Bechmann, Ingo: Mechanismen des Immunprivilegs im Zentralen Nervensystem nach axonaler Läsion

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Kapitel 1. Was ist Immunprivileg ?

Einige Organe des Körpers (vordere Augenkammer, Gehirn, Plazenta, Hoden) zeigen einen immunologischen Sonderstatus reduzierter Aktivierbarkeit des spezifischen und des unspezifischen Immunsystems (Medawar 1948, Streilein 1995). Dieser als Immunprivileg bezeichnete Zustand lokaler Immunsuppression drückt sich etwa in verzögerter oder gänzlich unterdrückter Abstoßung allogenetischer Transplantate in diesen Organen aus (Shirai 1921; Medawar 1948), wie es physiologischerweise im Verbleib der immunphänotypisch kindlichen Plazenta im mütterlichen Organismus (also der Toleranz gegenüber einem allogenetischen Transplantat), aber auch im Überleben von Hornhaut- und Linsentransplantaten in der vorderen Augenkammer illustriert wird. Mithilfe von Transplantationsexperimenten konnte zwischen immunprivilegierten Orten (in denen allogenetische Transplantate toleriert werden) und immunprivilegierten Geweben (die ihrerseits gut transplantiert werden können) unterschieden werden (Streilein 1996).Eine Übersicht findet sich in Tabelle 1:

Tabelle 1:

Immunprivilegierte Orte

Immunprivilegierte Gewebe

Auge, insbesondere vordere Kammer

Cornea

Gehirn

Linse

Schwangerer Uterus

Plazenta/Fetus

Hoden

Hoden

Ovar

Ovar

Haarfollikel

Leber

Nebennierenrinde

Knorpel

Tumoren

Tumoren

Neben der evidenten Notwendigkeit von Immunprivileg in der Plazenta ist dessen Funktion auch für einige andere immunprivilegierte Organe und Gewebe zu erkennen: Die Toleranz gegenüber einem Fremdantigen, etwa einem Virus, ist an solchen Orten offenbar für den Gesamtorganismus günstiger als dessen Elimination, die nur zum Preis der T Zell vermittelten Zytolyse lokaler Zellen zu erreichen ist. In schlecht regenerationsfähigen, postmitotischen oder hochgradig differenzierten Geweben ist ein solcher Zellverlust nicht kompensierbar. Deshalb überleben bestimmte Viren im ZNS, da ihre Eliminierung durch T Effektor Zellen unweigerlich neuronalen Zelltod und damit schwere neurologische Defizite oder den Tod des Individuums zur Folge hätte (Cohen und Schwartz 1999). So scheint das gelegentliche Auftreten eines Herpes zoster für das Individuum deutlich harmloser zu sein, als der Verlust spinaler Ganglienzellen als Resultat der Viruselimination. Ähnliches gilt auch für die vordere Augenkammer und den als Träger der Keimzellen besonders schützenswerten Hoden. In regenerationsfähigen Organen, etwa der Haut, ist eine solche Immunsuppression dagegen nicht notwendig, da alle am Gewebeaufbau beteiligten Zellen zur Proliferation und Redifferenzierung fähig sind.

Experimentell belegt wurde die Existenz von Orten immunologischer Toleranz erstmals durch Shirai (1921), der zeigte, daß xenogenetische Tumorzellen sich im Parenchym des Gehirns ungehindert vermehren (Maus Sarkoma Zellen im Gehirn von Ratten), während sie in anderen Organen (z.B. den extraparenchymal gelegenen Liquorräumen) abgestoßen werden. Seither sind zahlreiche Versuche unternommen worden, die zellulären und molekularen Mechanismen des Immunprivilegs aufzuklären. Bisher sind mehrere, in den verschiedenen Organen uneinheitliche, zelluläre und molekulare Kandidaten identifiziert, deren Bedeutung im einzelnen z.B. durch die Verwendung von transgenen und knock-out Mäusen noch evaluiert wird. Diskutiert werden neben mechanischen Gewebsbarrieren als klassischem Konzept (z.B. Blut-Hirn- oder Blut-Hoden-


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Schranke; Medawar 1948, siehe 2.2), derzeit vor allem die Expression sogenannter Todesliganden (CD95L, TRAIL, TNF, siehe 2.3.), die Apoptose potentiell gefährlicher T Zellen (Dörr et al., eingereicht; Nitsch et al. 2000) induzieren (Bellgrau et al. 1995; Griffith et al. 1995; Bechmann et al. 1999; Bechmann et al. 2000; Bechmann und Nitsch 2001), sowie eine besondere Form der Antigenpräsentation, die Immuntoleranz erzeugt (Streilein et al. 1985; Wenkel et al. 2000; Brabb et al. 2000;, Bechmann et al. 2001a; siehe 3.). Eine solche Immundeviation wurde zuerst in der vorderen Augenkammer beschrieben (Kaplan und Streilein 1977; Streilein und Niederkorn 1985). Dort führt die Injektion von Fremdantigenen nicht - wie an anderen Orten des Körpers - zu einer lokalen T Zell Reaktion (Typ IV Immunreaktion), sondern erzeugt eine systemische Toleranz dem inokulierten Antigen gegenüber. Auf diese Weise werden Antigene in der vorderen Augenkammer nicht attackiert und damit der empfindliche Sehapparat vor entzündungsbedingter Schädigung geschützt. Deshalb erlaubt das Immunprivileg der vorderen Augenkammer auch die Transplantation von allogenetischen Linsen und Hornhäuten. Bekannt ist, daß diese Form der Toleranz adoptiv transferiert werden kann, indem Splenozyten von in der vorderen Augenkammer immunisierten Tieren in ein anderes Tier injiziert werden. In splenektomierten Tieren läßt sich Immundeviation in der vorderen Augenkammer nicht induzieren. Diese Befunde (Streilein und Niederkorn 1985) zeigen, daß Antigene aus der vorderen Augenkammer zusammen mit einem Signal, das Immundeviation erzeugt, in der Milz präsentiert werden und legen nahe, daß dadurch regulatorische T Zellen entstehen. Wahrscheinlich ist, daß dieses Signal durch aus dem Auge in die Milz migrierende Dendritischen Zellen übertragen wird (Wenkel et al. 2000).

In der Plazenta wurde kürzlich gezeigt, daß ihr Immunprivileg zusammenbricht durch die systemische Applikation von 1-Methyltryptophan, einem Inhibitor der Indolamin-2,3-deoxygenase (IDO; Munn et al. 1998). Nach der derzeitiger Vorstellung (Munn et al. 1999) führt die Expression dieses Enzyms auf Makrophagen der Plazenta durch Degradation von Tryptophan und damit zu Reduktion der extrazellulären Tryptophankonzentration. Durch den Mangel an dieser energiereichen Aminosäure wird die T Zell Proliferation inhibiert und dadurch die Abstoßung der Plazenta verhindert. Inwieweit die IDO auch zur Aufrechterhaltung des Immunprivilegs anderer Organe beteiligt ist, bleibt abzuwarten. Ihre Expression, Induzierbarkeit und proliferationsinhibierende Funktion wurde von uns gerade beschrieben, ihre Funktion für das Immunprivileg im ZNS wird derzeit untersucht.

Eine Übersicht von Merkmalen und potentiellen Mechanismen immunprivilegierter Orte und Gewebe zeigt Tabelle 2:

Nicht alle diese Merkmale lassen sich in allen Orten und Geweben finden und nicht alle angesprochenen Funktionen sind unumstritten (Restifo et al. 2000; siehe unten). Viele dieser Mechanismen finden sich als Immune Escape auch in Tumoren (O´Connel et al. 1997), was deren Überleben und Wachstum u.a. erklären kann.

Tabelle 2:

Merkmal

Funktion

Gewebebarrieren
(Blut-Hirn/ Blut-Hoden Schranke)

Erschwerter Zugang für Immunzellen

Keine klassischen Lymphgefäße

Erschwerte Aktivierung von Immunzellen

Interstitielle Flüssigkeit drainiert ins Blut

Erschwerte Lokalisation des Antigens

Reduzierte MHC-I/MHC-II Expression

Keine Antigen-spezifische Interaktion

Keine/defiziente
Antigen-präsentierenden Zellen

Keine (behinderte) Antigen-spezifische Interaktion

Konstitutive Expression von Todesliganden

Induktion von T Zell-Apoptose

Immunsuppressives Mikroenviroment(Expression von TGF-beta)

Immunsuppression
Modifizierte Antigenpräsentation

Differentielle Expression von B7-Molekülen

Modifizierte Antigenpräsentation

Expression der IDO

Inhibition der T Zell Proliferation


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Im Zentralen Nervensystem (ZNS) wurde ein Immunprivileg evident durch die bahnbrechenden Experimente von Medawar (1948), der unter anderem für diese Beobachtungen 1960 mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet wurde. Medawar transplantierte allogenetische Haut in die subcortikale Region oder die Bauchhaut von Hasen. Er beobachtet, daß die Transplantate im ZNS überlebten, während sie in der Bauchhaut abgestoßen wurden. Wenn allerdings Transplantate ins ZNS und in die Bauchhaut eingesetzt wurden, kam es zur sofortigen Abstoßung beider Gewebestücke. Daraus schloß Medawar, daß Antigene im Gehirn zwar keine Immunantwort induzieren, das ZNS aber nicht prinzipiell immunologisch innert ist, sondern nach peripherer Immunisierung sehr wohl zugänglich für Leukozyten sein muß. Diese Eigenschaft des Immunprivilegs des Gehirns wird im Modell der Experimentellen Allergischen Encephalomyelitis (EAE) ausgenutzt, indem peripher immunogene Antigene des ZNS zusammen mit einem Adjuvans injiziert werden. Wie durch Medawars Experimente vorauszusehen, kommt es im folgenden zur Detektion der entsprechenden Epitope im ZNS und -unter bestimmten Bedingungen bzw. in bestimmten Tierstämmen- zur Entwicklung von autoimmunen Erkrankungen, die in vielfacher Hinsicht der Multiplen Sklerose (MS) ähneln. Aus der Identifikation von Mechanismen, die die akute Inflammation im Gehirn terminieren, lassen sich dann Rückschlüsse auf die Regulation des Immunprivilegs ziehen (Sabelko-Downes et al. 1999).

Wie oben angesprochen sind zahlreiche, insbesondere Myelin-assoziierte Antigene des Gehirns, etwa das Myelin-basische Protein (MBP) potentiell immunogen. Im Einklang mit dem Konzept des Immunprivilegs, aber auch dem Danger-Modell immunologischer Aktivierung (Matzinger 1994; siehe unten) im ZNS induziert das bloße Vorliegen dieser Proteine jedoch keine destruktiven autoimmunen Reaktionen, obwohl für solche Antigene spezifische T Zellen zum physiologischen T Zell Repertoir gehören (Schluesener und Wekerle 1985). Nach peripherer Immunisierung mit Myelinbestandteilen kommt des jedoch zur Aktivierung und Expansion dieser Klone und in der Folge zur Ausbildung einer autoimmunen, demyelinisierenden Erkrankungen. Daher wurde die Präsenz ZNS-Antigen-spezifischer T Zellen bis vor kurzem lediglich im Licht der durch diese Zellen induzierbaren Erkrankungen gesehen. Paradoxerweise kommt es nach mechanischer axonaler Läsion, trotz des Zerfalls von Myelin und dem damit einhergehenden Vorliegen immunogener Epitope, nicht zum Ausbruch autoimmuner Erkrankungen (Goddin et al. 1999). Ganz im Gegenteil wurde deutlich, daß die selben autoimmunen T Zellen, die gegen das MBP gerichtet sind und nach peripherer Stimulation eine EAE induzieren können, nach mechanischer Läsion protektive Effekte auf sekundär degenerierende Neurone haben können (Moalem et al. 1999). Aus dieser Beobachtung wuchs das Konzept der „Benignen Immunität“ (Schwartz et al. 1999), deren Existenz nunmehr durch einige Untersuchungen bestätigt wurde (Serpe et al. 1999; Hauben et al. 2000; Bechmann et al. 2001). Nach derzeitiger Vorstellung führt die Bindung des T Zell Rezeptors an sein Antigen (im Kontext von MHC-II Molekülen) zur Freisetzung neurotropher Substanzen (Moalem et al. 2000). Es ist jedoch derzeit unklar, aufgrund welcher Signale diese „benigne Immunität“ und nicht eine der EAE ähnliche Immunantwort induziert wird. Die Identifikation solcher Signale war ein wichtiges Ziel dieser Arbeit.

Um zu verstehen, welche Immunantworten durch axonale Degeneration im ZNS induziert werden und warum mechanische axonale Läsionen nicht zu destruktiven Immunantworten führt, haben wir in den letzten Jahren die Immunbiologie anterograder, also axonaler Läsion untersucht (Bechmann und Nitsch 1997a, 1997b; Hailer et al. 1997; Bechmann et al. 1999; Bechmann und Nitsch 2000; Bechmann et al. 2000; Bechmann und Nitsch 2001; Bechmann et al. 2001). Zur Aktivierung des spezifischen Immunsystems gehören zwei Schritte, nämlich 1. die Phagozytose und Prozessierung von Antigenen durch dazu befähigte Antigen-präsentierende Zellen und 2. die Antigen-spezifische Interaktion mit T Lymphozyten, die verschieden geartet und deren Aktivierung oder Anergie zur Folge haben kann (Matzinger 1998; Gallucci et al. 1999). Einen Überblick über diese Interaktion gibt Abbildung 1 (S. 9).

Antigenpräsentierende Zellen interagieren mit Antigen-spezifischen T Zellen über den T Zell Rezeptor (TCR), der das an MHC-II gebundene Antigen erkennt. Die Adhäsion zwischen den Zellen wird u.a. durch Bindung von ICAM-1 (Intercellular Adhesion Molecule 1) an LFA-1 (Leucocyte Function Antigen-1) gewährleistet. Das Vorhandensein kostimulatorischer Moleküle ist dann entscheidend für die Induktion von T Zell-Aktivierung oder Deaktivierung, ein Prozeß, der wesentlich durch die Sekretion von Zytokinen beeinflußt wird. Nach gängiger Vorstellung führt die Präsentation von Antigenen über MHC-II (Signal 1) ohne Kostimulation (Signal 2) zu T Zell-Anergie oder Apoptose, während die durch sogenannte Danger Signals, also proinflammatorische Zytokine, induzierte Expression von B-7 Molekülen zur T Zell Aktivierung führt (Matzinger 1994, Matzinger 1998, Gallucci 1999). Zumindest für die Antigenpräsentation im ZNS scheint dieser Prozeß


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komplizierter zu sein, indem Expression von B7-2 mit protektiven, von B7-1 mit destruktiven Immunantworten im Verlauf entzündlicher Erkrankungen des ZNS in Zusammenhang steht (Kuchroo et al. 1995; Racke et al. 1995; Windhagen et al. 1995; De Simone et al. 1995; Issazadeh et al. 1998; siehe 2.4.5.).

Die Interaktion zwischen Antigenpräsentierender und T Zelle ist in Abildung 1 dargestellt:

Abbildung 1:

Im Modell der stereotaktischen entorhinalen Läsion der Ratte und der Maus, einem etablierten Paradigma der Degeneration eines myeliniserten Fasertraktes (siehe 2.1.), haben wir in den im folgenden beschriebenen Experimente phagozytische Zellen und deren Interaktion mit T Zellen beschrieben, sowie in vivo und in vitro das Schicksal solcher T Zellen nach Kontakt mit lokalen (Glia-) Zellen untersucht, um zu verstehen, inwieweit die Art lokaler Antigenpräsentation an der Aufrechterhaltung des Immunprivilegs beteiligt ist. Zudem wurde im gleichen Modell die Invasion von Makrophagen sowie die Expression und Funktion von Todesliganden untersucht, da - wie oben angesprochen - zumindest das CD95/CD95L System in anderen Organen und Geweben wesentlich zu deren Immunprivileg beiträgt. Die Rolle bzw. der Turnover von perivaskulären Makrophagen als potentiell Antigenpräsentierenden Zellen wurde ebenfalls untersucht.


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