mit rezidivierenden Harnwegsinfektionen und normaler Urodynamik konnte beobachtet werden, dass eine 5- bis 8-fach höhere Adhärenz von Mikroorganismen an Uroepithelien des Morgenharns (29 ± 5 versus 5 ± 2 Mikroorganismen pro Epithelzelle) zu beobachten war als bei Patienten ohne häufige Rezidive. Eine vermehrte Besiedelbarkeit von Uroepithelien wurde auch bei Patienten, die wegen eines Refluxes eine Antibiotika Dauerpropylaxe erhielten und zu rezidivierenden Infektionen mit multiresistenten Stämmen, die durch die Verabreichung des Antibiotikums in der Stuhlflora selektioniert werden, neigen. Im Gegensatz dazu zeigten Patienten mit Reflux ohne häufige Durchbruchsinfektionen keine vermehrte Besiedelbarkeit von Uroepithelien. [39] Mannhardt-Laackmann konnte zeigen, dass bei einem Kollektiv von Patienten mit rezidivierenden Harnwegsinfektionen ohne funktionelle urodynamische Besonderheiten vor allem eine mangelhafte ß Defensinbildung als Ursache in Frage kommt. Die Untersuchung erfolgte nach der oben beschriebenen Methode. [40] 13 FAM Umbruch 3_09:FAM Umbruch 3_09 14 FA M 09.09.2009 11:48 Uhr Seite 14 INFO wie Mesalazin zeigt, unterstützen diese Annahme.[46] Paradontitis Die Ätiologie der Paradontitis steht ebenso vor der Klärung. Auch hier besteht eine verminderte Aktivität der Mukosa-Immunität, die eine Besiedelung der Gingivaschleimhaut mit verschiedenen Mikroorganismen begünstigt. Bei der akuten Paradontitis wurde die Rolle der dendritischen Zellen der Mukosa in der Antigenerkennung untersucht und Defekte der Stimulation von antimikrobiellen Peptiden in der Schleimhaut beschrieben. [47, 48] Neue Medikamente Abbildung 9: Antimikrobielle Aktivität von Uroepithelien des Morgenharns nach Stimulation mit E. coli. Habilitationsschrift W. Mannhardt-Laakmann, Mainz 2002 Ob die vermehrte Besiedelbarkeit von Uroepithelien des Morgenharns durch eine Erhöhung der Rezeptordichte oder die verminderte Mukosaimmunität dafür verantwortlich ist, wird gegenwärtig noch diskutiert. Morbus Crohn Eine Vielzahl von Theorien wie Diät, Infektionen, unidentifizierte Umweltfaktoren und eine Immundysregulation auf der Basis einer genetischen Prädisposition des Patienten werden gegenwärtig als Ursache von Morbus Crohn diskutiert: Eine weitere von vielen akzeptiertne Theorien beschreibt den Morbus Crohn als eine dysregululatorische Immunantwort auf eine weitgehend harmlose Darmflora. [41, 42] Die gegenwärtig attraktivste Erklärung zur Pathogenese ist eine gestörte mikrobielle Abwehr durch ß Defensine, die von PanethZellen und intestinalen Epithelzellen gebildet werden. Verschiedene direkte und indirekte Mechanismen führen zum Zusammenbruch der antimikrobiellen Barrierefunktion. [43, 44] Untersuchungen weisen darauf hin, dass entzündliche Darmerkrankungen auf einer Mutation des intrazellulären Pathogen Recognition Receptor (PRR = TOLL/TOLLlike-Rezeptors) für die „Nucleotide-binding oligomerization domain 2“ (NOD2) beruht. Periphere Blutleukozyten von Patienten, homozygot für die 3020insC NOD2 Mutation zeigten eine um 70 % verminderten Zytokin Antwort nach Stimulation mit M. paratuberculosis. Diese Daten könnten aber auch erklären, dass bei der Erkennung von M. paratuberculosis durch die angeborene Abwehr/Mukosaimmunität genetisch codierte Veränderungen des TLR2, TLR4, und NOD2 betroffen sind. [45] Diese Ergebnisse können eine gemeinsame Plattform für die verschiedenen Theorien ermöglichen: Auf Grund der genetischen Mutation ist die Antigen-Erkennung und Abwehr von Mycobacterium avium subsp. Paratuberculosis durch TOLL-Rezeptoren nicht gegeben. Die verminderte Aktivität der Mukosaimmunität erlaubt zudem Mikroorganismen der normalen Darmflora in die Schleimhaut einzudringen und eine chronische Entzündungsreaktion herbeizuführen. Hinweise, dass durch ein Coli-Biogen den Stamm Nissle 1917 (Mutaflor®), die ß Defensinbildung stimuliert wird und dieses Präparat eine ähnlich gute Wirksamkeit In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, Medikamente zu entwickeln, die auf diesen neuen Erkenntnissen der Mukosaimmunität basieren. Präparate, die die von Fröschen gebildeten Porine zur Behandlung von Hautinfektionen verwenden, wurden bereits erfolgreich klinisch getestet. Andere Substanzen auf der Basis der Stimulation der Mukosaimmunität mit lokaler antimikrobieller Wirksamkeit gegen bakterielle Hautaffektionen, als antineoplastische Medikamente, gegen Allergien sind in Phase I, II und III klinischer Evaluierung. [49] Diskussion Die Oberflächen höherer Organismen sind normalerweise mit zahlreichen Mikroorganismen übersät, es kommt aber nur selten zu Infektionen. Bisher galt, dass Haut und Schleimhäute primär als physikalische Barriere wirken und Infektionen durch eine undurchdringliche Schicht aus Lipiden, Hornschuppen und Schleim, durch die Zilienbewegung und durch eine mechanische Klärfunktion abgewehrt werden. Das Wachstum der Mikroorganismen bleibt trotz optimaler Wachstumsbedingungen (Anwesenheit von Feuchtigkeit, Salzen, Aminosäuren, Wärme) in ihrer Zahl in bestimmten Körperregionen nahezu konstant. Diese Beobachtung ließ vermuten, dass die FAM Umbruch 3_09:FAM Umbruch 3_09 16 FA M 09.09.2009 11:48 Uhr Seite 16 INFO Haut und andere Körperoberflächen mit Kontakt zur Umwelt neben der physikalischen Barriere auch ein chemisches Abwehrsystem besitzen, das die Besiedlung durch Mikroorganismen sowohl qualitativ als auch quantitativ kontrolliert. [50] Dies wurde insbesondere durch die Bildung genetisch kodierter antimikrobieller Substanzen, die von Epithelzellen von Pflanzen, Wirbellosen- und Wirbeltieren einschließlich des Menschen auf Haut und Schleimhäuten produziert werden, erklärt. Bekannt ist dieses Pänomen bereits seit 1922 als Fleming das „bactericidal permeability increasing protein“ – heute als Lysozym bezeichnet – beschrieben hatte. [11] Einige dieser antimikrobiellen Peptide – die alpha Defensine – werden ständig in gleichbleibenden Mengen, andere wiederum – die ß Defensine – in erster Linie durch Kontakt der Epithelzellen mit pathogenen Mikroorganismen über bisher weitgehend unbekannte Rezeptoren oder über proinflammatorische Zytokine bei Kontakt pathogener Mikroorganismen mit der Epithelzelle gebildet. Entzündungsmediatoren, die durch diese verschiedenen TLRs induziert werden, sind TNFa, TNFgamma, Il 1 und Il 6, die ebenso wie bakterielle Mikroorganismen z.B. ß Defensin II freisetzen. Als TLR Signaltransduktoren für die Freisetzung der proinflammatorischen Zytokine fungieren MyD88, Tirap, Trif, Tram. Bisher kennt man mindestens 9 (+1) verschiede TL-Rezeptoren, die auf unterschiedliche Strukturen bakterieller Mikroorganismen reagieren, eine bestimmte Sequenz von Entzündungsmediatoren freisetzen und bakterizide Eigenschaften besitzen. TLR 4 wird durch LPS gramnegativer Mikroorganismen stimuliert, TLR 2 von gram-positiven Keimen initiiert. [51] In Bakterienlysaten sind viele dieser stimulierenden Stoffe vorhanden. Eine Reihe von Erkrankungen, für die bisher keine ausreichende pathophysiologische Erklärung vorlag, können heute durch eine verminderte Mukosaimmunität erklärt werden. Eine Pilotuntersuchung hat gezeigt, dass bei Patienten mit rezidivierenden Infektionen und intakter spezifischer körpereigener Abwehr ein Mangel an ß Defensi- nen eine pathogenetische Rolle spielen kann. In diesem vorselektionierten Krankengut wurde bei der Majorität der Patienten eine massive bis deutliche Verminderung der Bildung antimikrobieller Peptide beobachtet. Es ist gerechtfertigt, diesem lokalen Defekt der Mucosaimmunität bei der Pathogenese rezidivierender Infekte eine wesentlich größere Bedeutung beizumessen als z.B. einem Defekt der spezifischen Immunität wie z.B. der Brutonschen Agammaglobulinämie. Bei der Behandlung von Patienten mit rezidivierenden Infektionen vor allem der Atemwege kommt der Optimierung der antimikrobiellen Behandlung eine entscheidende Bedeutung zu. Für einen nachhaltigen Behandlungserfolg sind neben der Wahl eines wirksamen Antibiotikums, der richtigen Tagesdosis, der richtigen Dosierungsintervalle (optimale Pharmakodynamik und Überschreiten der mittleren Hemmkonzentrationen am Infektionsort für mindestens 66 % besser 75 – 90 % der Zeit bis zur nächsten Dosis) und der korrekten Verabreichungsweise eine entscheidende Bedeutung zu. Zuletzt ist auch eine korrekte Therapiedauer, die sich primär nach pathophysiologischen und funktionellen Gesichtspunkten richtet, von wesentlicher Bedeutung im Hinblick auf das Auftreten von Rezidiven. Eine optimale antimikrobielle Erstbehandlung ist entscheidend bei der Verhinderung von Rezidiven. Eine antibiotische Dauerprophylaxe zur Verhinderung rezidivierender Infekte hingegen ist nur in Ausnahmefällen erfolgreich. Sie führt zur Selektion sowie Induktion resistenter bakterieller Mikroorganismen als Erreger von Rezidiven, was den Einsatz von oft nur noch parenteral verabreichbarer Breitspektrum Antibiotika erforderlich macht. Obwohl in ihrer Bedeutung vielfach unterschätzt, kommt einer Verbesserung der unspezifischen Abwehr wie der mukoziliären Clearance eine wesentliche Bedeutung zu. Auch die Untersuchung und Korrektur von anatomischen und funktionellen Störungen des Sekretflusses und der Belüftung von Oberflächen sowie der Mukosaimmunität ist wichtig. Bei Säuglingen und Kleinkindern mit rezidivierenden Infektionen können auf verschiedenen Ebenen der körpereigenen Abwehr Defekte bestehen. Eine effiziente Behandlung rezidivierender Infekte muss sich nun einer entsprechenden Diagnostik bedienen, um die einzelnen pathogenetischen Ursachen gezielt behandeln zu können. In kontrollierten Untersuchungen konnte eine Reduktion rezidivierender Infekte nachgewiesen werden. [52, 53, 54] Die Stimulation der Mukosaimmunität z.B. durch detoxifiziertes Lipid A bzw. dem Monophosphoryl Lipid A über TLR4 in Kombination mit einer Vakzine hat eine deutliche Steigerung der Immunantwort zur Folge. [55] Untersuchungen weisen auch darauf hin, dass es über die Aktivierung der TLR 4 auch zu einer Aktivierung der adaptiven Immunität kommt. [56] In Bakterienlysaten ist unter anderem auch detoxifiziertes Lipid A enthalten. Unsere Untersuchungen weisen darauf hin, dass die Verabreichung von Bakterienlysaten in einem hohen Prozentsatz der Patienten mit rezidivierenden Infektionen zu einer Besserung der Mukosa-Immunität und zu einer substantiellen Abnahme der gehäuften Infekte führt. Allerdings ist eine optimierte antimikrobielle und funktionelle Behandlung der Infekte Voraussetzung. Ausblick Die körpereigene Abwehr ruht auf 3 Säulen, von denen jede Säule bei rezidivierenden Infektionen im Kindesalter gestört sein kann. 1) die stimulierbare, adaptive, spezifische, körpereigene Abwehr, die auf der Bildung von Antikörpern inklusive Sekretions Ig A Antikörpern und der T Zell Immunität beruht. Defekte dieses Abwehrsystems wie die Brutonsche Agammaglobulinämie, oder T Zell Defekte sind selten. 2) die unspezifische körpereigene Abwehr, zu der in erster Linie die mukoziliäre Clearance mit Zilienschlagfrequenz, regulärer Schleimschicht, Belüftung von Schleimhäuten und freier Sekretfluss zählen, und FAM Umbruch 3_09:FAM Umbruch 3_09 09.09.2009 11:48 Uhr Seite 17 FA M die die Besiedlung der Schleimhäute mit Mikroorganismen reguliert. Auch die normale Bakterienflora auf Schleimhäuten des Respirationstarktes, des Urogenital Traktes und der Haut trägt dazu bei, dass sich pathogene Mikroorganismen nicht an Epithelzellen festsetzen können. Zudem kommen noch eine Vielzahl weiterer Abwehrmechanismen, die in Synergie mit den oben genannten Abwehrsystemen die Besiedelung von Epitheloberflächen beeinflussen. Die Blockierung der Besiedelung erfolgt z.B. auch durch Rezeptor – analoge Kohlenhydrate. Die unspezifische Abwehr ist bei Entzündungsprozessen profund gestört. Sie wird vorwiegend durch eine optimale antimikrobielle Behandlung d.h. eine rasche Elimination der Mikroorganismen sowie eine unterstützende Behandlung z.B. durch Phytopharmaka beeinflusst. 3) die neu entdeckte angeborene Abwehr oder Mucosaimmunität: Sie beruht darauf, dass der Körper Rezeptoren besitzt, die ohne einen vorangegangenen Kontakt Strukturen bakterieller Mikroorganismen (PAMPs) über die sog. TOLL und TOLL-like-Rezeptoren (TLR) erkennen und eine Kaskade von proinflammatorischen Zytokinen mit direkter antimikrobieller Wirkung oder über Vermittlung von ß Defensin freisetzen. Von besonderem Interesse ist es in Zukunft, das Ausmaß der Verminderung der Mukosaimmunität bei Patienten mit rezidivierenden Infektionen zu definieren. In der Folge ist es notwendig, eine zeitliche Auflösung für die ß Defensinbildung zu ermitteln, d.h. zeitliche Unterschiede zwischen Kontrollpersonen und den Probanden bezüglich der Bildung von ß Defensin zu bestimmen. Eine zeitliche Verzögerung der ß Defensinbildung kann zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Mukosa-Immunität führen, da ß Defensin nur gegen ein kleines Inokulum, wie es bei einer Tröpfcheninfektion zustande kommt, wirkt. Bei zeitlicher Verzögerung der Wirkung kann durch Proliferation der Keime die Wirksamkeit erheblich vermindert sein. Da im Rahmen einer Virusinfektion eine erhebliche Störung der unspezifischen körpereigenen Abwehr und insbesondere der mucociliären Clearance besteht, jedoch nur ein kleiner Prozentsatz der Patienten an bakterieller Superinfektion leidet, ist der angeborenen Mucosaimmunität eine möglicherweise entscheidende Rolle zuzuschreiben. Es wäre dringend nötig, diese Fragestellung in prospektiven klinischen Untersuchungen abzuklären. Offene Fragen bestehen nach wie vor in der Untersuchung der Mukosaimmunität bei Patienten mit Trisomie 21. Die Befunde, die bei der Pilot-Untersuchung bei 8 Patienten erhoben wurden, müssen noch in einem größeren Kollektiv bestätigt werden. Wieweit der konzertierte Ablauf einer Infektion und die Immunantwort z.B. die Th2 versus Th1 Immunantwort bei gestörter Mukosaimmunität verändert ist und durch Stimulation der Mukosaimmunität ev. auch durch Bakterienlysate korrigiert werden kann ist gegenwärtig noch zu wenig systematisch untersucht. Literatur 1) Mackay I, Rosen F. Innate immunity New Engl J Med. 343 338 – 344, 2000 2) Cravioto A, Gross RJ, Scotland SM, Ropwe B. An adhesive factor found in strains of Escherichia coli belonging to the traditional infantile enteropathic serotypes. Curr. Microbiol. 3: 95 – 99, 1997 3) Donneberg MS. Interaction between enteropatogenic Escherichia coli and epithelial cells. Clin Infect Dis. 28 : 451 – 455, 1999 4) Ficker JH. Physiology and pathophysiology of bronchial secretion, Pneumologie. 2008 Mar;62 Suppl 1:S11-3. Review. 5) Hull MW, Chow AW. 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