Aus der Klinik für Pädiatrie m. S. Pneumologie und Immunologie
Charité-Campus Virchow Klinikum
Medizinische Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin
(Direktor: Professor Dr. med. Ulrich Wahn)

Mechanismus der Allergen-induzierten Ausbildung von Atemwegs-Entzündung und Atemwegs-Hyperreaktivität

Habilitationsschrift

zur Erlangung der Venia Legendi
für das Fach Kinderheilkunde und Allergologie

vorgelegt dem Fakultätsrat der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von

Dr. med. Eckard Hamelmann

Präsident: Prof. Dr. rer. nat. J. Mlynek

Dekan: Prof. Dr. Joachim W. Dudenhausen

eingereicht am:15.04.2000

Öffentlich-wissenschaftlicher Vortrag: 05.12.2002

Gutachter:
1. Prof. Dr. Dietrich Reinhard, München
2. Prof Dr. Felix Sennhauser, Zürich.

Für meine Eltern Ingrid und Horst Hamelmann,

Für Lydia

Und für meine Kinder Hannah, Louise und Inga

I.Liste der Publikationen

Dieser Arbeit liegen folgende Publikationen zugrunde:

1. Hamelmann E , Oshiba A, Bradley K, Loader J, Larsen G, Potter T, Gelfand E. Requirement for CD8 T CELLS in THE DEVELOPMENT OF AIRWAY HYPERRESPONSIVENESS IN A MURINE MODEL OF AIRWAY SENSITIZATION. J. Exp. Med. 1996; 183:1719-1730.
2. Hamelmann E , Oshiba A, Coffman R, Lee J, Larsen K, Gelfand EW. ANTI-interleukin-5 antibody prevents airway hyperresponsiveness in a murine model of airway sensitization. Am. J. Crit. Care Resp. Med. 1997; 155: 819-825.
3. Schwarze J., Hamelmann E , KL Bradley, K Takeda, EW Gelfand. RESPIRATORY SYNCYTIAL VIRUS INFECTION RESULTS IN AIRWAY HYPERRESPONSIVENESS AND ENHANCED AIRWAY SENSITIZATION TO ALLERGEN. J. Clin. Invest.1997; 100: 226-233.
4. Oshiba A, Hamelmann E , Takeda K, Bradley K, Loader J, Larsen G, and Erwin W. Gelfand. Passive Transfer of Immediate Hypersensitivity and Airway Hyperresponsiveness by Allergen-specific Monoclonal IgE and IgG1 but not IgG2a or IgG3 Antibodies in Mice. J. Clin. Invest. 1996; 97 (6): 1398-1408.
5. Hamelmann E , Oshiba A, Schwarze J, Bradley K, Loader J, Larsen G, Potter T, Gelfand EW. allergen-Specific IgE and IL-5 are essential for the development of airway hyper-responsiveness. Am. J. Resp. Cell Mol. Biol.1997; 16: 674-682.
6. Hamelmann E , Vella AT, Oshiba A, Marrack P, Gelfand EW. Allergic Airway Sensitization induces t-cell activation but not airway hyperresponsiveness in B-cell deficient mice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1997;94:1350-1355.
7. Hamelmann E. , J. Schwarze, K. Takeda, A. Oshiba, G.L. Larsen, C.G. Irvin, E.W. Gelfand. Noninvasive Measurement of Airway Responsiveness in Allergic Mice using Barometric Plethysmography. Am. J. Crit. Care Resp. Med. 1997;156:766-775.
8. Hamelmann E , Vella AT, Kappler J, Marrack P, Gelfand EW . Development of eosinophilic airway inflammation and airway hyperresponsiveness requires interleukin-5 but not immunoglobulin E or B lymphocytes [see comments]. Am J Respir Cell Mol Biol 1999 Oct 1;21(4):480-489.
9. Takeda K, Hamelmann E , Joetham A, Shultz L, Irvin C, Gelfand EW. DEVELOPMENT OF AIRWAY EOSINOPHILIA AND AIRWAY HYPERRESPONSIVENESS IN ALLERGEN-SENSITIZED MAST CELL DEFICIENT MICE. J. Exp. Med. 1997; 186: 449-454.
10. Hamelmann E , Takeda K, Haczku A, Cieslewicz G, Shultz LD, Hamid QA, Xing Z, Gauldie J, and Gelfand EW. IL-5 but not IgE reconstitutes airway inflammation and hyperresponsiveness in IL-4 deficient mice. Am.J Respir.Cell Mol.Biol. 2000;23:327-334.
11. Hamelmann E , Cieslewicz G, Schwarze J, Ishizuka T, Joetham A, Heusser C, Gelfand E. Anti-Interleukin 5 but not Anti-Immunoglobulin E Treatment Prevents Airway Inflammation and Hyperresponsiveness in a Mouse Model of Allergic Sensitization.Am. J. Crit. Care Resp. Med. 1999;160: 934-941.
12. Hamelmann E . ZUR Entstehung von atemwegs-entzündung und atenwegs-hyperreaktivität: Einblicke aus dem asthma maus-modell. Pneumologie 1999;53:307-312.
    
13. Hamelmann E, Takeda K, Oshiba A , Gelfand EW. ROLE OF IGE IN THE DEVELOPMENT OF ALLERGIC AIRWAY Inflammation AND AIRWAY HYPERRESPONSIVENESS-A MURINE MODEL. Allergy. 1999;54:297-305.
14. Hamelmann E , Wahn U, Gelfand EW. ROLE OF Th2 Cytokines in the Development of Allergen-Induced Airway Inflammation and Hyperresponsiveness. Intl. Arch. Allergy Immunol 1999;118:90-94.
15. Hamelmann E , Gelfand EW. ROLE OF IL-5 in the Development of Allergen-Induced Airway Hyperresponsiveness. Intl. Arch. Allergy Immunol 1999;120:8-16.
16. Hamelmann E and Gelfand EW. IL-5 induced airway eosinophilia - the key to asthma ? Immunol. Reviews 2001;179:182-191.
17. E Hamelmann . Anti-IgE und Anti-IL-5 – neue therapeutische Konzepte für die Behandlung von Allergien. Allergologie 2000;23(12):585-588.
18. Blümchen K., T. Kallinich, E Hamelmann . Anti-IL-5 Therapy. Expert Opinion on Biological Therapy 2001;1(3):433-453.
19. Hamelmann E , Rolinck-Werninghaus C, Wahn U. From IgE to Anti-IgE – where do we stand. Allergy 2002

Inhaltsverzeichnis

• 1  Kapitel   Einführung
  • 1.1  Mechanismus der Atemwegs-Hyperreaktivität
    • 1.1.1 Definition von AHR
    • 1.1.2  Mechanismus der Atemwegs-Hyperreaktivität
      • .1 Abnormalität der Atemwegs-Muskulatur
      • .2 Strukturelle Abnormitäten
      • .3 Neurologische Abnormitäten
    • 1.1.3 Atemwegs-Entzündung und Atemwegs-Hyperreaktivität
  • 1.2  Allergische Entzündung in Asthma bronchiale
    • 1.2.1 Humorale Faktoren
      • .1  Membranabkömmlinge
        • Zykloxygenase-Produkte
        • Lipoxygenase-Produkte
      • .2 Zell-Granula
        • Histamin
        • Eosinophile Granula
      • .3 Zytokine
    • 1.2.2  Entzündungs-Zellen
      • .1 Mastzellen
      • .2 Eosinophile Zellen
      • .3 Leukozytäre Infiltration
    • 1.2.3  T-Zellen in Asthma bronchiale
      • .1 IgE-Produktion und Bronchospasmus
      • .2 Eosinophile Entzündung und Spätreaktion
      • .3  Konzept der Th1 und Th2 Zellen
  • 1.3  Tiermodelle der Atemwegs-Hyperreaktivität
    • 1.3.1 Tiermodelle für Asthma bronchiale
    • 1.3.2 Validität von Tiermodellen
    • 1.3.3 Bewertung von Tiermodellen
  • 1.4  Ziele der Studie, Fragestellung
• 2  Kapitel   Material und Methoden
  • 2.1  Materialien
  • 2.2  In vivo Tierversuche
    • 2.2.1 Versuchstiere
    • 2.2.2  Betäubung
    • 2.2.3 Sensibilisierung mit Allergen
      • .1 Atemwegs-Sensibilisierung
      • .2  Passive Sensibilisierung
      • .3  Systemische Sensibilisierung
    • 2.2.4 Provokation mit Allergen
    • 2.2.5  In vivo Zell-Depletion
    • 2.2.6  In vivo Zell-Transfer
    • 2.2.7 Antikörperbehandlung
    • 2.2.8 Bestimmung der kutanen Hyperreaktivität (ICH)
    • 2.2.9 Bestimmung der Atemwegs-Reaktivität
      • .1 Bestimmung der trachealen Kontraktilität in vitro
      • .2 Bestimmung der Resistenz in vivo
      • .3 Barometrische Plethysmographie in vivo
  • 2.3  In vitro Versuche
    • 2.3.1 Bestimmung der Immunglobuline mittels ELISA
    • 2.3.2 Präparation von Zellen
    • 2.3.3 Zell-Proliferation
    • 2.3.4  CD8⁺ T-Zell-Isolierung
    • 2.3.5 T-Zell-Anreicherung, T-Zell-Depletion in vitro
    • 2.3.6 Durchfluß-Zytometrie
    • 2.3.7  Bestimmung von Zytokinen mittels ELISA
    • 2.3.8 Bestimmung von zytoplasmatischen Zytokinen mittels FACS
    • 2.3.9 Broncho-alveoläre Lavage (BAL)
    • 2.3.10  Lungenzell-Isolierung
    • 2.3.11 Bestimmung der Eosinophilen Peroxidase (EPO) Aktivität
    • 2.3.12 Histologie
    • 2.3.13  Immunohistochemie (IHC)
    • 2.3.14  In situ Hybridisierung mittels RT-PCR
  • 2.4  Datenanalyse
• 3  Kapitel   Ergebnisse
  • 3.1  Ergebnisse im Modell der Atemwegs-Sensibilisierung
    • 3.1.1  Das Modell der Atemwegs-Sensibilisierung
      • .1 Einführung
      • .2  Protokolle
      • .3  Ergebnisse
    • 3.1.2  CD8 Depletion vor Atemwegs-Sensibilisierung
      • .1 Einführung
      • .2 Protokolle
    • 3.1.3  Anti-IL-5 Antikörper vor Atemwegs-Sensibilisierung
      • .1 Einführung
      • .2 Protokolle
  • 3.2  Ergebnisse im Modell der passiven Sensibilisierung
    • 3.2.1  Passive Sensibilisierung mit IgE und IgG1
      • .1 Einführung
      • .2  Protokolle
    • 3.2.2  Passive Sensibilisierung von Nacktmäusen
      • .1 Einführung
      • .2  Protokolle
    • 3.2.3  Passive Sensibilisierung von B-Zell-defizienten-Mäusen
      • .1 Einführung
      • .2  Protokolle
  • 3.3  Ergebnisse im Modell der systemischen Sensibilisierung
    • 3.3.1  Das Modell der systemischen Sensibilisierung
      • .1 Einführung
      • .2 Protokolle
    • 3.3.2  Systemische Sensibilisierung von B-Zell-defizienten Mäusen
      • .1 Einführung
      • .2 Protokolle
    • 3.3.3  Systemische Sensibilisierung von Mastzell-defizienten Mäusen
      • .1 Einführung
      • .2 Protokolle
    • 3.3.4  Systemische Sensibilisierung von Zytokin-defizienten Mäusen
      • .1 Einführung
      • .2  Protokolle
    • 3.3.5  Anti-IL-5 und anti-IgE Antikörper Behandlung
      • .1 Einführung
      • .2  Protokolle
• 4  Kapitel   Beantwortung der Fragen und Diskussion
  • 4.1  Wie unterscheiden sich unterschiedliche Modelle der Sensibilisierung hinsichtlich IgE-Produktion, eosinophiler Entzündung und Entwicklung von AHR?
  • 4.2 Welche Bedeutung haben B-Zellen, allergen-spezifische IgE-Produktion und IgE-vermittelte Mastzell-Aktivierung für die Entwicklung von Atemwegs-Entzündung und AHR?
  • 4.3  Welche Bedeutung spielen T-Zellen und T-Zell-Zytokine für die Entwicklung von Atemwegs-Entzündung und AHR?
  • 4.4  Welche Bedeutung haben IL-5 und IL-5-vermittelte eosinophile Atemwegs-Infiltration für die Entwicklung von Atemwegs-Entzündung und AHR?
  • 4.5  Welche möglichen therapeutischen Ansätze können daraus gefolgert werden?
  • 4.6  Aussichten
• 5  Zusammenfassung
• II.Liste der Abkürzungen
• Literaturverzeichnis
• Danksagung
• EIDESSTATTLICHE VERSICHERUNG

Tabellen

• Tabelle 1.1.1: Mechanismen in der Entwicklung von AHR:
• Tabelle 1.1.2: Pathologie der asthmatischen Atemwegs-Entzündung .
• Tabelle 1.2.2: Histamin-Rezeptoren der Atemwege
• Tabelle 1.2.3: Eosinophile basische Proteine
• Tabelle 1.2.4: Zytokine in Asthma bronchiale
• Tabelle 1.2.5: Mastzell-Typen
• Tabelle 1.2.6: Endotheliale und leukozytäre Adhäsionsmoleküle .
• Tabelle 1.2.7: Chemokine für die Aktivierung von Leukozyten
• Tabelle 1.2.8: Einteilung von T-Zellen nach ihrem Zytokin-Profil
• Tabelle 4.6.1: Immunmodulierende anti-allergische Therapie

Bilder

• Abbildung 1.1.1: Dosis-Wirkungs-Kurve bei Vorliegen von AHR
• Abbildung 1.2.1: Synthese von Prostaglandinen und Leukotrienen.
• Abbildung 1.2.2: Aktivierung von Mastzellen
• Abbildung 1.2.3: Adhäsion von Leukozyten
• Abbildung 1.2.4: Struktur von IgE
• Abbildung 1.2.5: VDJ-Rekombination der schweren Kette
• Abbildung 1.2.6: Isotypen-Wechsel (switch) zu IgE
• Abbildung 1.2.7: Regulation der IgE-Synthese
• Abbildung 1.2.8: Synopsis über die Entstehung von Atemwegs-Obstruktion, Atemwegs-Entzündung und AHR
• Abbildung 1.4.1: Hauptkomponenten bei der Entstehung von Asthma bronchiale
• Abbildung 2.2.1: Übersicht über Sensibilisierungs- und Provokationsprotokolle
• Abbildung 3.1.1: Protokoll der Atemwegs-Sensibilisierung
• Abbildung 3.1.2: Protokoll der CD8-Depletion.
• Abbildung 3.1.3: Protokoll der anti-IL-5 Antikörperbehandlung .
• Abbildung 3.2.1: Protokoll der passiven Sensibilisierung mit anti-OA Ig
• Abbildung 3.2.2: Protokoll der passiven Sensibilisierung von Nackmäusen
• Abbildung 3.2.3: Protokoll der passiven Sensibilisierung von B-Zell-defizienten Mäusen
• Abbildung 3.3.1: Protokoll der systemischen Sensibilisierung
• Abbildung 3.3.2: Protokoll der Zytokin-Rekonstitution
• Abbildung 3.3.3: Protokoll der anti-IgE und anti-IL-5 Behandlung
• Abbildung 4.6.1: Angriffspunkte für innovative Therapien bei Asthma bronchiale.