Wolf,, Susanne: Neurodegeneration und Neuroprotektion - ein Dialog zwischen Immunsystem und Gehirn auf Zellebene

6

Kapitel 1. Einleitung

1.1 Destruktive Autoimmunität im Zentralen Nervensystem (ZNS) - das Zusammenspiel von T Zellen und Mikrogliazellen

Das Immunsystem ist die Polizeitruppe des Organismus. Seine wichtigste Funktion besteht darin, den Körper vor eingedrungen Mikroorganismen zu schützen, sowie vor Zellen, die bösartig geworden sind. Die angeborene Immunität ist unspezifisch und sehr effizient. Erst wenn diese durch Pathogene überwunden wurde, entfaltet die erworbene Immunität ihre volle Wirksamkeit. Diese verfügt über fünf wichtige Eigenschaften: Sie ist spezifisch, muss erworben werden, hat ein Gedächtnis und kann zwischen Selbst- und Nicht-Selbst oder/und gefährlich/ungefährlich unterscheiden. Die angewandte immunologische Forschung war und ist zu einem erheblichen Teil darauf aus, diese Eigenschaften der erworbenen Immunität zu manipulieren. Transplantationsbiologen und Chirurgen würden das Immunsystem gerne von der Ungefährlichkeit oder Selbstheit der Transplantate überzeugen, damit diese nicht durch das Immunsystem angegriffen und zerstört werden. Tumorimmunologen hingegen würden die Immunantwort gerne so abwandeln, dass die Gefahr durch körpereigene, bösartige Tumorzellen erkannt wird und diese aus dem Körper beseitigt werden. Das Immunsystem hält aber eine Ausnahme von den Regeln Selbst/Nicht-Selbst bereit: Das Phänomen der Autoimmunität, das durch Paul Ehrlich 1899 als horror autotoxicus erstmals beschrieben wurde. Das Immunsystem erkennt einen körpereigenen Bestandteil (das Autoantigen) und reagiert darauf; die Folge ist eine Autoimmunkrankheit. Dies ist auch der Fall bei Multipler Sklerose (MS) und ihrem Tiermodell, der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE). Hier erkennt das Immunsystem Bestandteile der Myelinscheide (z.B. das Myelinbasische Protein - MBP), welche die Axone ummantelt und es kommt zur Demyelinisierung und axonalen Schädigung.

1.1.1 Multiple Sklerose

Das verblüffendste epidemiologische Merkmal der MS besteht darin, dass ihre Prävalenz in Abhängigkeit von der geographischen Breite schwankt. Mit Ausnahme Japans (wo die Prävalenz gering ist), wird die Krankheit auf der Nord- und Südhalbkugel mit zunehmender Entfernung vom Äquator immer häufiger. Die höchste Prävalenz findet man auf den Orkney- und Shetland-Inseln (brit.). In Westeuropa liegt die Inzidenz bei 30-60/100 000. Die Krankheit tritt zwischen dem 20. und 40. Lebensjahr und häufiger bei Frauen auf (w:m = 1,2-2:1). Weitere Befunde lieferten Untersuchungen wandernder Bevölkerungsgruppen. Bei Immigranten, die vom indischen Subkontinent, der Karibik und Afrika nach Großbritannien kamen, ist das MS-Risiko gering. Bei ihren in Großbritannien geborenen Kindern ist es jedoch genauso hoch wie bei der übrigen britischen Bevölkerung. Diese und andere Beobachtungen legen den Schluss nahe, dass ein Erreger die MS verursacht, der in kühleren Klimazonen vorhanden ist und den man sich in der Kindheit zuzieht. Man hat vielen Viren diese Rolle zugeschrieben, darunter dem Masernvirus und verschiedenen Retroviren, aber die Befunde sind nicht schlüssig. Einen genetischen Einfluss vermutet man bei der MS schon seit vielen Jahren. In zirka 3-12% der Fälle gibt es eine familiäre Häufung. Bei Angehörigen ersten Grades ist das Erkrankungsrisiko 15mal höher als im Bevölkerungsdurchschnitt. Es besteht eine Assoziation mit MHC-II kodierenden Genen HLA-DR2 und mit dem Haplotyp A3, B7, CW7, DW2.


7

Die ersten Gewebeschäden zeigen entzündliche Veränderungen mit eingewanderten, einkernigen Leukozyten. Ältere Entzündungsherde enthalten Plasmazellen und Lymphozyten. In späteren Stadien findet man Vernarbungen der Glia (Sklerose). Die MS-Herde bleiben auf das ZNS beschränkt, können aber überall im ZNS entstehen. Vorwiegend treten sie in der weißen Gehirnsubstanz und besonders häufig in den Sehnerven, im Bereiche um die Gehirnventrikel, im Hirnsstamm und im oberen Teil des Rückenmarks auf. Die klinischen Symptome des einzelnen Patienten sind abhängig von der Lage der Herde. In der Regel beginnt die Krankheit mit einem einzigen Symptom. Am häufigsten beobachtet man Sehstörungen, Doppelsehen, taubes oder prickelndes Gefühl oder Muskelschwäche. Vom ersten Anfall erholt der Patient sich meistens vollständig. Die späteren Schübe sind nicht vorhersehbar und hinterlassen meist dauerhafte Schäden, so dass der Patient im Verlauf der Erkrankung immer stärker behindert wird. Häufige Krankheitszeichen einer fortgeschrittenen MS sind ungleichmäßiger Gang, Verlust der Blasenkontrolle, Lähmung und veränderte Wahrnehmung. Die Krankheit kann sehr unterschiedlich verlaufen. Die durchschnittliche Lebenserwartung vom Ausbruch an liegt bei 20 bis 30 Jahren. Besonders schlecht ist die Prognose, wenn die Krankheit nach dem 40. Lebensjahr auftritt, wenn es zu frühzeitigen Rückfällen kommt, wenn es in der Familie schon andere Fälle von MS gab oder wenn der Patient zu einer niedrigen sozialen Schicht gehört. Wegen relativ häufiger Spontanremission sind therapeutische Erfolge nur schwer zu beurteilen. Als gesichert gilt die Wirksamkeit von Adrenocorticotrophic hormone (ACTH) und Glukokortikoiden zur Verkürzung der Schubdauer und von Azathioprin zur Verringerung der Schubfrequenz. (Pschyrembel, Klinisches Wörterbuch 1994; Autoimmunität, Spektrum Lehrbuch 1995). Bei einigen Formen der MS greift eine Therapie mit IFN-beta, was hauptsächlich auf dessen immunsupressive Wirkung zurückgeführt wird. Ein neues vielversprechendes Medikament gegen schubweise MS ist Copaxone 1, dessen Wirkung hauptsächlich auf der Rekrutierung von Th2 Zellen und spezifischer Immunsuppression beruht (Aharoni et al. 2000; Johnson et al. 2001; Neuhaus et al. 2001).

1.1.2 Experimentelle Autoimmune Enzephalomyelitis (EAE)

Diese MS-ähnliche Erkrankung kann bei Nagetieren durch die Injektion von Peptiden des Myelins (MBP, PLP, MOG, MAG) in komplettem Freund‘schen Adjuvans und Boostern mit Pertussistoxin oder Zellwandbestandteilen von Tuberkelbakterien ausgelöst werden. Dies spricht für eine Beteiligung durch eine systemische Aktivierung des Immunsystems beim Auslösen der EAE. Weiterhin kann die Krankheit auf nicht immunisierte Tiere durch den adoptiven Transfer von Th1 Zellen aus immunisierten Tieren übertragen werden. Auch durch die Injektion von voraktivierten ZNS-spezifischen T Zellen kann EAE induziert werden. Es gibt die verschiedensten Modelle von EAE (akut-chronisch, schubweise), die mehr oder weniger den MS-Formen entsprechen. Einige Maus- und Rattenstämme sind besonders empfänglich für EAE (wie z.B. der in dieser Arbeit verwendete transgene Tg4 Stamm), während in anderen Stämmen EAE gar nicht oder sehr schwer auszulösen ist. Dies spricht für eine genetische Komponente der EAE. Die genannten Parallelen zur MS (Assoziation mit einer peripheren Immunreaktion, Th1 Abhängigkeit, genetische Komponente) lassen die EAE zu einem weit verbreiteten Modell in der MS Grundlagenforschung werden.


8

1.1.3 Die T Zellen und Kostimulation

Die T Zellen sind Zellen des Immunsystems, die zur Verteidigung gegen körperfremde Eindringlinge dienen. Für eine komplette Aktivierung einer T Zelle sind zwei Signale notwendig. Das erste Signal bekommt sie über ihren T Zellrezeptor (TCR) nach dem Kontakt mit einer Fresszelle, die einen körperfremden Bestandteil (Antigen) in sich aufgenommen und auf ihrer Oberfläche als MHC-II-Komplex präsentiert hat. Das zweite Signal wird über kostimulatorische Rezeptoren zwischen Fresszelle und T Zelle übertragen. Zwei dieser kostimulatorischen Moleküle, die von Antigen präsentierenden Zellen (APC) expremiert werden, sind B7-1 und B7-2. Man unterscheidet cluster of differentiation (CD)4 und CD8 positive Zellen. Die CD8+ Zellen wirken hauptsächlich direkt zytotoxisch, während die CD4+ Zellen am ehesten dem Helfer-Typ (Th) entsprechen. Die CD4+ Zellen werden in zwei Subtypen unterteilt - die vorwiegend proinflammatorisch wirkenden Th1 Zellen und die Th2 Zellen, denen ein antiinflammatorisches Potential zugeschrieben wird. Die beiden T-Zell-Subtypen unterscheiden sich in ihrem Zytokinmuster: Th1 Zellen produzieren vornehmlich IFN-gamma, IL-2 und TNF-alpha; Th2 Zellen lassen sich durch die Produktion von IL-4, IL-5 und IL-13 charakterisieren. Treffen naive T Zellen auf B7-1 expremierende APCs, entwickeln sie sich in Richtung Th1; nach der Ligation mit B7-2 kommt es zur Differenzierung von Th2 Zellen (Freeman et al. 1995; Kuchroo et al.1995). Trägt eine T Zellen auf ihrer Oberfläche einen Rezeptoren, der mit Bestandteilen von körperfremden Zellen oder Organismen reagiert, werden beide Signale von der Antigen präsentierenden Zelle bereitgestellt. Die T Zelle wird aktiviert und kann den Kampf gegen das Pathogen aufnehmen. Trägt eine T Zelle einen Rezeptor für einen körpereigenen Bestandteil - wie zum Beispiel das MBP - wird sie normalerweise nicht aktiviert, sondern wird anergisch oder schon im Thymus aussortiert. In MS und EAE scheint dieser Mechanismus nicht mehr zu greifen. Das T Zell Repertoire in akuten MS-Läsionen ist sehr heterogen. Unspezifische T Zellen bilden die Mehrheit innerhalb der T-Zell-Infiltrate bei Autoimmunkrankheiten (Steinmann et al. 1996). Interessanterweise werden die unspezifisch aktivierten T Zellen von einer geringen Anzahl autoreaktiver T Zellen rekrutiert und kontrolliert. Die klassische Vorstellung des Krankheitsbildes der MS ist das T Zell vermittelte Abschälen der Myelinscheide durch Makrophagen und Mikrogliazellen.

1.1.4 Die Mikrogliazelle - die lokale APC des ZNS

Mikroglia sind die immunkompetenten Zellen des ZNS. Sie machen 5-15 % der humanen ZNS-Zellen aus und sind damit etwa so zahlreich wie die Neurone. Es wird heute allgemein akzeptiert, dass Mikroglia nicht neuroektodermalen Ursprungs sind, sondern zu den Zellen des mononukleären Makrophagen-Systems gerechnet werden können. Schon Virchow und andere der frühen Neuropathologen wie Alzheimer und Nissl hatten über die Existenz von nicht neuroektodermale Zellen im ZNS spekuliert. Del Rio Hortega erkannte in seinen grundlegenden Arbeiten vom Anfang des vergangenen Jahrhunderts als erster die wichtigen Rollen, die diese Zellen bei vielen akuten und chronischen pathologischen Prozessen im ZNS spielen. Durch die Verfügbarkeit von neuen Methoden, insbesondere von spezifischen Antikörpern (Ak), konnte in den letzten Jahren die Bedeutung dieser Zellen bei allen wichtigen ZNS-Pathologien aufgezeigt werden (zur Übersicht: Kreutzberg et al. 1996).


9

Normalerweise befinden sich die Mikroglia im gesunden adulten Gehirn in einem Ruhezustand, der „resting microglia“ genannt wird. Sie stellen eine sehr stabile Population dar mit - im Vergleich zu anderen Makrophagen - niedriger Zellumsatzrate. Bei einer Schädigung des ZNS, seien es traumatische, ischämische, inflammatorische oder neurodegenerative Prozesse, wandeln sich die ruhenden Mikroglia als „Sensoren pathologischer Ereignisse“ (Gehrmann et al. 1995) sehr schnell in aktivierte Mikroglia um und greifen in das Krankheitsgeschehen ein. Die Aktivierung ist ein stufenweiser Prozess, der relativ unabhängig von der auslösenden Noxe fast stereotyp abläuft. In einem ersten Schritt werden die Mikroglia aktiviert, ohne phagozytisch zu werden. Sie proliferieren und expremieren bestimmte Aktivierungsmarker, von denen besonders die Zelladhäsionsmoleküle und die MHC I und II Antigene gut beschrieben sind. In einem zweiten Schritt transformieren die aktivierten Mikroglia zu intrinsische Gehirnmakrophagen, die in der Lage sind, Zelltrümmer und geschädigte Zellen zu phagozytieren.

Die aktivierten Mikrogliazellen produzieren eine Vielzahl von Botenstoffen (Zytokine) und können über diese oder über Rezeptoren auf der Zelloberfläche wiederum mit infiltrierenden T Zellen kommunizieren (Kreuzberg 1996; Hailer 1997; Aloisi et al. 1999, 2000a,b). Es ist also möglich, dass sowohl eine T Zelle von einer APC als auch eine APC von einer T Zelle durch Zytokine oder Kostimulation aktiviert und in ihrer Funktion moduliert werden kann. Welche Faktoren von aktivierten Mikrogliazellen freigesetzt werden, scheint letztendlich von der zugrundeliegenden Noxe mitbestimmt zu werden.

In vivo Studien mit blockierenden B7-1 und B7-2 monoklonalen Antikörpern (mAK) zeigen, dass die Kostimulation von T Zellen durch B7-1 und B7-2 auf APCs den Beginn und Verlauf von EAE unterschiedlich beeinflussen kann (Miller et al. 1995; Lenschow et al. 1995a; Perrin et al. 1999). In einer Studie mit knock out Tieren, denen entweder B7-1 oder B7-2 oder beide Moleküle fehlten, waren die klinischen Symptome der EAE Erkrankung bei B7-2 defizienten Tieren weniger schwer als bei B7-1 defizienten Tieren. Konnte der B7/CD28-Weg bei CD28 knock out Tieren gar nicht beschritten werden, war es nicht möglich, EAE auszulösen (Girvin et al. 2000). Es wurde berichtet, dass in MS-Läsionen B7-1 auf den Hirnmakrophagen hochreguliert wird (Williams et al. 1994; De Simone et al. 1995; Windhagen et al. 1995). Es gibt einige Hinweise, die vermuten lassen, dass die Regulation von B7-1 durch die Expression von B7-2 gesteuert wird. In NOD/B7-2 defizienten Tieren wird nach dem Einsetzen der für Diabetes typischen Neuropathie B7-1 hochreguliert, während es bei einfachen NOD Tieren nicht zu einer solchen Hochregulation von B7-1 kommt (Jordan und Bluestone, persönliche Mitteilung).

1.1.5 Das Immunprivileg des ZNS

Aber nicht nur bei pathologischen Prozessen gibt es einen Austausch zwischen den Zellen des Immunsystems und des ZNS. Auch im physiologischen Zustand des Körpers kommunizieren diese beiden Organsysteme miteinander. Bis in den letzten Teil des vergangenen Jahrhunderts glaubte man, das Gehirn wäre vom Immunsystem abgeschirmt und würde von ihm ignoriert, da ins Gehirn transplantierte Haut nicht abgestoßen wurde (Shirai 1921; Medawar 1948). Man nahm an, dass erstens die Blut-Hirn-Schranke keine Immunzellen passieren lässt und zweitens kein Abflussweg vom Gehirn zum Lymphsystem existiert. Beide Behauptungen konnten in den 90er Jahren wider


10

legt werden. Im normalen T Zell Repertoire wurden ZNS-spezifische autoantigene T Zellen gefunden (Schlüsener 1985; Anderson et al. 2000). Aktivierte T Zellen können die Blut-Hirn-Schranke passieren (Wekerle et al. 1986; Hickey et al. 1991). Cserr und Knopf beschrieben 1992 den Abflussweg vom Gehirn in das Lymphsystem. Außerdem wurden in den zervikalen Lymphknoten ins ZNS injizierte Antigene gefunden (Harling-Berg et al. 1989). Trotz dieser Befunde bleibt das Phänomen des „Immunprivilegs“ für das ZNS erhalten. Dieses Privileg gründet sich aber nicht auf Ignoranz, sondern auf Toleranz. Durch Harold Weiner wurde das Phänomen oral tolerance in MS und EAE beschrieben. Durch die orale Gabe von myelinassoziierten Peptiden und Proteinen in einer niedrigen Dosis, wird EAE verhindert und in bestimmten Fällen die MS gelindert. Durch das Auftauchen des ZNS-Antigens im Darm wird in den T Zellen eine Toleranz gegenüber diesem Antigen erzeugt so dass sie nicht mehr darauf reagieren, wenn sie es im ZNS wiederfinden (Higgins und Weiner 1988; Weiner et al. 1997; Weiner et al. 2000). Man vermutet, dass es nach einer Applikation eines ZNS-Antigens in der Peripherie zur Produktion von regulatorischen T Zellen kommt (Chen et al. 1994). Eine Kostimulation über B7-2, aber nicht über B7-1 ist notwendig, um eine orale Toleranz auszulösen (Liu et al. 1999). Im gesunden Zustand ist vermutlich das Immunsystem ohne vorherige Stimulation den ZNS-Antigenen gegenüber tolerant. Der Sinn des Immunprivilegs wird damit erklärt, dass eine Schädigung des nicht regenerationsfähigen ZNS durch eine entzündliche Reaktion unter allen Umständen vermieden und das fremde Antigen vom Immunsystem toleriert werden soll. Ähnlich wird der immunprivilegierte Status anderer Organe, wie des Hodens, der vorderen Augenkammer und der Plazenta begründet. Das Eingreifen des Immunsystems nach traumatischen Schäden des ZNS kann jedoch durchaus wünschenswert sein, wie zahlreiche Studien zum Einfluss von autoreaktiven T Zellen auf sekundäre De-/und Regeneration im ZNS zeigen.


11

1.2 Benigne Autoimmunität \|--\| Die Rolle von autoreaktiven T Zellen bei der Verhinderung von sekundären neuronalen Schäden nach einer Verletzung des ZNS

Die Verletzung des ZNS von Säugetieren resultiert in einem primären Schaden der direkt betroffenen Neurone und ist meist von einem graduellen, sekundären Verlust nicht-geschädigter Neurone begleitet (Faden und Salzman 1992; Faden 1993; McIntosh 1993; Yoles und Schwartz 1998). Die primäre Läsion verursacht Veränderungen der extrazellulären Ionenkonzentration, erhöht die Zirkulation von freien Radikalen, das Ausschütten von Neurotransmittern, die Depletion von Wachstumsfaktoren und die lokale Inflammation (Liu et al. 1994). Diese Veränderungen lösen eine Kaskade von intrazellulären, destruktiven Vorgängen aus, die zu einem verzögerten neuronalen Tod führen (Villegas-Perez et al. 1993; Berkelaar et al. 1994; Gracia-Valenzuela et al. 1994). Studien über die Wirkung von ZNS-spezifischen T Zellen in verschiedenen Hirntraumamodellen in Maus und Ratte zeigen, dass bei mechanischer Schädigung autoreaktive T Zellen protektiv wirken können (Zur Übersicht: Cohen und Schwartz 2000). Autoimmune T Zellen, die spezifisch für einen Teil des Myelins (MBP) sind, können verletzte Nervenzellen vor einem sekundären Fortschreiten des primären Schadens schützen (Moalem et al. 1999; Hauben et al. 2000a). Auch T Zellen, die spezifisch für das zur MS-Therapie eingesetzte Copaxone 1 sind, konnten den Sekundärschaden nach Quetschläsion des Nervus opticus verringern (Kipnis et al. 2000). Die passive und aktive Immunisierung mit Peptiden des Myelins (MBP, PLP, MOG) schützte sowohl bei einer Wirbelsäulenverletzung (Hauben et al. 2000b) als auch im Modell des optic nerve crush (Fisher et al. 2001) vor dem Fortschreiten des primär gesetzten Schadens. Bei einer Läsion der Wirbelsäule konnte durch MBP spezifische T Zellen die Zystenbildung verhindert werden. Gleichzeitig wurde die Expression von B7-2 auf T Zellen und Mikrogliazellen beobachtet (Butovsky et al. 2001). Auch nach entorhinaler Läsion im Hippocampus wurde die Expression von B7-2 auf Mikrogliazellen beschrieben (Bechmann et al. 2001). Von den Autoren wird eine neuroprotektiv wirkende Immunität vermutet, die durch die Expression von B7-2 begleitet wird. Ob die Expression des B7-2 Moleküls die Ursache oder die Wirkung der Protektion ist, bleibt jedoch unklar. In verschiedenen Hirntraumamodellen wird von einer starken T-Zell-Akkumulation in den Zonen der primären Degeneration und sekundären Regeneration berichtet (Hirschberg et al. 1998;Raivich et al. 1998, Moalem et al. 1999; Butovsky et al. 2000). Als potentielle Mediatoren der Neuroprotektion werden neurotrophe Faktoren genannt (Brain derived neurotrophic factor (BDNF), Neurotrophic factor (NT) 4 und 5, Nerve growth factor (NGF)), die von verschiedenen T-Zell-Subsets produziert werden können (Kerschensteiner et al. 1999; Schwartz et al. 1999; Hohlfeld et al. 2000; Flügel et al. 2001).

Die Wirkungsweise von MBP-spezifischen T Zellen scheint nahezu konträr: Im Kontext einer Autoimmunkrankheit wie der MS sind sie unerwünschte Mediatoren; nach einer mechanischen Schädigung haben sie protektives Potential. Die dahinter liegenden Mechanismen versuchte ich mit dieser Arbeit aufzuspüren und habe im Folgenden fünf Arbeitshypothesen formuliert.


© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

DiML DTD Version 2.0
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Tue Oct 1 15:50:06 2002