Kernekewisch, Michaela: Untersuchungen zur Expression des interzellulären Adhäsionsmoleküls ICAM-1 und zur Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins APP in Astrozyten

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Kapitel 5. DISKUSSION

5.1. Astrozytäre Expression des interzellulären Adhäsionsmoleküls ICAM-1

5.1.1. Astrozytäre Zellinien als Zellkulturmodell für die Analyse der astrozytären ICAM-1-Expression

Im ersten Teil der hier vorliegenden Arbeit wurde die astrozytäre Expression des interzellulären Adhäsionsmoleküls ICAM-1 untersucht. Wie aus immunhisto-chemischen Daten hervorgeht, ist ICAM-1 mit amyloidogenen Ablagerungen und aktivierten Astrozyten im Hirn von Alzheimer-Patienten assoziiert. Daher wird vermutet, daß ICAM-1 eine Rolle in der Pathogenese der Alzheimer-Krankheit spielt. Da aus der Literatur bekannt ist, daß primäre Astrozyten-Kulturen ihre ICAM-1-Expression durch die Zytokine IL1beta und TNFalpha verstärken ( Ballestas & Benveniste, 1995 ), sollte zunächst überprüft werden, ob vergleichbare Befunde mit astrozytären Zellinien erzielt werden können. Mit immunzytochemischen und biochemischen Nachweismethoden konnte gezeigt werden, daß auch die ICAM-1-Expression in humane Astrozytom-Zellen (CCF-STTG1-Zellen) durch die Zytokine IL1beta und TNFalpha verstärkt wird (siehe 4.1.2. und 4.1.4.). Die Stimulation der ICAM-1-Expression der CCF-STTG1-Zellen ist vergleichbar zu der Zytokin-stimulierten ICAM-1-Expression primärer Astrozyten. Allerdings wurde ein Unterschied im Zeitverlauf der ICAM-1-Expression nach Behandlung der Zellen mit TNFalpha festgestellt. Im Unterschied zu Daten, die von Ballestas und Benveniste ( Ballestas & Benveniste, 1995 ) veröffentlicht wurden, zeigte sich ein biphasischer Verlauf der ICAM-1-Expression in CCF-STTG1-Zellen (siehe 4.1.5.). Eine erste maximale ICAM-1-Expression wurde nach 18 h durch die Behandlung der Zellen mit TNFalpha erreicht. Nach 24 h zeigte sich ein zweiter Anstieg der TNFalpha-verstärkten ICAM-1-Expression. Dieser biphasische Verlauf ist vermutlich aufgrund einer auto- bzw. parakrinen oder synergistischen Wirkung eines weiteren Zytokins wie z.B. IFNgamma, das möglicherweise von TNFalpha-behandelten CCF-STTG1-Zellen nach 24 h ausgeschleust wird, zu erklären (darauf wird in Kap. 5.1.2. eingegangen).

Die Analyse der astrozytären ICAM-1-Expression wurde mit Hilfe eines speziellen ELISA’s im Mikrotiterplatten-Format durchgeführt, der in dieser Arbeit entwickelt wurde und auf immunzytochemischen Techniken basiert. Die Untersuchung der astrozytären ICAM-1-Expression mit dem ICAM-1-ELISA lieferte Ergebnisse, die zu den Befunden aus immunzyto- und biochemischen Untersuchungen vergleichbar waren (siehe 4.1.3.).

5.1.2. Astrozytäre ICAM-1-Expression unter Einfluß verschiedener Mitogene

Das Vorhandensein zahlreicher Mitogene in der Nähe amyloidogener Ablagerungen weist auf eine Alzheimer-assoziierte Neuroinflammation hin. Während eines neuroinflammatorischen Prozesses spielen neben den klassischen Zytokinen IL1beta und TNFalpha noch zahlreiche andere immunmodulatorische Faktoren eine Rolle, deren Bedeutung für die Alzheimer-Pathogenese bisher noch wenig untersucht wurde. In diesem Zusammenhang entstand die Frage, ob neben IL1beta und TNFalpha noch weitere immunmodulatorische Moleküle die astrozytäre ICAM-1-Expression beeinflussen können. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden die astrozytären Zellinien CCF-STTG1 und H4 mit den Mitogenen IFNgamma, TNFalpha mit IFNgamma, TGFbeta, IL6 und bFGF behandelt und auf ICAM-1-Expression analysiert. Es konnte erstmals gezeigt werden, daß die astrozytäre ICAM-1-Expression am stärksten durch die gleichzeitige Gabe von TNFalpha und IFNgamma stimuliert wurde (siehe 4.1.6.). Die Mitogene TGFbeta, IL6 und bFGF zeigten keinen Einfluß auf die astrozytäre ICAM-1-Expression. Synergistische Effekte von IFNgamma und TNFalpha wurden auch für die Expression des MHC II-Antigens in Astrozyten beschrieben ( Benveniste et al., 1989 ), das interessanterweise neben ICAM-1 ebenfalls mit amyloidogenen Ablagerungen assoziiert ist. Das Zusammenwirken von TNFalpha und IFNgamma könnte durch die IFNgamma-vermittelte, verstärkte


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Expression des TNFalpha-Rezeptors in Astrozyten erklärt werden ( Benveniste et al., 1989 ). Durch die verstärkte Expression des TNFalpha-Rezeptors könnten Astrozyten für TNFalpha-vermittelte Wirkungen wie z.B. ICAM-1-Expression empfänglicher sein.

Im Zusammenhang mit der synergistischen Wirkung von TNFalpha und IFNgamma steht der in dieser Arbeit gewonnene Befund, daß in CCF-STTG1-Zellen, die mit TNFalpha behandelt wurden, nach 24 h ein zweiter Anstieg der ICAM-1-Expression zu beobachten war. Eine mögliche Erklärung für diesen biphasischen Verlauf lieferte der Befund von Xiao und Link ( Xiao & Link, 1998 ), die zeigten, daß Astrozyten, die mit TNFalpha behandelt wurden, verstärkt IFNgamma sekretieren. Nach 24 h könnte durch die TNFalpha-ausgelöste eigene IFNgamma-Sekretion eine synergistische Wirkung der Zytokine TNFalpha und IFNgamma für die starke ICAM-1-Expression verantwortlich sein.

5.1.3. Astrozytäre ICAM-1-Expression unter Einfluß von Abeta-Protein

Im Vordergrund weiterer Untersuchungen stand die Frage, ob die astrozytäre ICAM-1-Expression durch amyloidogene Ablagerungen verursacht oder verstärkt werden kann. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde gezeigt, daß die Behandlung der Astrozyten mit physiologischem Abeta-Protein nicht zu ihrer Aktivierung führte (siehe Kap. 4.1.7.). Auch durch Kultivierung der Zellen auf aggregiertem Abeta-Protein konnte keine verstärkte ICAM-1-Expression erreicht werden. Im Gegensatz dazu stehen Ergebnisse anderer Forschungsgruppen, die anhand von Zellkulturexperimenten zeigen konnten, daß Astrozyten durch aggregiertes Abeta-Protein aktiviert werden können. So wurde durch verschiedenen Autoren beschrieben, daß Astrozyten, die mit aggregiertem Abeta-Protein für 24 h behandelt wurden, verstärkt Zytokine und Wachstumsfaktoren sekretieren ( Araujo & Cotman, 1992 ; Hu et al., 1998 ). CCF-STTG1-Zellen, die mit aggregiertem Abeta-Protein behandelt wurden, zeigten keine verstärkte Zytokin-Sekretion (persönliche Mitteilung Dr. U. Mönning). Eine Erklärung für diese unterschiedlichen Befunde liegt möglicherweise im Konformationszustand des eingesetzten Abeta-Proteins. Für Zellkulturexperimente wird vorwiegend Abeta-Protein eingesetzt, das durch Inkubation bei 37oC nach 6 Tagen als aggregiertes Abeta-Protein bezeichnet wird ( Gitter et al., 1995 ). Große Probleme bereitet hierbei die Tatsache, daß die eingesetzten Protein-Chargen keinen definierten Aggregationszustand aufweisen und dadurch in biologischen Testsystemen auch zu unterschiedlichen Befunden führen können. Um den genauen Aggregationszustand des Abeta-Proteins zu bestimmen, wären ausgiebige Konformationsstudien notwendig. Eine andere mögliche Erklärung für die unterschiedlichen Befunde hinsichtlich der Astrozyten-Aktivierung durch Abeta-Protein liegt darin, daß CCF-STTG1-Zellen keinen Rezeptor exprimieren, der mit dem Abeta-Protein interagiert. Für Mikroglia wurde bereits gezeigt, daß diese Zellen in der Lage sind, aggregiertes Abeta-Protein über den Scavenger-Rezeptor zu internalisieren ( Paresce et al., 1996 ). Der Befund, daß Mikroglia und nicht Astrozyten einen anderen Liganden des Scavenger-Rezeptors, das Ac-LDL (acetyl-low density lipoprotein), binden können ( Giulian & Baker, 1986 ; Giulian, 1987 ), weist darauf hin, daß Astrozyten keinen Scavenger-Rezeptor besitzen, der mit dem Abeta-Protein interagieren könnte.

5.1.4. Astrozytäre ICAM-1-Expression unter Einfluß konditionierter Medienüberstände aktivierter Mikroglia

Ziel weiterer Untersuchungen war die Klärung der Frage nach dem zellulären Ursprung der Mitogene, die die astrozytäre Aktivität während der Alzheimer-Pathogenese beeinflussen. Obwohl aktivierte Astrozyten ein komplexes Expressionsmuster an immunmodulatorischen Molekülen aufweisen, spielen sie nicht die Schlüsselrolle in der Vermittlung inflammatorischer Reaktionen im ZNS. Die immunkompetenten Zellen des Gehirns sind Mikroglia, die zum mononukleären phagozytären System gehören und daher auch als Gewebsmakrophagen des ZNS bezeichnet werden. Sie spielen eine zentrale Rolle in der Regulation neuroinflammatorische Prozesse. Mikroglia reagieren wie auch Astrozyten auf eine


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pathophysiologische Situation im ZNS, indem sie MHC II-Antigene präsentieren sowie zahlreiche Zytokine und Komplementproteine exprimieren. Die Beobachtung, daß aktivierte Mikroglia verstärkt Zytokine wie IL1beta und TNFalpha sekretieren (persönliche Mitteilung Dr. U. Mönning), gab Anlaß zur Vermutung, daß die Faktoren, die zur Aktivierung von Astrozyten führen, von den Mikroglia produziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eindeutig gezeigt werden, daß Medienüberstände von Mikroglia, die mit aggregiertem Abeta-Protein für 5 Tage behandelt wurden, die astrozytäre ICAM-1-Expression signifikant verstärken, dagegen konditioniertes Medium von Mikroglia, die mit monomerem Abeta-Protein behandelt wurden, nur leicht die Astrozyten-Aktivität induziert (siehe Kap. 4.1.8.). Aus diesen Befunden läßt sich folgern, daß die Astrozyten-Aktivierung eine sekundäre Folgereaktion der Mikroglia-Aktivierung in der Alzheimer-Pathogenese ist. Diese Schlußfolgerung steht in Übereinstimmung mit der Tatsache, daß in transgenen Mäusen mit amyloidogenen Ablagerungen zuerst eine reaktive Mikrogliose (aktivierte Mikroglia) und erst darauffolgend eine Astrogliose beobachtet werden kann ( Games et al., 1995 ; Irizzarry et al., 1997 ).

5.2. Signaltransduktionsweg der astrozytären ICAM-1-Expression

5.2.1. Pharmakologische Beeinflussung der astrozytäre ICAM-1-Expression

Da aktivierte Astrozyten die Alzheimer-Pathogenese durch die Sekretion von Plaque-fördernden Substanzen erheblich verstärken können, war es von Interesse, den Signaltransduktionsweg der Astrozyten-Aktivierung näher zu charakterisieren. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden pharmakologische und physiologisch-vorkommende Substanzen in ihrer Wirkung auf die astrozytäre ICAM-1-Expression getestet. Es konnte in dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, daß die astrozytäre ICAM-1-Expression nur durch Vorbehandlung mit cAMP-erhöhenden Substanzen wie z.B. Forskolin, Rolipram und K-252a vermindert wird (siehe Kap. 4.1.9.). Eine Erhöhung der cAMP-Konzentration kann einerseits direkt durch Aktivierung der Adenylatzyklase wie z.B. durch Forskolin erfolgen, oder indirekt durch Hemmung von cAMP-abhängigen Proteinkinasen wie beispielsweise der cAMP-abhängige Phosphodiesterase IV (Rolipram). Intrazelluläres cAMP beeinflußt eine Vielzahl von Reaktionen in Astrozyten wie z.B. Differenzierung, Phosphorylierung von Proteinen, Glutamat-Metabolismus, Sekretion von Zytokinen und Wachstumsfaktoren ( Bridoux et al., 1986 ; Harrison & Mobley, 1989 ; Zielke et al., 1990 ; Schwartz & Mishler, 1990 ; Grimaldi et al., 1994 ) und vermindert oftmals die Immunantwort vieler Zelltypen. So hemmen z.B. erhöhte cAMP-Level die Zytokin-induzierte Expression von ELAM (endothial leukocyte adhesion molecule) in HUVEC-Zellen (human umbilical vein endothelial cell) sowie die Expression von ICAM-1 und VCAM-1 (vascular cell adhesion molecule-1) in glatten Muskelzellen aus der Lunge ( Pober et al., 1993 ; Panettieri et al., 1995 ). Einen Hinweis über PKC-vermittelte ICAM-1-Expression in Astrozyten lieferten die Arbeiten von Ballestas und Benveniste ( Ballestas & Benveniste, 1995 ), die durch Calphostin C, ein Hemmstoff der Proteinkinase C (PKC), eine verringerte astrozytäre ICAM-1-Expression erzielten. Diese Daten konnten jedoch durch die hier vorliegende Arbeit mit Hilfe eines anderen Hemmstoffes der PKC, das Bisindolylmaleimids, nicht bestätigt werden.

5.2.2. Physiologische Beeinflussung der astrozytären ICAM-1-Expression

Eine zu Forskolin oder Rolipram vergleichbare Wirkung zeigten physiologisch- vorkommenden Prostaglandine, die cAMP-gekoppelte Signaltransduktionswege verfolgen. Prostaglandine sind hormonähnliche Substanzen, die über den Fettstoffwechselweg aus Arachidonsäure mittels der Cyclooxygenase synthetisiert werden. Sie spielen u.a. eine Rolle in inflammatorischen Prozessen, regulieren den Blutfluß zu bestimmten Organen und kontrollieren den Ionentransport durch die Membran. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, daß eine Vorbehandlung mit PGE2 und PGD2-Analoga die Zytokin-stimulierte ICAM-1-Expression in Astrozyten verringern (siehe Kap. 4.1.10.). Eine zu PGE2 vergleichbare Hemmung der astrozytären ICAM-1-Expression war durch die Behandlung der Zellen mit PGE1 erzielbar,


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dagegen zeigte PGF2alpha keinen Einfluß auf die Zytokin-stimulierte ICAM-1-Expression. Diese Befunde passen zu den veröffentlichten Daten von Ito et al. ( Ito et al., 1992 ), die belegen, daß PGE1, PGE2 sowie PGD2 die intrazelluläre cAMP-Konzentration in Astrozyten erhöhen. Für Zellen des peripheren Nervensystems wurde bereits gezeigt, daß die Ligandenbindung an die Prostaglandin-Rezeptoren DP und EP2 zu einer Aktivierung cAMP-gekoppelter Signaltransduktionswege führt ( Ito et al., 1989 ; Kunkel et al., 1988 ). Im Gegensatz dazu ist bekannt, daß der Rezeptor für PGF2alpha keine cAMP-gekoppelten Signaltransduktionswege verfolgt ( Hammarstrom, 1982 ; Smith et al., 1988 ).

Mit Prostaglandin wurde eine physiologische, cAMP-erhöhende Substanz identifiziert, die in der Lage ist, die astrozytäre ICAM-1-Expression und damit die astrozytäre Aktivität zu beeinflussen. Allerdings war eine Verringerung der Astrozyten-Aktivierung nur möglich, wenn die Zellen zuerst mit Prostaglandinen und anschließend mit Zytokinen behandelt wurden. Der gleiche Effekt war auch bei Beeinflussung der astrozytären ICAM-1-Expression durch Forskolin, Rolipram und K-252a zu beobachten (siehe 4.1.9.). Interessanterweise konnte in dieser Arbeit auch gezeigt werden, daß aktivierte Astrozyten hohe Mengen an PGE2 sekretieren, wenn sie mit IL1beta, TNFalpha und konditioniertem Medium aktivierter Mikroglia behandelt wurden (siehe Kap. 4.1.11.). Das bedeutet, daß aktivierte Astrozyten durch ihre eigene PGE2-Sekretion nicht in der Lage sind, ihre eigene Aktivität zu regulieren, wie es beispielsweise für die TNFalpha-vermittelte IL6-Sekretion beschrieben ist. Allerdings könnten Prostaglandine die räumliche Ausbreitung der Astrozyten-Aktivierung im inflammatorischen Bereich des Gewebes kontrollieren. Ruhende Astrozyten, die außerhalb eines inflammatorischen Bereiches gelegen sind, würden durch die PGE2-Sekretion der aktivierten Astrozyten, die in der Nähe des inflammatorischen Bereiches gelegen sind, in ihrer Aktivierung gehemmt sein (siehe Abb. 26).

Abb. 26 : Hemmung der räumlichen Ausbreitung der Astrozyten-Aktivierung
Aktivierte Astrozyten, die in einem inflammatorischen Bereich gelegen sind, könnten durch die verstärkte PGE2-Sekretion das räumliche Ausmaß der Astrozyten-Aktivierung vermindern.

5.2.3. Unterschiedliche Hemmung der IL1beta- und TNFalpha-verstärkten ICAM-1-Expression

Wie in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden konnte, war die Beeinflussung der astrozytären ICAM-1-Expression durch pharmakologische und physiologische Substanzen je nach Zytokin-Stimulation unterschiedlich. Auffällig war, daß die Hemmung der TNFalpha-verstärkten ICAM-1-Expression zwar ähnliche Ergebnisse wie die IL1beta-vermittelte Aktivierung der Zellen zeigte, jedoch die Hemmung der IL1beta-Stimulation deutlich stärker war. Dies kann darin begründet sein, daß die IL1beta- und TNFalpha-verstärkte ICAM-1-Expression durch teilweise unterschiedliche cAMP-gekoppelte Signaltransduktionswege reguliert wird. Es ist bekannt, daß Zytokin-Rezeptoren G-Protein-gekoppelte Signaltransduktionswege verfolgen, die zu einer Aktivierung der MAP-


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Kinase (mitogen activated protein kinase), SAP-Kinase (stress-activated protein kinase) oder p38-Kinase (auch als HOG, high osmolarity glycerol response kinase, bezeichnet) führen. Es gibt Hinweise auf ein Zytokin-spezifisches Aktivierungsmuster dieser Kinasen ( Eder, 1997 ), woraus sich folgern läßt, daß die Aktivität der Kinasen unterschiedlich stark sensitiv zu cAMP-erhöhenden Substanzen sein könnte.

5.3. Astrozytäre Expression und Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins APP

5.3.1. Amyloidogene APP-Prozessierung astrozytärer Zellen

Die in dieser Arbeit durchgeführte vergleichende Analyse der neuronalen und astrozytären APP-Prozessierung ergab, daß neben den Neuronen auch Astrozyten über eine beta- und gamma-Sekretaseaktivität verfügen und somit durch Sekretion des Abeta-Proteins zu dem neuropathologischen Merkmal der Alzheimer-Krankheit, den amyloidogenen Ablagerungen, beitragen können. Es konnten eindeutig das amyloidogene APP-Fragment A4CT in Zellysaten und die Sekretion des Abeta-Proteins in den Medienüberstand humaner astrozytärer Zellinien nachgewiesen werden. Diese Daten passen zu den Ergebnissen von Le Blanc et al. ( Le Blanc et al., 1997 ) und Busciglio et al. ( Busciglio et al., 1993 ), die anhand von primär kultivierten Astrozyten und Neuronen aus Humangewebe zeigen konnten, daß sich Astrozyten und Neurone in ihrer amyloidogenen APP-Prozessierung wenig unterscheiden. Mit diesen Befunden weisen sie ebenfalls auf die Möglichkeit hin, daß Astrozyten eine direkte Rolle in der Alzheimer-assoziierten Amyloidogenese spielen können. In diesem Zusammenhang steht auch der Befund, daß in primär kultivierten Astrozyten und Neuronen aus Rattengewebe kein Abeta-Protein nachgewiesen werden konnte (siehe 4.2.2.). Im Gegensatz zu diesem Ergebnis konnten Le Blanc et al. ( Le Blanc et al., 1996 ) und Busciglio et al. ( Busciglio et al., 1993 ) eine schwache Abeta-Sekretion in primär kultivierten Astrozyten und Neuronen aus Rattengewebe zeigen. Die schwache Sekretion des Abeta-Proteins in primären Zellkulturen aus Rattengewebe könnte mit der Beobachtung, daß in älteren Nagetieren keine amyloidogenen Ablagerungen auftreten, im engen Zusammenhang stehen. De Strooper et al. ( de Strooper et al., 1995 ) vertreten die Hypothese, daß die Ursache dafür in der Abeta-Sequenz der Maus liegt, die die Sekretaseaktivitäten, die zur Freisetzung des Abeta-Proteins führen, beeinflussen könnte ( de Strooper et al., 1995 ). Wie aus Abb. 27 ersichtlich ist, unterscheiden sich Abeta-Sequenz des Menschen und der Maus im N-Terminus durch drei Aminosäureaustausche, wobei die mäusliche Sequenz in dieser Region identisch zur Rattensequenz ist ( Shivers et al., 1988 ). Eine weitere Studie, in der durch ”Humanisierung“ der mäuslichen APP-Sequenz in primären hippocampalen Neuronen aus der Ratte eine verstärkte Sekretion an Abeta beobachtet werden konnte ( de Strooper et al., 1995 ), unterstützt diese Vermutung.

Abb. 27 : Abeta-Sequenz des Menschen und der Maus
Es sind sowohl die Aminosäurenaustausche in der humanen und mäuslichen Abeta-Sequenz an den Positionen Abeta-AS5 (ArgrarrGly), Abeta-AS10 (TyrrarrPhe) und Abeta-AS16 (LysrarrArg) als auch die potentiellen Schnittstellen der Sekretaseaktivitäten dargestellt.


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Desweiteren wurde in dieser Arbeit untersucht, ob Astrozyten in der Lage sind, die hinsichtlich des C-Terminus heterogen-vorkommenden Abeta-Proteine Abeta(1-40) und Abeta(1-42) zu sekretieren. In konditionierten Medienüberständen astrozytärer Zellen, die die APP-cDNA mit der schwedischen Mutation exprimierten, konnte eindeutig Abeta(1-42) nachgewiesen werden (siehe 4.2.5.). Mit Hilfe von transfizierten humanen Zellen der Niere (HK293) konnte bereits gezeigt werden, daß die schwedische Mutation zu einer verstärkten Sekretion von Abeta(1-40) und Abeta(1-42) führt ( Citron et al., 1992 ). Welche Rolle die Freisetzung der unterschiedlich langen Abeta-Proteine in der Alzheimer-assoziierten Amyloidogenese spielen, ist bisher noch nicht eindeutig geklärt. Jarret et al. ( Jarret et al., 1994 ) konnten zeigen, daß Abeta(1-42) aufgrund der zwei zusätzlichen hydrophoben Aminosäuren Isoleucin und Alanin wesentlich schneller zu Abeta-Filamenten aggregiert als Abeta(1-40). Die Aggregation des Abeta(1-42) führt wahrscheinlich zu einer Konformationsänderung derjenigen Bereiche im Abeta-Protein, die an der Polymerisation zu beta-Faltblattstrukturen beteiligt sind. Nur bei einer solchen beta-Faltblattstruktur bilden sich besonders stabile Aggregate aus Abeta-Protein, die durch weitere Anlagerung von Abeta-Protein schließlich die Alzheimer-typischen Amyloid-Plaques ausbilden. Da somit die Entstehung des Abeta(1-42)-Proteins eine pathophysiologische Rolle in der Alzheimer-Pathogenese spielt, wurden in der hier vorliegenden Arbeit H4-Zellen stabil mit APP695sw-cDNA (APP695 mit schwedischer Mutation) transfiziert, in denen die amyloidogene APP-Fragmente gut nachweisbar waren (siehe 4.2.6.).

5.3.2. Amyloidogene APP-Prozessierung aktivierter Astrozyten

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen, auf welche Weise aktivierte Astrozyten ihre amyloidogene APP-Prozessierung verändern. Es konnte mittels der ICAM-1-Expression gezeigt werden, daß Astrozyten durch die Zytokine IL1beta, TNFalpha und IFNgamma aktiviert werden. Wie Untersuchungen an Tier- und Zellkulturmodellen verschiedener Arbeitsgruppen belegen, verstärken aktivierte Astrozyten ihre APP-Expression ( Siman et al., 1989 ; Gray & Patel, 1993a , Gray & Patel, 1993b ). Diese Befunde sowie die Tatsache, daß auch Astrozyten den amyloidogenen Prozessierungsweg durchführen können, ließen vermuten, daß aktivierte Astrozyten direkt zur Alzheimer-assoziierten Amyloidogenese durch verstärkte Abeta-Sekretion beitragen könnten. Diese Vermutung konnte jedoch nicht bestätigt werden. Im Gegenteil : Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, daß sich die APP-Prozessierung aktivierter Astrozyten zugunsten des nicht-amyloidogenen Prozessierungsweges verlagert. Ein charakteristisches Merkmal aktivierter Astrozyten ist die verstärkte Aktivität der alpha-Sekretase in der APP-Prozessierung. Astrozyten, die die mit den Zytokinen IL1beta, TNFalpha und TNFalpha mit IFNgamma aktiviert wurden, akkumulierten nicht-amyloidogene C-terminale Fragmente, sekretierten verstärkt sekretorisches APP nach alpha-Sekretaseaktivität und zeigten eine verringerte Abeta-Sekretion bei gleichzeitig verstärkter Sekretion des nicht-amyloidogenen p3-Fragmentes.

5.4. Mögliche pathophysiologische Rolle aktivierter Astrozyten in der Alzheimer-Pathogenese

In diesem Kapitel sollte die pathophysiologische Rolle aktivierter Astrozyten in der Alzheimer-Pathogenese im Zusammenhang mit den in dieser Arbeit gewonnenen Befunden und den von anderen Forschungsgruppen veröffentlichten Befunden diskutiert werden.

5.4.1. Rekrutierung von Mikroglia als pathophysiologische Rolle des ICAM-1

Aktivierte Astrozyten könnten durch verstärkte Expression des ICAM-1 die neuronale Degeneration auslösen, indem sie das Verhalten der Mikroglia funktionell beeinflussen. ICAM-1 gehört zur Immunglobulin-Superfamilie der Adhäsionsrezeptoren, deren Liganden die beta2-Integrine LFA-1 (CD11a, leukocyte function-associated antigen 1) und MAC-1 (CD11b,


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macrophage antigen 1) sind. Welche Rolle das Adhäsionsmolekül ICAM-1 in der Alzheimer Pathogenese spielt, wurde bisher noch nicht untersucht. Verbeek et al. ( Verbeek et al., 1994 ) und Eikelenboom et al. ( Eikelenboom et al., 1994 ) beobachteten, daß ICAM-1 mit diffusen Plaques und noch stärker mit senilen Plaques assoziiert ist und demnach in einem frühen Stadium der Alzheimer-Pathogenese entsteht. In diesem Zusammenhang ist die Beobachtung interessant, daß Plaque-assoziierte Mikroglia immunreaktiv für den ICAM-1-Liganden LFA-1 sind ( Rozemuller et al., 1989 ). Diese Befunde lassen vermuten, daß Mikroglia über das ICAM-1-/LFA-1-Adhäsionssystem mit Astrozyten in Wechselwirkung treten und dadurch eine weitere Rekrutierung der Mikroglia in den zentralen Bereich der Plaques ausgelöst wird. Aktivierte Mikroglia sind in der Lage, zahlreiche neurotoxische Faktoren zu produzieren, wodurch sie dann die neuronale Degeneration fördern könnten. Einen Hinweis für die schädigende Wirkung der Mikroglia lieferten die Befunde von Meda et al. ( Meda et al., 1995 ), die zeigen konnten, daß Mikroglia, die mit Abeta-Protein und IFNgamma behandelt wurden, verstärkt den neurotoxischen Faktor NO sekretieren.

5.4.2. Astrozytäre Sekretion von Plaque-katalysierenden Substanzen

Aktivierte Astrozyten könnten auch durch Ausschleusung Plaque-fördernder Faktoren an der Alzheimer-assoziierten Amyloidogenese beteiligt sein. So stehen z.B. der Proteaseninhibitor alpha-1-Antichymotrypsin und das Lipidtransportprotein Apolipoprotein E (ApoE) im Verdacht, durch ihre spezifische Affinität zu dem Abeta-Protein die Fibrillenbildung des Abeta-Proteins zu beschleunigen und damit die Plaque-Entstehung wesentlich zu beeinflussen ( Abraham et al., 1988 ; Potter, 1992 ; Namba et al., 1991 ; Wisniewski et al., 1993 ; Ma et al., 1994 ). Interessanterweise konnten Pasternack et al. ( Pasternack et al., 1989 ) eine astrozytäre Expression von alpha-1-Antichymotrypsin in der Nähe amyloidogener Ablagerungen nachweisen. Durch Zellkulturexperimente konnte Potter ( Potter, 1992 ) zeigen, daß IL1-behandelte Astrozyten verstärkt alpha-1-Antichymotrypsin exprimieren. Diese Befunde lassen vermuten, daß aktivierte Astrozyten durch verstärkte Ausschleusung von alpha-1-Antichymotrypsin sowie ApoE die Plaquebildung wesentlich beeinflussen können.

Als Plaque-katalysierende Faktoren stehen auch sekretorisches APP751 und APP770 im Verdacht, die Entstehung amyloidogener Ablagerungen zu beeinflussen. Naidu et al. ( Naidu et al., 1995 ) konnten zeigen, daß die Isoformen APP751 und APP770, die eine KPI-Domäne (Kunitz Typ II Serin-Proteinase-Inhibitor) enthalten, die die Degradation des Abeta-Proteins verhindern können. Wie schon von anderen Autoren mittels APP-mRNA-Analysen ( Gray & Patel, 1993a , Gray & Patel, 1993b ) und im Rahmen dieser Arbeit mittels Protein-Analysen gezeigt wurde, werden die APP-Isoformen zelltypspezifisch exprimiert: Die im Rattenhirn dominierende Isoform APP695 ist neuronalen Ursprungs, dagegen wird die Isoform APP751 von Astrozyten exprimiert (siehe 4.2.2.). Zusammen mit den Befunden von Naidu et al. ( Naidu et al., 1995 ) läßt sich daraus schließen, daß aktivierte Astrozyten, die verstärkt APP751 sekretieren, zu einer weiteren Akkumulation amyloidogener Ablagerungen beitragen könnten, indem sie die Degradation des Abeta-Proteins verhindern. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, daß Astrozyten durch ihre verstärkte APP-Sekretion das neuronale Milieu begünstigen, da gezeigt werden konnte, daß sekretierte Formen von APP eine stimulierende Wirkung auf das Zellwachstum besitzen ( Saitoh et al., 1989 ) und in neuronalen Zellen das Neuritenwachstum fördern ( Milward et al., 1992 ).

Neben den oben genannten Plaque-katalysierenden Faktoren könnte man auch vermuten, daß aktivierte Astrozyten durch Sekretion immunmodulatorischer Substanzen die amyloidogene APP-Prozessierung der Neurone beeinflussen und somit über eine Auslösung der verstärkten neuronalen Abeta-Sekretion zur Plaque-Bildung beitragen. Del Bo et al. ( del Bo et al., 1995 ) konnten zeigen, daß IL6-behandelte Neuronen ihre APP-mRNA-Expression verstärken. Es wäre vorstellbar, daß dadurch auch die Abeta-Sekretion der Neurone verstärkt wird. Von besonderem Interesse ist in diesem Zusammenhang, daß Abeta-aktivierte Astrozyten verstärkt IL6 sekretieren ( Forloni et al., 1997 ). Aus diesen Daten läßt sich ein Modell für die Rolle der


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Astrozyten in der Alzheimer-Pathogenese ableiten, in dem Astrozyten, die durch neuronales Abeta aktiviert werden, durch verstärkte Sekretion von IL6 eine weitere neuronale Abeta-Sekretion induzieren. Die Folge wäre eine Akkumulation amyloidogener Abeta-Proteine, die aggregieren und zu einer Transformation vom diffusen in den senilen Plaque führen.

5.4.3. Störung der Hirnhomöostase

Es ist vorstellbar, daß Astrozyten aufgrund ihres komplexen Aufgabenbereiches eine pathophysiologische Rolle in der Alzheimer-Krankheit spielen können. So könnte man vermuten, daß durch eine übermäßige Aktivierung der Astrozyten die Hirnhomöostase gestört wird. Astrozyten sind in der Lage, eine Vielzahl von Substanzen zu sekretieren, die sowohl neurotroph (z.B. NGF, bFGF) als auch neuroprotektiv (z.B. Glutamat-, GABA-Aufnahme) auf das neuronale Milieu wirken. Astrozyten metabolisieren Glutamat, das von den Neuronen in den perisynaptischen extrazellulären Raum freigesetzt wird, und konvertieren diesen Neurotransmitter über einen ”recycling pathway“ zu Glutamin, das von den Neuronen aufgenommen werden kann. Desweiteren regulieren sie als ”Zwischenspeicher für Kaliumionen“ das Gleichgewicht des Ionenhaushaltes im ZNS. Es wäre möglich, daß eine übermäßige Astrozyten-Aktivierung zu einer Dysregulation dieser Hirnhomöostase führen könnte und letztendlich die neuronale Degeneration auslöst. So könnte eine Astrozyten-Aktivierung z.B. zu einer Störung des Glutamat-Recycling-Pathways und Ionenhaushaltes führen.

5.5. Modell über zelluläre, neuroinflammatorische Vorgänge in der Alzheimer-Pathogenese

Basierend auf dem von Griffin ( Griffin et al., 1995 ) beschriebenen Modell für die Rolle der Mikroglia in der Plaque-Enstehung wurde aufgrund der in dieser Arbeit vorliegenden Ergebnisse ein Modell über die zellulären, neuroinflammatorischen Prozesse in der Alzheimer-Pathogenese entwickelt, das in der Abb. 28 dargestellt ist.

Die am frühesten sichtbare Veränderung im Hirn eines Alzheimer-Patienten sind diffuse Plaques ( von Braunmühl, 1937 ), die von ruhenden Astrozyten und vereinzelt von Mikroglia umgeben sind. Dagegen sind senile Plaques mit aktivierten Astrozyten und aktivierten Mikroglia assoziiert ( Akiyama et al., 1996 ). Diese Beobachtung führt zu der Frage, warum Mikroglia in den Plaquebereich einwandern, und warum Astrozyten und Mikroglia zu ihrer aktivierten Form transformieren. Es wird vermutet, daß das Abeta-Protein auf Mikroglia chemotaktisch wirkt ( Davis et al., 1992 ). Diese Vermutung sowie die Tatsache, daß in transgenen Alzheimer-Mäusen zuerst eine reaktive Mikrogliose auftritt, weisen darauf hin, daß zunächst Mikroglia in den Plaquebereich einwandern. Es ist vorstellbar, daß das von den Neuronen sekretierte Abeta-Protein einen Konzentrationsgradienten ausbildet, der Mikroglia dazu veranlaßt, in den Plaquebereich einzuwandern. Durch verschiedene Arbeitgruppen konnte gezeigt werden, daß Abeta-Protein nicht nur die Migration der Mikroglia auslösen, sondern auch eine nachfolgende Aktivierung induzieren kann ( Meda et al., 1995 ; Lorton et al., 1996 ). Es werden anhand des morphologischen und sekretorischen Verhaltens ”frisch aktivierte Mikroglia“ im Anfangsstadium einer pathophysiologischen Situation im ZNS und ”zytotoxische Mikroglia“, die durch Ausschleusung zahlreicher neurotoxischer Substanzen die neuronale Degeneration auslösen können, unterschieden. Die Migration von Mikroglia in die Nähe der amyloidogenen Ablagerungen könnte so zu einer Mikroglia-Aktivierung im Anfangsstadium führen, die durch verstärkte Zytokin-Sekretion wie beispielsweise IL1beta und TNFalpha und verstärkte Expression des beta2-Integrins LFA-1 gekennzeichnet ist. Die Zytokine, die von den ”frisch aktivierten Mikroglia“ sekretiert werden, sind wiederum in der Lage, das molekulare Profil der Astrozyten zu verändern. Wie in der hier vorliegenden Arbeit gezeigt werden konnte, können diese Zytokine sowie konditioniertes Medium Abeta-aktivierter Mikroglia die Expression des Adhäsionsmoleküls ICAM-1 in Astrozyten verstärken. ICAM-1 könnte somit ein direkter Interaktionspartner für LFA-1-exprimierende Mikroglia darstellen, so daß Mikroglia über das ICAM-1-/LFA-1-


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Adhäsionssystem in das Zentrum der amyloidogenen Ablagerungen einwandern können. Dies könnte zu einer weiteren Aktivierung der Mikroglia führen, wodurch ”frisch aktivierte Mikroglia“ letztendlich zu ”zytotoxische Mikroglia“ transformieren könnten. Aktivierte Astrozyten könnten durch verstärkte Sekretion von Plaque-katalysierenden Substanzen wie beispielsweise alpha-1-Antichymotrypsin, ApoE, sekretorisches APP751 sowie IL6 die Akkumulation amyloidogener Ablagerungen bzw. die neuronale Abeta-Sekretion fördern und neben den Mikroglia die Transformation des diffusen in den senilen Plaque verursachen. Die Folge wäre eine verstärkte Ausschleusung weiterer immunmodulatorischer Moleküle sowie neurotoxischer Substanzen, die zu einem völligen Zusammenbruch der Hirnhomöostase und letztendlich zur Neurodegeneration führen könnte.

Abb. 28 : Modell über zelluläre, neuroinflammatorische Prozesse in der Alzheimer-Pathogenese


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5.6. Therapeutische Ansatzpunkte und Ausblick

Zusammenfassend weisen die in dieser Arbeit gewonnenen Befunde darauf hin, daß aktivierte Astrozyten durch Expression und Sekretion Plaque-fördernder Substanzen (ICAM-1, sekretorisches APP751) eine pathophysiologische Rolle in der Alzheimer-Pathogenese spielen können. Die erzielten Ergebnisse zeigen, daß die Astrozyten-Aktivierung, gemessen an der ICAM-1-Expression, durch präventive Maßnahmen inhibiert werden kann. Nur durch Vorbehandlung mit cAMP-erhöhenden Substanzen wie z.B. mit Forskolin, Rolipram sowie mit den physiologisch vorkommenden Prostaglandinen war eine Astrozyten-Aktivierung zu verringern. Diese Befunde führen zu der Überlegung, inwiefern Prostaglandine die geeigneten Kanditaten zur Behandlung der Astrozyten-Aktivierung in der Alzheimer-Krankheit sein könnten. Es ist jedoch fragwürdig, ob Prostaglandine als Therapeutikum für die Alzheimer-Krankheit eingesetzt werden sollten, da gerade Inhibitoren der Prostaglandin-Synthese, sog. NSAID’s (non-steroidal anti-inflammatory drugs), gezeigt haben, das sich das Risiko, an Alzheimer zu erkranken, bei einer regelmäßigen Einnahme dieser Medikamente um das 6 bis 12fache verringert ( Jenkinson et al., 1989 ). Prostaglandine können neben der in dieser Arbeit gezeigten Verminderung der Astrozyten-Aktivierung auch noch andere physiologische Vorgänge in diesen Zellen beeinflussen. So wird vermutet, daß Prostaglandine die Glutamat-Aufnahme der Astrozyten hemmen ( Vaughn et al., 1991 ). Da jedoch eine wesentliche, neuroprotektive Aufgabe der Astrozyten in der Metabolisierung des Glutamats besteht (siehe 5.4.4.), würde durch die Applikation von Prostaglandinen der ”Glutamat-Recycling-Pathway“ zwischen Neuronen und Astrozyten unterbrochen werden und somit einen neuronalen Zelltod auslösen können. Daraus läßt sich schlußfolgern, daß anstelle von Prostaglandinen andere, spezifische cAMP-erhöhende Substanzen identifiziert werden müssen, die die astrozytäre Aktivität während der Alzheimer-Pathogenese hemmen.

Weitere Untersuchungen hinsichtlich der pathophysiologischen Rolle aktivierter Astrozyten in der Alzheimer-Pathogenese wären sinnvoll, um zusätzliche Grundlagen für die Ätiologie der Alzheimer-Krankheit zu gewinnen. Dabei sollte die Untersuchung der Alzheimer-assoziierten Neuroinflammation an transgenen Tiermodellen, die aufgrund verstärkter Expression der APP-cDNA mit FAD-Mutationen die für die Alzheimer-Krankheit spezifische Plaque-Bildung zeigen, im Vordergrund stehen.


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