Pseudomonas - BIOspektrum

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Wissenschaft intern
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Külzpreis der DGPT: Zweiter Preisträger
Pseudomonas Exotoxin A: Neue Entdeckungen
bei einem alten Bekannten
ermöglichen Etablierung eines
neuen Immunhepatitismodells
Jens Schümann,
Ludwig Institute for Cancer Research, Epalinges, Schweiz
Immunvermittelte Entzündungskrankheiten der Leber sind weit verbreitet. So
werden zum Beispiel virale und autoimmune Hepatitis, aber auch medikamenten- oder
toxininduzierte Hepatitis durch immunstimulierende Prozesse vermittelt[1]. Eine optimale Therapie solcher immunvermittelter
Attacken gegen die Leber ist derzeit nicht
verfügbar. Deshalb ist es wichtig, Kleintiermodelle zur Aufdeckung potenzieller Mechanismen immunvermittelter Leberschädigung und zur Testung neuartiger Therapien zu entwickeln und zu analysieren. Ein
für solche Analysen geeignetes Modell ist
die Pseudomonas aeruginosa Exotoxin A
(PEA)-induzierte Leberschädigung bei der
Maus[2], dessen Analyse gleichzeitig auch
neue Hinweise auf die toxischen Mechanismen des Exotoxins lieferte.
PEA ist als proteinsynthesehemmendes
Toxin des Gram-negativen, nosokomialen
Keims Pseudomonas aeruginosa bekannt[3, 4].
Es induziert nach Injektion einen durch
Apoptosen und Nekrosen gekennzeichneten Leberschaden bei der Maus[5, 2, 6]. Neben dieser Eigenschaft konnte eine schwache T-Zell-stimulatorische Wirkung dieses
Toxins in Zellkultur nachgewiesen werden[7], die bisher aber nie mit dem hepatotoxischen Mechanismus von PEA in Zusammenhang gebracht wurde. Es stellte sich
nun heraus, dass der PEA-induzierte Leberschaden nicht nur von der bekannten proteinsynthesehemmenden Eigenschaft des
Toxins, sondern auch von einer durch PEA
induzierten Aktivierung von Zellen des Immunsystems abhängt. Ein wichtiger Aspekt
ist dabei die Interaktion zwischen intrahepatischen T-Zellen und Makrophagen
(Kupffer-Zellen) mit einer daraus resultierenden Produktion des proinflammatorischen Zytokins Tumor-Nekrose-Faktor α
(TNF) in der Leber. So konnte die KupfferZelle mit Hilfe von Immunfluoreszenzfärbung und konfokaler Lasermikroskopie als
zelluläre Quelle von PEA-induziertem TNF
Abb. 1: Kaskade der an der PEA-induzierten Leberschädigung beteiligten Mechanismen. PEA wird
unter anderem von Kupfer-Zellen aufgenommen und initiiert dadurch eine Interaktion mit T-Zellen, die
für die nachfolgende Produktion von TNF und möglicherweise IL-18 notwendig ist. TNF scheint über
die Aktivierung der beiden TNF-Rezeptoren TNFR1 und TNFR2 auf den Hepatozyten eine kooperative
Zelltod-Kaskade in Gang zu setzen, die durch die gleichzeitig stattfindende Freisetzung von Perforin
und Granzyme B, möglicherweise durch IL-18-aktivierte NK-Zellen, und die sensibilisierend wirkende
Hemmung der Proteinsynthese in den Hepatozyten zur Schädigung der Leber führt. Gepunktete Pfeile
zeigen hypothetische Mechanismen.
identifiziert werden[2, 6]. In Übereinstimmung hiermit verhinderte die Depletion von
Kupffer-Zellen mittels intravenöser Injektion von liposomenverpacktem Dichlormethylenbisphosphonat (Cl2MBP) die Bildung
von intrahepatischer TNF mRNA und von
intrahepatischem TNF nach PEA-Gabe[6].
Interessanterweise war die PEA-induzierte, Kupffer-Zell-abhängige intrahepatische
TNF-Produktion bei Mäusen, bei denen die
T-Zellen mit Hilfe von zytolytischen Antikörpern depletiert wurden, ebenfalls stark
beeinträchtigt[2]. Die Kupffer-Zellen produzierten also nur in Gegenwart von T-Zellen
TNF. Die funktionelle Bedeutung der Tund Kupffer-Zell-abhängigen TNF-Produktion für die PEA-induzierte Leberschädigung wurde durch die Analyse T-Zell-defizienter Mäuse, Kupffer-Zell-defizienter
Mäuse sowie anti-TNF-vorbehandelter
Mäuse und TNF-Rezeptor (TNFR) 1- und
TNFR2-defizienter Mäuse deutlich. Alle
genannten Tiere waren vor PEA-induzierter
Leberschädigung geschützt[2, 6, 8]. Auch verstärkte PEA in Abhängigkeit von T-Zellen
die proinflammatorische Antwort von Lipopolysaccharid, einem wichtigen Bestandteil
der Zellwand Gram-negativer Bakterien, der
als Induktor des ebenfalls über die Produktion proinflammatorischer Zytokine, v.a.
TNF, vermittelten septischen Schocks bekannt ist[9].
Man kennt zwei Rezeptoren für TNF,
den 55 kDa TNFR1 und den 75 kDa TNFR2. Während TNFR1 als zelltodvermittelnder Rezeptor auf Hepatozyten gut charakterisiert ist[10], war die Bedeutung von
TNFR2 für eine entzündliche Parenchymschädigung weitgehend unklar. Es zeigte
sich nun, dass, obwohl sich TNFR2-exprimierende Leukozyten nach Injektion von
PEA stark in der Leber anreicherten, diese
leukozytäre TNFR2-Expression überraschenderweise keine wichtige Rolle bei der
Leberschädigung spielt[11]. Dies war insofern besonders überraschend, als transgene
Mäuse, die humanen TNFR2 überexprimieren, unter einem schweren inflammatorischen Syndrom mit entzündlicher Leberschädigung leiden, welches mit einer erBIOspektrum · 4/02 · 8. Jahrgang
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höhten Aktivität des für die Synthese proinflammatorischer Zytokine wichtigen Transkriptionsfaktors „nukleärer Faktor κB“ (NFκB) in Leukozyten und dramatisch erhöhten endogenen TNF-Spiegeln einhergeht[12]. Im Gegensatz hierzu war aber TNFR2 weder für die PEA-abhängige Aktivierung von NF-κB noch für die PEA-induzierte Synthese Kupffer-Zell- und NF-κBabhängiger Zytokine in der Leber notwendig. Während TNFR2 also keine wichtige
Rolle auf intrahepatischen Leukozyten zu
spielen scheint, verdichteten sich die Hinweise auf eine Bedeutung dieses Rezeptors
auf parenchymalen Zellen. So konnten agonistische Antikörper gegen TNFR2 primäre Maus-Hepatozyten gegenüber anti-TNFR1-induzierter Zellschädigung sensibilisieren, während die Inkubation mit den jeweiligen Antikörpern allein ohne Einfluss
auf die Vitalität der Zellen blieb. Insgesamt
lässt sich feststellen, dass die für die Leber
nachteilige Rolle von TNFR2 im Modell der
PEA-induzierten Leberschädigung in seiner
parenchymalen Expression und einer Kooperation mit TNFR1 bei der Induktion des
Zelltodprogramms und nicht in leukozytärer Expression zu suchen ist.
Neben der PEA-induzierten T- und Kupffer-Zell-abhängigen Produktion von TNF,
welcher seine Wirkung über eine kooperative Aktivierung von TNFR1 und TNFR2
auf Hepatozyten zu vermitteln scheint, wurden noch weitere am inflammatorischen Leberschaden beteiligte Mediatoren und Zellen identifiziert. So waren Mäuse, die mit
neutralisierenden Antikörpern gegen IL-18
vorbehandelt wurden, vor PEA-induzierter
Leberschädigung geschützt[8]. IL-18 ist unter anderem als Aktivator von natürlichen
Killerzellen (NK-Zellen) bekannt. In Übereinstimmung hiermit wurden mit Hilfe antikörpervermittelter Depletion eine Beteiligung von NK-Zellen[13] und mit Hilfe von
knockout-Mäusen eine Beteiligung des zytotoxischen NK-Zell-Mediators Perforin[2]
bei der PEA-induzierten Leberschädigung
erkannt. Durchflusszytometrische Analysen
zeigten eine klare Zunahme der Zahl intrahepatischer NK-Zellen nach Injektion von
PEA, die mit einer erhöhten Zytotoxizität
gegenüber NK-Zielzellen (YAC-1) korrelierte[13]. Weitere Studien werden nun
BIOspektrum · 4/02 · 8. Jahrgang
Literatur
Jens Schümann
studierte Biologie an
der Universität Konstanz. Er promovierte in
der Arbeitsgruppe von
Prof. Dr. Gisa Tiegs am
Lehrstuhl I des Instituts
für Experimentelle und
Klinische Pharmakologie und Toxikologie der
Universität ErlangenNürnberg, der von Prof.
Dr. Dr. h.c. Kay Brune
geleitet wird. Er war
Mitglied des Erlanger
Graduiertenkollegs „Immunologische Mechanismen bei Infektion,
Entzündung und Autoimmunität“. Seit
März 2002 ist Jens
Schümann im Rahmen
eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft bewilligten
Forschungsstipendiums
am Ludwig Institute for
Cancer Research in der
Gruppe von Dr. H. Robson MacDonald in Epalinges (Schweiz) tätig
und beschäftigt sich mit
der Bedeutung der zelltypspezifischen Expression von CD1d für die
Biologie von NKT-Zellen.
klären, ob die Aktivierung von T- und Kupffer-Zellen sowie die Produktion von TNF
und IL-18 eine Rolle bei der Akkumulation
und Aktivierung von NK-Zellen spielen und
ob die NK-Zellen ihre Zytotoxizität über die
Freisetzung von Perforin vermitteln.
Der bislang nur durch Proteinsynthesehemmung erklärte toxische Mechanismus
von Pseudomonas aeruginosa Exotoxin A
(PEA) ist also wesentlich komplexer als bisher angenommen. Offensichtlich sind auch
immunstimulatorische Prozesse involviert,
deren „Hauptspieler“ T-, Kupffer- und NKZellen sind (Abb. 1). Das neu entwickelte
Modell der PEA-induzierten Leberschädigung bei der Maus ist sehr gut geeignet, immunologisch vermittelte Mechanismen der
Leberschädigung in vivo aufzudecken. Dies
kann zur Entwicklung neuartiger pharmakologischer Therapien immunvermittelter
Leberkrankheiten wie auch zu neuen adjuvanten Therapien bei Infektionen mit Pseudomonas aeruginosa führen. So legen zum Beispiel die vorliegenden Befunde einen potenziellen Einsatz von TNFR2-Antagonisten nahe, da diese vor allem parenchymale Zellen vor ihrer Destruktion schützen
sollten, während die Immunantwort, die im
Falle einer Infektion nicht gestört werden
darf, nicht beeinträchtigt sein sollte.
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exotoxin A-induced liver injury in mice. Immunobiol.
204:110–111. (Abstr.)
Korrespondenzadresse:
Dr. Jens Schümann
Ludwig Institute for Cancer Research
– Lausanne Branch –
Chemin des Boveresses 155
CH-1066 Epalinges
Switzerland
Phone: +41-21-6925972
Fax: +41-21-6534474
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