[Seite 15↓]

1  Kapitel

Einführung


[Seite 16↓]

1.1  Mechanismus der Atemwegs-Hyperreaktivität

Asthma bronchiale ist eine der häufigsten chronischen Erkrankungen, und die Anzahl der erkrankten Patienten (Prävalenz) und die Zahl der Neuerkrankungen (Inzidenz) sind noch immer zunehmend (1.7). Asthma bronchiale wird durch drei kardinale Faktoren definiert (8, 9):

  1. Generalisierte, reversible Atemwegs-Obstruktion;
  2. Atemwegs-Entzündung;
  3. Atemwegs-Hyperreaktivität.

Atemwegs-Obstruktion nach z.B. Allergen-Kontakt, Kälteexposition oder bei Belastung führt zu dem klinischen Phänomen des Giemen (englisch etwa “wheezing”). Unter dem Begriff der Atemwegs-Hyperreaktivität (AHR) versteht man die vermehrte Irritabilität der Atemwege, die zur Konstriktion auf unspezifische Stimuli führt und damit Voraussetzung auch der Atemwegs-Obstruktion darstellt. Beiden Phänomenen zugrunde liegt eine (chronische) Entzündung der Atemwege (Atemwegs-Inflammatiuon, AI) mit zellulärer Infiltration und Freisetzung von pro-inflammatorischen Mediatoren.

In dieser Arbeit werden Untersuchungen zur Pathophysiologie von AHR und dem Zusammenhang von AI und AHR an einem Maus-Modell von Asthma bronchiale dargestellt. Schwerpunkt der Studien sind Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen allergen-induzierter Antikörperproduktion einerseits und der durch T-Lymphozyten-Botenstoffen (Zytokine) initialisierten zellulären Infiltration der Atemwege andererseits bei der Ausbildung von AI und AHR.

1.1.1 Definition von AHR

Die Atemwegs-Reaktivität oder -Reagibilität (AR) ist definiert als der Grad, indem die Atemwege auf unspezifische Stimuli mit Konstriktion reagieren (10). Eine normal ausgeprägte AR ist durchaus als physiologischer Schutzmechanismus zu verstehen, der einerseits die Ventilation den derzeitigen Perfusionsverhältnissen anpaßt und andererseits das Lungengewebe vom Eindringen toxischer Substanzen [Seite 17↓]weitestgehend möglich abschirmen soll. Als AHR kann also die gesteigerte AR über dieses normale, gesunde Maß verstanden werden. Zur Bestimmung von AHR bedient man sich der Messung der Lungenfunktion nach Provokation der Atemwege mit unspezifischen Stimuli (11.13). Diese Stimulation kann vermittelt werden durch pharmakologische Irritantien wie Metacholin (MCh), Histamin, Serotonin, Bradykinin oder durch physikalische Reizung wie Anstrengung, Hyperventilation oder kalter Luft. Zur klinischen Bestimmung von AR werden zumeist Stimulationen mit MCh oder Histamin verwandt, die über Inhalation verabreicht werden. Bei asthmatischen Patienten mit AHR wird diese Form der Messung einerseits eine erleichterte (Linksverschiebung der Dosis-Wirkungs-Kurve) und andererseits eine vermehrte Konstriktion der Atemwege (Höhe des Maximalwertes der Kurve, fehlende Plateau-Phase bei hohen Konzentrationen) ergeben (10). Zu Zwecken der Vergleichbarkeit der Ergebnisse der Lungenfunktionsmessung wird zumeist ein bestimmter Punkt der Dosis-Wirkungs-Kurve angegeben, nämlich die Konzentration des Stimulus (Dosis), bei der die forcierte Exspiration in der ersten sec (FEV1) auf 20% des Ausgangswertes (PC20) ohne Stimulation gefallen ist (Wirkung) (Abb. 1.1.1).

Abbildung 1.1.1: Dosis-Wirkungs-Kurve bei Vorliegen von AHR


[Seite 18↓]

1.1.2  Mechanismus der Atemwegs-Hyperreaktivität

Der genaue Pathomechanismus der Entwicklung von AHR ist unbekannt. Mehrere mögliche Ursachen können jedoch in der Ausbildung von AHR eine Rolle spielen und möglicherweise additiv wirken (Tabelle 1.1.1).

Tabelle 1.1.1: Mechanismen in der Entwicklung von AHR:

Ursache

Mechanismus

1. Muskuläre Abnormalität

1.1 Hypertrophie, Hyperplasie

2. Strukturelle Abnormalität

2.1 Atemwegs-Durchmesser

 

2.2 Atemwegs-Wandstärke

 

2.3 Atemwegs-Permeabilität

3. Neurologische Abnormalität

3.1 β-adrenerge Blockade

 

3.2 α-adrenerge Übererregbarkeit

 

3.3 Cholinerge Übererregbarkeit

 

3.4 iNANC/ eNANC Ungleichgewicht

4. Atemwegs-Entzündung

4.1 Inflammation, AHR

.1 Abnormalität der Atemwegs-Muskulatur

In einigen Studien konnte gezeigt werden, dass die isolierte Atemwegsmuskulatur von Patienten mit Asthma bronchiale in vitro gesteigerte AR aufwies (14.16). Es ist daher denkbar, dass eine funktionelle oder strukturelle Abnormalität des Muskels selbst, möglicherweise durch inflammatorische Prozesse hervorgerufen, zur Entwicklung von AHR beiträgt.

.2 Strukturelle Abnormitäten

AHR zeichnet sich durch erhöhte Werte für den Atemwegswiderstand aus. Dieser ist nach dem Hagen-Poiseuilleschen Gesetz bei angenommener laminarer Strömung in einer Röhre invers proportional zur vierten Potenz des Radius der Röhre (siehe 2.2.9.2). Das bedeutet, dass das Kaliber der Atemwege im besonderen Umfang die Höhe des Atemwegswiderstandes beeinflußt. Es wäre demnach denkbar, dass AHR auf einem verminderten Ausgangs-Durchmesser der (kleinen) Atemwege basiert (17). Es konnte jedoch gezeigt werden, dass bei Asthma bronchiale die [Seite 19↓]Ausgangswerte für FEV1 (proportional zum Widerstand) und Werte für PC20 nach Histamin- oder MCh-Stimulation (proportional zur AR) nicht gut korrelierten, und dass bei asthmatischen Patienten mit milder oder moderater AHR die Atemwege keine verkleinerten Durchmesser aufwiesen (10).

In morphometrischen Analysen der Atemwege von asthmatischen Patienten wurde eine erhöhte Zellularität und vermehrter Flüssigkeitsgehalt in den Wänden der Atemwege nachgewiesen. Diese erhöhte Dicke der Atemwegs-Wand könnte als eigenständiger Faktor zur Erhöhung der AR beitragen (18).

Ultrastrukturelle Analysen von Atemwegen asthmatischer Patienten ergaben, dass sog. “tight junctions”, Verschlußstücke zwischen Zellen an endothelialen und epithelialen Barrieren, verlorengegangen waren. Dies könnte eine erhöhte Permeabilität der Atemwegs-Wand und damit eine bessere Bioverfügbarkeit der inhalierten Stimuli (MCh) zur Folge haben (19). Im Vergleich mit den Atemwegen von Rauchern wurde jedoch gefunden, dass letztere zwar deutlich erhöhte Permeabilität aber keine AHR aufweisen, während Asthmatiker AHR ohne Zeichen von Permeabilitätserhöhung (gemessen durch radioaktiv markierte Tracer) erkennen ließen. Das bedeutet, dass Permeabilitätserhöhungen der Atemwege bei Asthma bronchiale nicht die grundlegende Ursache von AHR darstellen können, wohl aber eine Begleiterscheinung bei Atemwegs-Entzündung darstellt (20).

.3 Neurologische Abnormitäten

Die Kontraktion der glatten Muskulatur der Atemwege steht unter komplexer neuronaler Kontrolle. Viele der Stimuli, die zur Bestimmung der AR verwandt werden, setzen an den entsprechenden Nervenrezeptoren an. Ursprünglich wurde nur das klassische autonome Nervensystem beschrieben, welches durch β-adrenerge (sympathische) Inhibition und α-adrenerge sowie cholinerge (parasympathische) Exzitation den Kontraktionszustand der glatten Muskulatur kontrolliert. Ursprünglich wurde das Ungleichgewicht dieser autonomen Innervation mit vorherrschendem parasympathischem Tonus aufgrund eines β-adrenergen Defekts bzw. einer Blockade für das Auftreten von AHR verantwortlich gemacht. Unterstützt wurde diese These durch Beobachtungen, die in Gewebeproben asthmatischer Patienten eine verminderte Ansprechbarkeit auf β-adrenerge Substanzen nachwiesen (21). Allerdings konnte eine entsprechende Reduktion in der Antwort auch in nicht-asthmatischen Patienten [Seite 20↓]induziert werden, die längere Zeit mit β-Sympathomimetika behandelt worden waren (22). Pharmakologische Blockade der β-adrenergen Innervation erhöht zwar den Grad der AR bei asthmatischen Patienten, verursacht jedoch keine entsprechende Erhöhung bei Gesunden, so dass ein Defekt des β-adrenergen Systems per se wohl nicht Ursache von AHR sein kann (23, 24).

Im Vergleich hierzu ist die Bedeutung der α-adrenergen Exzitation der Atemwegs-Muskulatur als gering zu werten, wenn auch eine erhöhte Reaktivität auf α-adrenerge Stimulation bei Asthmatikern zu beobachten ist (25).

Wesentlich wichtiger erscheint die cholinerge Kontrolle von Muskeltonus und Sekretion in den Atemwegen. Viele Stimuli von Bronchokonstriktion greifen direkt an der parasympathischen Innervation an, und Parasympatolytika wie Atropin blockieren zumindest teilweise die Bronchokonstriktion. Es wurde vermutet, dass die erleichterte Erregbarkeit des afferenten Vagusnervens und seines Rezeptors die Ursache der cholinergen Überreaktivität bei Asthmatikern darstellt, möglicherweise aufgrund inflammatorischer Irritation oder Schädigung. In anderen Überlegungen wurde die vermehrte efferente Erregung der Muskulatur für die Entwicklung von AHR verantwortlich gemacht (cholinerge AHR). Da die Atemwege von Asthmatikern auch nach Stimulation mit nicht-cholinergen Substanzen wie Histamin überempfindlich reagieren, kann die cholinerge Überreaktivität das Auftreten von AHR jedoch nicht vollständig erklären (26, 27).

In jüngerer Zeit ist ein noch nicht vollständig verstandener, zusätzlicher Teil des autonomen Nervensystems beschrieben worden, der nicht-adrenerge-nicht-cholinerge inhibitorische (NANCi) und exzitatorische (NANCe) Fasern beinhaltet. Ein möglicherweise durch Entzündung hervorgerufener Defekt in diesem Abschnitt der neuronalen Kontrolle der Atemwegs-Muskulatur könnte jedoch Ursache einer gesteigerten cholinergen Innervation und eines erhöhten Muskeltonus sein (28,31).

1.1.3 Atemwegs-Entzündung und Atemwegs-Hyperreaktivität

Einer der kardinalen Faktoren in der Pathogenese von Asthma bronchiale stellt die Inflammation der Atemwege dar. Erst im letzten Jahrzehnt hat sich das Verständnis der pathophysiologischen Befunde von asthmatischen Patienten dahingehend verändert, dass die Erkrankung als chronische Entzündung der Atemwege aufgefaßt wurde. Entsprechend erleben wir eine Verschiebung der [Seite 21↓]therapeutischen Intervention weg von nur symptomatischen Ansätzen (Bronchodilatation) und hin zur bereitwilligeren anti-inflammatorischen Behandlung (z.B. durch Steroide).

Während die einzelnen Faktoren, die an der Entzündungsreaktion beteiligt sind, grundsätzlich für die Abwehr von toxischen Organismen oder Stoffen notwendig und daher zur Erhaltung von Funktion und Struktur der Atemwege erforderlich sind, stellt die asthmatische Entzündung eine überschießende Reaktion auf per se unschädliche Umweltstoffe dar. Hierdurch kommt es zu einer Reihe von pathophysiologischen Vorgängen, die funktionelle (AHR, Obstruktion) und später auch strukturelle Veränderungen nach sich ziehen (Tabelle 1.1.1) (32).

Die Atemwegs-Entzündung spielt daher die wohl maßgebliche Rolle bei der Ausbildung von AHR durch Induktion von strukturellen, neurologischen und anderen funktionellen Veränderungen und soll im folgenden Abschnitt ausführlich besprochen werden.

Tabelle 1.1.2: Pathologie der asthmatischen Atemwegs-Entzündung .

Pathophysiologischer Vorgang

Strukturelle Folge

1. Freisetzung von Mediatoren

 

1.1 Zellwand (Arachidonsäure-Derivate)

Zerstörung von Epithel und

1.2 Plasma (Komplement, Kinine, Gerinnung)

subepithelialen Strukturen

1.3 Gewebe (Nervenendigungen)

 

2. Gefäßreaktion

 

2.1 Zunahme des Blutstroms

Hyperämie

2.2 Exsudation

Ödem

3. Zelluläre Antwort

 

3.1 Infiltration

Leukozytäres Infiltrat

3.2 Freisetzung proinflammatorischer Mediatoren

Epitheliale Zerstörung

4. Reparatur

Goblet-Zell-Metaplasie

4.1 Stimulation des Epithels

Basalmembran-Verdickung

4.2 Stimulation des subepithelialen Bindegewebes

Muskuläre Hyperplasie


[Seite 22↓]

1.2  Allergische Entzündung in Asthma bronchiale

Bei der asthmatischen Entzündung der Atemwege können humorale (1.2.1) und zelluläre Komponenten (1.2.2) der Inflammation unterschieden werden. Eine besondere Rolle kommt den T-Lymphozyten als Haupt-Regulationszellen der allergischen Reaktion zu (1.2.3).

1.2.1 Humorale Faktoren

In der Pathogenese von Asthma bronchiale spielen eine Reihe von inflammatorischen Mediatoren eine mehr oder weniger gut definierte Rolle. Es handelt sich entweder um Zellwandbestandteile (1.2.1.1), Inhaltsstoffe von präformierten Granula (1.2.1.2) oder um de novo synthetisierte Stoffe (1.2.1.3). Sie können zu Bronchokonstriktion, Hypersekretion der Drüsenzellen, chemotaktischer Induktion der Infiltration weiterer Entzündungszellen und schließlich zu AHR führen (33) (Tabelle 1.2.1).

PG: Prostaglandin; LT: Leukotrien; PAF: platelet activating factor; BK: Bradykinin; SP: substance P; C’: Komplement.


[Seite 23↓]

.1  Membranabkömmlinge

Von wandständigen Phospolipiden wird nach Aktivierung durch Phospholipase A2 Arachidonsäure (AA) freigesetzt, welche enzymatisch entweder durch Zycloxygenase in die Prostaglandine (PG), oder durch Lipoxygenase in die Leukotriene (LT) metabolisiert wird.

Abbildung 1.2.1: Synthese von Prostaglandinen und Leukotrienen.

Zykloxygenase-Produkte

Aus AA werden durch die Zycloxygenase PG und Thromboxan (Tx) synthetisiert. PGE2 und D2 sind Bronchokonstriktoren, wohingegen PGE2 dilatativ auf die Atemwege wirkt. PGF2 und E2 induzieren Husten und Hypersekretion von Schleimdrüsen der Atemwege; Tx fördert Ödembildung durch Extravasation und potenziert die Bronchokonstriktion auf Histamin. Klinische Studien, in denen neue PG und Tx-Inhibitoren als potentielle therapeutische Intervention eingesetzt wurden, ergaben eher enttäuschende Ergebnisse, so dass den Zycloxygenase-Produkten zumindest nicht die Schlüsselrolle in der Pathogenese von Asthma bronchiale zugeschrieben werden kann (33, 34).

Lipoxygenase-Produkte

Aus AA werden durch die Lipoxygenase LT synthetisiert. LTC4 und D4 sind sehr potente Bronchokonstriktoren und fördern die Schleimproduktion in den Atemwegen. LTC4, D4 und E4 wirken beim Meerschweinchen ödemfördernd, LTB4 [Seite 24↓]wirkt in vitro chemotaktisch auf Neutrophile, weniger auf Eosinophile. LTE4 wirkt additiv auf die Bronchokonstriktion mit Histamin. Inhibitoren von LTD4 wurden in klinischen Versuchen erfolgreich eingesetzt und wirken besonders bei Anstrengungs-induziertem und allergischem Asthma bronchiale steroid-sparend (33, 34).

.2 Zell-Granula

Histamin

Histamin ist der “klassische” Mediator in der Pathogenese von Asthma bronchiale und vermittelt die sog. allergische Sofortreaktion. Histamin kann seine Wirkung über drei verschiedene Rezeptoren vermitteln (35, 36):

Tabelle 1.2.2: Histamin-Rezeptoren der Atemwege

Rezeptor

Wirkung

H1

Bronchokonstriktion, Vasodilatatation, Permeabilitätserhöhung

H2

Bronchialdilatation, Schleimsekretion

H3

Modulation von cholinergen und sensorischen Nerven

  

Trotz dieser eindeutig beschriebenen Effekte von Histamin auf die Atemwege konnten Anti-Histaminika in der Behandlung von Atemwegs-Entzündung und AHR nicht überzeugen und spielen daher in der Therapie von Asthma bronchiale nur eine untergeordnete Rolle (37).

Eosinophile Granula

Die eosinophilen Zellen sind der Hauptbestandteil des allergischen Infiltrates der Atemwege. In ihren Granula sind sog. basische Proteine gespeichert. Es können mehrere verschiedene Proteine unterschieden werden (Tab. 1.2.3) (38, 39):


[Seite 25↓]

Tabelle 1.2.3: Eosinophile basische Proteine

Protein

Wirkung

MBP

Toxisch für bronchiale Epithelzellen, Bronchokonstriktion, AHR in Primaten, Histaminliberator.

EPO

Toxisch für Epithelzellen und Pneumozyten, Bronchokonstriktion, LT-Aktivierung.

ECP

Toxisch für tracheales Epithel, Histaminliberator.

EDN

keine Zell-Toxizität.

(MBP: major basic protein; EPO: eosinophil peroxidase; ECP eosinophil cationic protein; EDN: eosinophil-derived neurotoxin)

Die basischen Proteine können die Atemwege direkt angreifen durch Schädigung des Epithels (39, 40). MBP kann direkt AHR induzieren (41.43) und blockiert M2-Muskarinrezeptoren von cholinergen Nerven in der Lunge (44). In einem Primatenmodell wurde durch die Applikation von MBP Atemwegs-Obstruktion ausgelöst (45). Außerdem konnte bei asthmatischen Patienten die Korrelation zwischen MBP-Freisetzung und AHR aufgezeigt werden (46). Antagonisten der basischen Proteine sind bislang noch nicht auf ihre mögliche Wirkung in der Behandlung von Asthma bronchiale untersucht worden.

.3 Zytokine

Zytokine sind lösliche Botenstoffe zwischen Zellen, die ihre Wirkung über Rezeptoren auf den Zelloberflächen der Zielzellen vermitteln und so zur Regulierung der Abwehrfunktion der Zellen des Immunsystems beitragen. Die meisten Zytokine weisen eine Bandbreite von Funktionen auf, die sie auf verschiedenen Zielzellen ausüben können (funktionelle Vielfalt des Zytokin-Systems). Weiter existieren funktionell sehr ähnliche Zytokine, die sich in ihrer Wirkung auf die gleichen Zielzellen addieren oder sogar substituieren können (Redundanz des Zytokin-Systems).

In der Pathogenese von allergischen Erkrankungen und von Asthma bronchiale sind eine Vielzahl von Zytokinen beschrieben worden, die eine mehr oder weniger wichtige Rolle spielen. Es ist mittlerweile allgemein akzeptiert, dass ein [Seite 26↓]Ungleichgewicht in der Produktion der Zytokine zugunsten der sog. Th2-Zytokine (siehe Kapitel 1.2.3.1) maßgeblich an der Entwicklung allergischer Erkrankungen wie Asthma bronchiale beteiligt ist. Tabelle 1.2.2 gibt einen Überblick über die wichtigsten in der Pathogenese von Asthma bronchiale involvierten Zytokine.

Tabelle 1.2.4: Zytokine in Asthma bronchiale

Zytokin

Herkunft

Wirkung

IL-1

viele

Aktivierung von T-Zellen, Makrophagen, Eos.

IL-2

T-Zellen

Differenzierung und Aktivierung von T-Zellen.

IL-3

T-Zellen, MC, Eos

Differenzierung und Aktivierung von PMN, Eos.

IL-4

T-Zellen, MC

B-Zell-Differenzierung: IgE-Isotypen-Wechsel,

T-Zell-Differenzierung: Th2-Aktivierung.

Adhäsion: Aktivierung von VCAM-1 Expression.

IL-5

T-Zellen, MC, Eos

Eos: Differenzierung, Reifung, Überleben, Chemotaxis, Adhäsion.

IL-6

viele

unterstützt IL-1.

IL-8

T-Zellen, Monozyten

Chemotaxis von Neutrophilen und T-Zellen.

IL-10

T-Zellen, Monozyten

Inhibition von Th1-Zytokin-Produktion.

IL-12

Monozyten, Makrophagen

T-Zell-Differenzierung: Inhibition von Th2, Aktivierung von IFN, Inhibition von IgE.

IL-13

T-Zellen

B-Zell-Differenzierung: unterstützt IL-4 bei IgE-Isotypen-Wechsel. Schleimproduktion. AHR.

IFN- γ

T-Zellen

B-Zell-Differenzierung: IgG2a/ IgG4-Isotypen-Wechsel, inhibiert IgE Produktion.

T-Zell-Differenzierung: Th1-Aktivierung, inhibiert Th2-Differenzierung.

GM-CSF

T-Zellen, MC, Eos

wie IL-3

TGF- β

Monozyten, Makrophagen

Inhibition der Th2-Zytokin-Produktion.


[Seite 27↓]

1.2.2  Entzündungs-Zellen

In der Pathogenese von Asthma bronchiale kommt es zu einer chronischen Atemwegs-Entzündung mit leukozytärer Infiltration. Die wichtigsten Zelltypen sollen im folgenden besprochen werden.

.1 Mastzellen

MC entspringen aus Knochenmark (KM)-Vorläufer-Zellen und zeichnen sich durch tiefblaue (basophile) Granula aus. Nach Inhalt dieser Granula und Vorkommen der MC werden zwei Typen unterschieden (Tab. 1.2.5): Mucosale MC (MMC) und Bindegewebs-MC (connective tissue MC, CTMC) sowie die Basophilen Zellen im peripheren Blut (47.49).

Tabelle 1.2.5: Mastzell-Typen

Typ:

MMC

CTMC

Basophile

Lokalisation:

Mukosa, Lunge, Epitheloberfläche

Bindegewebe, Haut

Peripheres Blut

Reifung:

KM,

T-Zell-abhängig

KM,

T-Zell-unabhängig

KM

T-Zell-abhängig

Lebensdauer:

Wochen-Monate

Wochen-Monate

Tage

Tryptase:

+

+

+

Chymase:

+

-

+

LTC4:

++

(+)

++

PGD2:

++

+

-

Das herausragende funktionelle Merkmal von allen MC ist die Expression des hochaffinen Rezeptors für IgE (FcεRI) (50, 51). Durch Verknüpfung (“bridging”) mindestens zweier Rezeptor-gebundener IgE-Moleküle durch Bindung von spezifischem Allergen kommt es zur Aktivierung der MC. Der gleiche Effekt kann durch anaphylaktogene anti-IgE- oder anti-FcεRI-Antikörper erreicht werden. Die Aktivierung erfolgt durch Anreicherung von zyklischem Adenosin-Monophosphat [Seite 28↓](cAMP), Methylierung membranständiger Phospholipide, Eindringen von Ca++ in die Zellen und schließlich einer Kaskade von Protein-Kinasen (52, 53). Hierdurch kommt es einerseits zur Degranulierung und Freisetzung präformierter Mediatoren (Histamin, Tryptase) und andererseits zur de novo-Synthese von Mediatoren (PG, LT) (Abbildung 1.2.2).

Abbildung 1.2.2: Aktivierung von Mastzellen

Mastzellen und Asthma

MMC sind bei allergischen Patienten in den Lungen und der Nasenschleimhaut signifikant vermehrt anzutreffen (54.57). Kontinuierliche MC-Aktivierung bei asthmatischen Patienten konnte durch Zeichen von degranulierten MC in bronchialen Biopsaten nachgewiesen werden. Darauf sind auch die erhöhten Konzentrationen von Histamin und Tryptase, Degranulierungs-Produkten von MC, in der BAL-Flüssigkeit von Asthma-Patienten zurückzuführen (58). Histamin ist der Mediator der klassischen allergischen Sofortreaktion (Typ I nach Coombs), und die [Seite 29↓]neugebildeten Mediatoren, PG und LT, unterstützen Bronchokonstriktion, Mukus-Produktion und Ödembildung (siehe 1.2.1.1 und 1.2.1.2).

Die Rolle von MC bei der Entwicklung von chronischer Atemwegs-Entzündung und AHR bei Asthma bronchiale ist dagegen nicht völlig geklärt. Erst in jüngerer Zeit wurde nachgewiesen, dass neben T-Zellen auch MC in der Lage sind, mehrere verschiedene Zytokine wie IL-3, IL-4, IL-5 und IL-6 zu produzieren (59.62). Es ist daher gut möglich, dass die frühe Aktivierung von MC durch Allergen das erste lokale Signal in einer Kaskade ist, die letztlich zur Ausbildung von chronischer Entzündung und AHR führt. Die lokale Produktion von IL-4 wäre demnach ein Trigger zur Ausbildung einer Th2-Antwort (siehe 1.2.3.1) und lokaler IgE-Produktion (siehe 1.2.3.2), und die MC der Initiator der frühen (EAR) und späten asthmatischen Reaktion (LAR).

Therapeutisch wird dies umgesetzt mit dem Einsatz von Chromoglycin-Säure, welche membranstabilisierend und daher anti-degranulativ auf MC wirkt. Allerdings konnten dieses und ähnlich wirkende Präparate die Entwicklung von chronischer Atemwegs-Entzündung und AHR nicht verhindern, so dass die Bedeutung der MC in der Pathogenese der LAR wohl begrenzt ist (63.65).

.2 Eosinophile Zellen

Eos sind nicht-teilungsfähige polymorphkernige Leukozyten, die sich durch rote (eosinophile), dicht gepackte Granula auszeichnen. Sie können als die wesentlichen Effektorzellen der allergischen Entzündung angesehen werden. Eos entwickeln sich aus KM-Vorläuferzellen unter dem Einfluß bestimmter Zytokine, nämlich IL-3, GM-CSF und IL-5, deren Gene alle auf dem Chromosom 5 lokalisiert sind (66) . Dabei regulieren IL-3 und GM-CSF auch die Differenzierung anderer leukozytärer Vorläufer-Zellen, während IL-5 den einzigen spezifischen Faktor für die Entwicklung von Eos darstellt und ihre Reifung, Differenzierung, Überlebenszeit und Aktivierung fördert (67.69). In der Entwicklung durchlaufen Eos bestimmte Stufen von der multipotenten myeloiden Vorläuferzelle (CD34+), zur mononukleären CD34- Zelle, zur zart-rosa nicht-granulierten Zelle und schließlich zur granulierten eosinophilen Zelle mit gelapptem Zellkern.

Reife Eos weisen primäre (MBP) und sekundäre Granula (EPO, ECP, EDN) auf (siehe 1.2.1.2 B), die nach Aktivierung basische Proteine freisetzen, welche eine wesentliche Rolle in der Pathogenese von Asthma bronchiale spielen. Die [Seite 30↓]Aktivierung und die Überlebensdauer von Eos steht wieder unter der Regulation von Zytokinen, IL-3, IL-5, GM-CSF, die die zytotoxische Aktivität und Adhäsionsfähigkeit der Eos fördern und den Zelltod (Apoptose) im Gewebe verlangsamen (70.72). Weiter weisen Eos Rezeptoren für IgG und verschiedene niedrig- (Mac-2, CD23) sowie den hochaffinen Rezeptor für IgE (FcεRI) auf (73.80). Auch über die Bindung von spezifischen Ig an diese Rezeptoren kann es zu einer Aktivierung und Degranulation der Eos kommen.

Neben ihrer Fähigkeit zur Degranulation wurde in jüngerer Zeit beschrieben, dass Eos nach Aktivierung durch Zytokine oder Anaphylatoxine eine Reihe von Mediatoren de novo synthetisieren können. Hierzu zählen pro-inflammatorische Mediatoren wie PAF und LTC4, Sauerstoffradikale und Zytokine wie IL-1, IL-5, IL-6, GM-CSF, TGF-α und -β (81.84). Diese Faktoren könnten zu einer Verstärkung der allergischen Entzündung und zu autokriner Aktivierung und Chemotaxis weiterer Eos führen, und damit die chronische Entzündung einhergehend mit Gewebeschädigung, Hypersekretion, Bronchokonstriktion und Ausbildung von AHR bei Asthma bronchiale erklären.

.3 Leukozytäre Infiltration

Patienten mit Asthma bronchiale weisen eine signifikant erhöhte Anzahl von Eos in der BAL-Flüssigkeit und in bronchialen Biopsaten auf, und es besteht eine deutliche Korrelation zwischen der Anzahl an Eos und dem Schweregrad der Erkrankung (38, 56, 85.87). Obgleich auch Eos im peripheren Blut von Asthmatikern vermehrt anzutreffen sind, ist doch die Akkumulation in den Atemwegen, also dem primären Ort des Allergenkontaktes, eindeutig. Dies kann erklärt werden durch die gerichtete Lokomotion von leukozytären Zellen an den Ort der Entzündung (homing) mit Hilfe von Adhäsionsmolekülen (88). Beim homing durchlaufen die Zellen verschiedene Stadien, in deren Verlauf es zu einer immer engeren Bindung der Leukozyten an epitheliale oder endotheliale Adhäsionsmoleküle kommt (siehe Abbildung 1.2.3). Nach initialem Fluß im peripheren Blut (flow) kommt es vermittelt durch sog. Selektine zu einem lockeren Entlanggleiten an der Epithelwand (rolling). Einige Zellen gelangen wieder in den freien Blutstrom, andere dagegen werden hierdurch soweit abgebremst, dass sie in einen engeren Kontakt zum Endothel treten können. Diese engere Bindung geht mit einer Aktivierung und Verformung der Leukozyten einher und wird durch die als Integrine bezeichneten AM vermittelt [Seite 31↓](Adhäsion). Im letzten Schritt durchwandern die so gebundenen Zellen die Endothelsperre und werden durch extrazelluläre Matrix-Proteine auf der anderen Seite empfangen und weiter aktiviert (Transmigration) (89,91).

Abbildung 1.2.3: Adhäsion von Leukozyten

Die Basis einer gerichteten Infiltration stellt dabei die Zell-spezifische und regulierbare Expression der AM auf leukozytärer wie auf endothelialer/ epithelialer Seite dar (siehe Tabelle 1.2.6). Der selektive Einfluß verschiedener Mediatoren und Zytokine auf die Expression und das unterschiedliche Expressions-Muster von AM und entsprechenden Liganden auf den Zelloberflächen können erklären, warum unterschiedliche Effektorzellen verschieden stark im entzündeten Gewebe akkumulieren. Die Adhäsion von Eos wird durch die Interaktion zwischen endothelialem VCAM-1 und VLA-4, welches auf Eos, nicht aber auf Neutrophilen exprimiert wird, vermittelt (92.95). Hiermit wird gewährleistet, dass bei der vermehrten Expression dieser beiden AM selektiv Eosinophile zum homing gelangen. [Seite 32↓]Die Expression von VCAM-1 wird unter anderem durch IL-4, einem kritischen Th2-Zytokin in der allergischen Sensibilisierung (siehe 1.2.3.1), hochreguliert (96). Hierdurch kann erklärt werden, warum es zur präferentiellen eosinophilen Atemwegs-Infiltration bei allergischem Asthma bronchiale kommt.

Tabelle 1.2.6: Endotheliale und leukozytäre Adhäsionsmoleküle .

Endothel

Familie

Ligand

Familie

Leukozyt

E-Selektin

P-Selektin

Selektin

Selektin

SL-x

SL-x ?

CH

CH

alle

alle

SL-x

CH

L-Selektin

Selektin

alle

ICAM-1

Ig

LFA-1, Mac-1

Integrin

Integrin

alle

alle

ICAM-2

Ig

LFA-1

Integrin

alle

VCAM-1

Ig

VLA-4

Integrin

Eos, Ly

(E-: endothelial; P-: platelet; L-: Leukozyten-Selektin; SL-x: Sialysierter Lewis-x Faktor; ICAM: interstitial cell AM; VCAM: vascular cell AM; LFA: lymphocyte function-associated antigen; VLA: very late activation protein, Ig: Immunglobulin, CH: Karbohydrate)

Die feste Bindung an Adhäsionsmoleküle setzt also eine Aktivierung der Integrine auf den Zelloberflächen der in der peripheren Blutbahn zirkulierenden Leukozyten voraus. Dieser Aktivierungsschritt wird wahrscheinlich durch sog. Chemokine induziert, kleine chemotaktische Zytokine, die so spezifisch das homing bestimmter Zellarten unterstützen (Tabelle 1.2.7). Für die Aktivierung von Eos spielen besonders die Vertreter der C-C Chemokine eine Rolle: RANTES, Eotaxin, MIP-1α (migration inhibitory protein) und MCP-3 (major chemotactic protein) (97,102). Für Eotaxin konnte gezeigt werden, dass es in Meerschweinchen und Mäusen in vivo sowie bei menschlichen Zellkulturen in vitro die Anreicherung von Eos konzentrationsabhängig fördert (103, 104). Gemeinsam mit der Zytokin-abhängigen Expression von AM kann so die allergen-induzierte, gerichtete Infiltration von Eos in die betroffenen Atemwege bei Asthma bronchiale erklärt werden.


[Seite 33↓]

Tabelle 1.2.7: Chemokine für die Aktivierung von Leukozyten

Chemokin

Rezeptor

Zielzellen und Wirkung

IL-8

CXCR-1

CXCR-2

Chemotaxis und Aktivierung von Neutrophilen

Chemotaxis von Basophilen und T-Zellen.

Eotaxin

CCR-3

Chemotaxis von Basophilen, Eosinophilen und T-Zellen.

MCP-3

CCR-1

CCR-2

CCR-3

Chemotaxis von Monozyten.

Chemotaxis von Th2-Zellen.

Chemotaxis von Eosinophilen.

MCP-4

CCR-2

CCR-3

Chemotaxis von Eosinophilen.

Chemotaxis von Monozyten.

MIP-1 α

CCR-1

Differenzierung und Chemotaxis von T-Zellen.

RANTES

CCR-1

CCR-3

CCR-5

Chemotaxis von Eosinophilen.

Chemotaxis von Th2-Zellen.

Chemotaxis von Monozyten, Basophilen.

In einer Reihe von tierexperimentellen Arbeiten in verschiedenen Spezies konnte gezeigt werden, dass durch Antikörper oder Fusions-Proteine die Bindung von AM verhindert werden kann. Durch die experimentelle Therapie mit Antikörpern gegen VLA-4 oder VCAM-1 konnte die eosinophile und lymphozytäre Infiltration der Atemwege nach Allergen-Provokation signifikant eingeschränkt und die Entwicklung von AHR verhindert werden (88, 105.108). Genetisch alterierte Mäuse, denen die Fähigkeit zur Expression von ICAM-1 fehlt, zeigen nach allergischer Sensibilisierung und Atemwegs-Provokation mit Allergen weder Zeichen einer eosinophilen Entzündung noch AHR (109).


[Seite 34↓]

1.2.3  T-Zellen in Asthma bronchiale

Lymphozyten sind rundliche, mononukleäre chromatin-reiche Leukozyten ohne Granula und mit geringem, bläulichem Plasmasaum. Sie entstehen aus omnipotenten hämopoietischen Stammzellen im Knochenmark und wandern für ihre weitere Differenzierung in die primären lymphatischen Organe aus. Dort entwickeln sie sich zu B- Lymphozyten (im Bursa-Äquivalent, Knochenmark) und T-Lymphozyten (im Thymus). Gereifte Lymphozyten werden dann kontinuierlich von diesen Organen freigesetzt, rezirkulieren und besiedeln für B- und T-Zellen unterschiedliche, fest definierte Regionen in den sekundären lymphatischen Organen (Milz und Lymphknoten). Hier treten sie in Kontakt mit nicht-eigenen Proteinen (Antigenen), die durch Antigen-präsentierende Zellen (APC) aufgenommen, zerlegt und auf deren Oberfläche präsentiert werden (110.112). Die spezifische Immunabwehr resultiert daraus je nach Lymphozyten-Subpopulation in der Produktion spezifischer Antikörper (humorale Abwehr: B-Zellen) und der Bereitstellung spezifischer Helferzellen zur Zytokin-Produktion und spezifischer Effektorzellen (zelluläre Abwehr: T-Zellen).

Bei der Entwicklung der T-Zellen werden im Thymus selbst-reaktive, also für körpereigene Strukturen spezifische T-Zellklone, selektiv eliminiert (Tolereanzentwicklung) (113,114). Frühe Thymozyten sind CD4+8+ und differenzieren sich danach in CD4+8- (Helferzellen) und CD4-8+ T-Zellen (Suppressorzellen). Helferzellen erkennen Antigene in Verbindung mit Klasse II der Haupthistokompatibilitäts-Antigene (MHC) auf der Oberfläche der APC, bei Suppressorzellen wird Antigen in Verbindung mit MHC Klasse I-Antigen präsentiert. Nach der Antigenerkennung folgt eine Kaskade von intrazellulären Aktivierungsschritten (Signal-Transduktion), die letztlich zur Proliferation der spezifischen T-Zellen führt (klonale Expansion). Die stimulierten Zellen differenzieren dann in Effektorzellen, den Trägern der immunologischen Abwehr, und in Memory-Zellen, den Trägern des “immunologischen Gedächtnisses”, und patrouillieren im Körper auf der Suche nach spezifischem Antigen. Als Zeichen der Aktivierung exprimieren T-Zellen spezifische Oberflächenmarker, nämlich CD69, CD25 (Rezeptor für IL-2), HLA-DR (MHC Klasse II) und VLA-1 (Integrin), und produzieren mRNA für die Transkription von verschiedenen Zytokinen (115,117).


[Seite 35↓]

Erst in den letzten 10 Jahren wurde die herausragende Rolle der T-Zellen in der Pathogenese von Asthma bronchiale erkannt. T-Zellen sind verantwortlich für die Induktion, die Regulierung und die Aufrechterhaltung der Immunreaktion und der begleitenden entzündlichen Reaktion im Verlauf der Entwicklung von Asthma. Die Anzahl der Gesamt-T-Zellen und die Höhe der Aktivierung dieser T-Zellen sind bei asthmatischen Patienten in Korrelation mit dem Grad der AHR deutlich erhöht (46, 118, 124). Bestimmte T-Zell-Zytokine (IL-4, IL-5), welche für die Regulierung der IgE-Produktion (siehe 1.2.3.1) und die Entwicklung der eosinophilen allergischen Entzündung (siehe 1.2.3.2) verantwortlich sind, finden sich vermehrt in bronchialen Biopsaten, der BAL-Flüssigkeit und im Serum von Asthmatikern (59, 119, 125, 128). Das Überwiegen der Produktion dieser sog. Th2-Zytokine wird letztlich für die Entstehung der Allergie/ Atopie bei entsprechend prädisponierten Patienten verantwortlich gemacht (siehe 1.2.3.3). Eine genaue Effektorfunktion der T-Zellen in der Entwicklung von AHR ist bislang aber immer noch fraglich.

.1 IgE-Produktion und Bronchospasmus

Lange Zeit galt die Produktion von IgE (historisch: “Reagin”) nach Kontakt mit Umweltstoffen als Prototyp und Grundvoraussetzung für die Entstehung allergischer Erkrankungen (129.132). IgE bindet am hochaffinen Rezeptor an Mastzellen und Basophilen und leitet nach Allergen-Kontakt die Aktivierung und Degranulierung dieser Zellen ein (siehe 1.2.2.1). So kann die Entstehung der allergischen Sofortreaktion erklärt werden. Im Falle von Asthma bronchiale spricht man von der “early asthmatic reaction” (EAR), dem Bronchospasmus, der beim sensibilisierten Patienten etwa 10 min nach Allergen-Kontakt beginnt, nach einer halben Stunde das Maximum erreicht und nach wenigen Stunden verschwunden ist (133).

Die (genetische) Prädisposition bestimmter Patienten zur inapprobaten IgE-Produktion als Reaktion auf Kontakt mit äußerlichen Antigenen, wie z.B. Blütenpollen oder Insektengiften, wird als Atopie bezeichnet . Im Falle des Asthma bronchiale weisen insbesondere Kinder zumeist den atopischen Reaktionstyp auf, entsprechend wird dieser Erkrankungstyp als allergisches oder extrinsisches Asthma, im Gegensatz zu nicht-allergischem, intrinsischem Asthma, eingestuft. Die genaue Rolle von IgE in der Pathogenese von Asthma bronchiale ist nicht geklärt. Da nicht alle Atopiker auch Asthmatiker, andererseits nicht alle Asthmatiker auch Atopiker [Seite 36↓]sind, erscheint das Vorhandensein von IgE weder hinreichend noch als Voraussetzung für die Entstehung der Erkrankung. Zweifellos spielt aber die IgE-vermittelte Mastzell-Aktivierung als Auslöser der Bronchokonstriktion nach Allergen-Kontakt und als Verursacher einer kurzfristigen Exazerbation der Erkrankung eine wichtige Rolle (134.136).


Struktur von IgE
: IgE weist ein Molekulargewicht von 190 kD und besteht, wie auch andere Ig, aus zwei identischen schweren und zwei identischen leichten Ketten, die durch Disulfid-Brücken verbunden sind (Abb. 1.2.4). Der konstante Abschnitt der schweren Ketten (CH), der den Isotyp des Ig bestimmt, besteht beim IgE-Molekül aus der ε-Kette mit vier Domänen, cε1-cε4. Die leichten Ketten sind für alle unterschiedlichen Isotypen identisch. Die variablen Abschnitte der schweren (VH) und leichten Ketten (VL) sind für jeden B-Zell-Klon individuell verschieden und determinieren gemeinsam den Idiotyp, d.h. die Spezifität, gegen die das Ig gerichtet ist. Enzymatische Verdauung an den Disulfid-Brücken zerlegt das Molekül in den Fc-Abschnitt, der am entsprechenden Ig-Rezeptor (Fc-Rezeptor) bindet, und den Fab-Abschnitt, der die Antigen-bindende Struktur beinhaltet (137).

Abbildung 1.2.4: Struktur von IgE


[Seite 37↓]

VDJ-Rekombination: Im ersten Schritt zur Herstellung eines funktionsfähigen IgE-Moleküls kommt es bei der Ausbildung der genetischen Information zur Kodierung des variablen Abschnittes der schweren Kette (VH), also zur Festsetzung des Idiotyps oder der individuellen Antikörperdiversität. Hierzu werden entfernt liegende Abschnitte der Keimbahn-DNA der Prä-B-Zelle durch “rearrangement” zusammengefügt. Es werden so aus einem von hunderten V-Genen, einem von ca. zehn D-Genen und einem von vier J-Genen eine funktionelle VDJ-Gen-Kombination in der B-Zelle geschaffen (Abb. 1.2.5). In ähnlicher Weise werden die DNA-Abschnitte für die Kodierung der variablen (VL) und konstanten Abschnitte (CL) der leichten Ketten durch ein Verbindungs-Gen (J-Region) zusammengefügt, so dass ein funktioneller DNA-Abschnitt zur Kodierung der leichten Ketten entsteht (VJ-Rekombination). Durch die Vielzahl der Kombinationsmöglichkeiten und die Möglichkeit der somatischen Mutation der einzelnen Genabschnitte ist hierdurch der Grundstein für die Diversität der Antikörper gelegt (138, 139).

Abbildung 1.2.5: VDJ-Rekombination der schweren Kette


IgE-Isotypen-Wechsel:
Die unterschiedlichen Isotypen eines Antikörpers benutzen alle die identischen Genabschnitte für die Kodierung der variablen Abschnitte (VDJ). Ein Isotypen-Wechsel (“switch”, z.B. von IgM zu IgE) erfordert also lediglich den Wechsel des konstanten Abschnitts der schweren Ketten (CH). In der Keimbahn-DNA liegen die Abschnitte für die Kodierung der unterschiedlichen Isotypen für IgM, IgG1, IgG2a, IgG2b, IgE und IgA in dieser Reihenfolge nebeneinandergereiht auf [Seite 38↓]einem von der VDJ-Region entfernten Chromosomenabschnitt. Den einzelnen Domänen steht jeweils eine “switch-Sequenz” (S-Region) voran, eine Rekombinations-Region, die den Isotypen-Wechsel ermöglicht (Abb. 1.2.6). Beim Isotypen-Wechsel wird zunächst unter Fortfall der nicht benötigten Gene die S-Region des entsprechenden Isotyps neben die VDJ-Region gelagert. Danach wird die S-Region herausgeschnitten (Spleißen) und der DNA-Abschnitt in RNA umgeschrieben (Transkription). Damit liegt die funktionelle produktive mRNA für die Produktion der gesamten schweren Kette des IgE-Moleküls vor (140, 141).

Abbildung 1.2.6: Isotypen-Wechsel (switch) zu IgE

Regulierung der IgE-Produktion: In der Regulierung der IgE-Produktion spielen T-Zellen durch die Produktion von Zytokinen und durch direkte T-B-Zell-Interaktion die entscheidende Rolle (Abb. 1.2.7). Für die Induktion der IgE-Synthese sind zwei Signale notwendig (142). Ein erstes Signal, IL-4 oder IL-13, induziert die unvollständige Keimbahn- ("germline") Transkription des Cε-Gens. Das so entstandene Transkript (1.7-1.9 kB) stellt eine noch unreife Form der ε-mRNA ohne VDJ-Abschnitt dar und ist für die IgE-Synthese alleine nicht ausreichend. Ein zweites Signal (T-B-Zell-Interaktion) aktiviert die B-Zellen und induziert die Bildung einer [Seite 39↓]Rekombinase, die aus der germline die reife Form der ε-mRNA (2.0 kB) herstellt (switch-Rekombination, s.o.). Durch Translation dieser ε-mRNA wird die komplette schwere Kette für den Isotypen-Wechsel zu IgE gebildet.

Die Aktivierung ruhender B-Zellen (2. Signal) erfolgt durch direkte Interaktion mit aktivierten T-Helferzellen. Initial wurde die kognitive T-B-Zell-Interaktion durch T-Zell-Rezeptor (TCR)/ CD3-Komplex auf T-Helferzellen und Haupt-Histokompatibilitäts- (MHC) Klasse II Antigen auf B-Zellen als wesentlich angesehen. Mittlerweile wurde gefunden, dass auch die nicht-kognitive T-B-Zell-Interaktion die IL-4-induzierte Synthese von IgE unterstützt. Diese Interaktion wird vermittelt durch das B-Zell-Antigen CD40 und den entsprechenden T-Zell-Liganden (CD40L, gp39) (143, 144). CD40 ist ein Glykoprotein, das von B-Zellen, Dendritischen Zellen und Thymusepithelzellen exprimiert wird. In vitro-Kulturen von isolierten B-Zellen mit IL-4 und monoklonalen Antikörpern gegen CD40 induziert die Synthese hoher IgE-Spiegel (145, 146). Anti-CD40 Antikörper alleine induzieren die IgE-Synthese nur in solchen B-Zellen, die bereits in vivo zum IgE-Isotyp determiniert waren, also z.B. in B-Zellen von atopischen, nicht aber von normalen Patienten. IL-4 induziert die Expression von CD40 auf B-Zellen. Auf B-Zellen atopischer Patienten konnte die gesteigerte Expression von CD40 nachgewiesen werden, wahrscheinlich die Folge der in vivo-Exposition mit IL-4. Der natürliche Ligand von CD40 (CD40L) wird auf der Oberfläche aktivierter T-Zellen exprimiert. Bei Patienten mit einer Punktmutation des CD40L-Gens werden die ausgeprägte Verminderung des Isotypen-Wechsels zu IgG oder IgE und eine erheblich eingeschränkte Antikörperproduktion beobachtet (Hyper-IgM-Syndrom) (147).

Neben T-Zellen sind andere Faktoren beschrieben worden, die ruhende B-Zellen aktivieren und in Verbindung mit IL-4 zur IgE-Synthese anregen können (T-Zell-unabhängige IgE-Synthese). Stimulation von menschlichen B-Zellen mit IL-4 und Epstein-Barr-Virus (EBV) als zweites Signal induziert die de novo IgE-Synthese (148). Gleiches gilt für Hydrocortison, eine Beobachtung, die den initialen IgE-Anstieg nach systemischer Kortison-Therapie bei Atopikern erklären kann (149).


[Seite 40↓]

Die IgE-Synthese wird entscheidend durch Zytokine moduliert, die von aktivierten T-Zellen und anderen Zellen produziert werden. Der Hauptaktivator der IgE-Synthese ist IL-4 (1. Signal) (142, 150.152). IL-4 vermag die IgE-Synthese in vitro wie auch in vivo anzuregen, ohne Zugabe von T-Zellen oder LPS fördert es jedoch nur die Bildung der Keimbahn-Transkription. Anti-IL-4-Behandlung von infizierten Mäusen verhindert die Produktion von IgE (153, 154), und in Mäusen, denen durch genetische Alteration die Fähigkeit zur IL-4-Produktion fehlt (IL-4 knock-out), führt eine parasitäre Infektion nicht wie sonst zur gesteigerten IgE-Produktion (155.157). Daneben sind andere Zytokine beschrieben worden die die IL-4-induzierte IgE-Produktion fördern: IL-5, ein nicht-isotypen-spezifischer B-Zell-Wachstumsfaktor, IL-6, ein nicht-isotypen-spezifischer B-Zell-Differenzierungsfaktor und TNF-α. Ein erst kürzlich beschriebenes Zytokin, IL-13, erhöht die IgE-Produktion in IL-4-unabhängiger Weise. IL-13 erhöht die IgE-Synthese in Kulturen peripherer, mononuleärer Zellen und induziert die Produktion von Cε-germline-mRNA in isolierten B-Zellen, ohne synergistisch oder antagonistisch auf IL-4 zu wirken (158, 159).

Als Inhibitoren von IL-4-induzierter IgE-Synthese sind IFN-γ, IFN-α, IL-8, IL-12, PGE2 und andere charakterisiert worden (152). IFN-γ ist in dieser Hinsicht in vivo und in vitro am genauesten untersucht und stellt wahrscheinlich den wesentlichen, inhibitorischen Mediator der IgE-Synthese dar (160.162). Die Höhe der IgE-Produktion, induziert durch menschliche oder Maus-T-Zellen, hängt wesentlich von dem Verhältnis der von den T-Zellen produzierten Zytokine IL-4 und IFN-γ ab (siehe 1.2.3.3). Die IL-12-bedingte Verminderung der IgE-Synthese ist ein indirekter Effekt, ebenfalls vermittelt durch IFN-γ {1749}.


[Seite 41↓]

Abbildung 1.2.7: Regulation der IgE-Synthese

.2 Eosinophile Entzündung und Spätreaktion

Die Induktion der allergischen eosinophilen Infiltration der Atemwege unter Vermittlung von und unter der Regulation durch T-Zellen gilt als essentiell für die Entwicklung von AHR bei Asthma bronchiale. Die Reifung und Differenzierung der Eos steht unter der Kontrolle von T-Zell-Zytokinen: IL-3, IL-5 und GM-CSF. Während IL-3 und GM-CSF auch die Hämopoese anderer Zelllinien, wie z.B. Neutrophiler, unterstützen, stellt IL-5 den einzigen spezifischen Wachstumsfaktor für Eos dar (163.167). IL-5 fördert nicht nur die Differenzierung und das Wachstum von KM-Vorläuferzellen der eosinophilen Reihe, sondern stellt auch einen potenten und spezifischen Aktivator der eosinophilen Funktion dar. IL-5 induziert Membranverschiebungen und die Granulierung von Eos, verbunden mit erhöhter Zytotoxizität, Phagozytoseaktivität und Radikalbildung (85, 168.171). Bei Patienten [Seite 42↓]mit Asthma bronchiale konnte eine erhöhte IL-5-Produktion durch T-Zellen in der BAL und aus bronchialen Biopsaten nachgewiesen werden. Weiterhin sind die IL-5 Serumspiegel bei Asthmatikern erhöht und korrelieren mit dem Schweregrad der Erkrankung (124, 172, 173).

Zusätzlich zu der oben beschriebenen EAR treten bei etwa der Hälfte aller Asthmatiker und bei etwa 75% aller asthmatischen Kinder eine Atemwegs-Obstruktion zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt auf. Diese als “late asthmatic reaction (LAR) oder “late-phase reaction” (LPR) bezeichnete Reaktion tritt erst etwa 3-4 Stunden nach Exposition auf und hält bis zu 24 Stunden an (174, 175). Es konnte gezeigt werden, dass sich die LAR bevorzugt in den Abschnitten der Atemwege entwickelt, in denen ein allergischer (eosinophiler) Entzündungsprozeß stattfindet. Am Modell der atopischen Dermatitis konnten in Hautabschnitten nach LPR aktivierte T-Zellen und aktivierte Eos nachgewiesen sowie die Produktion von IL-3, IL-5 und GM-CSF durch T-Zellen nach Allergen-Provokation beschrieben werden (176.178). Ähnlich konnten in der BAL Flüssigkeit nach Allergen-Provokation und in Biopsaten von Asthmatikern aktivierte T-Zellen und T-Zell-Produkte, insbesondere IL-3 und IL-5, nachgewiesen werden (58, 128, 179, 180). Es ist daher wahrscheinlich, dass die T-Zell-vermittelte eosinophile Entzündung die Grundlage der Entstehung der LAR ist. Damit erinnert die Entstehung der LAR an die Entwicklung der AHR, die mit der chronischen Entzündung der Atemwege eng verbunden ist. Der Nachweis der erheblichen eosinophilen Infiltration der Atemwege bei Asthmatikern und das Wissen um die schädigende Wirkung der eosinophilen basischen Proteine (siehe 1.2.1.2 B) machen die Eos zu einer zentralen Zelle in der Pathogenese von Atemwegs-Entzündung und AHR bei Asthma bronchiale.

Abbildung 1.2.8 faßt die wesentlichen Elemente in der Pathogenese von Asthma bronchiale zusammen. Dargestellt sind die Th2-vermittelte IgE-Produktion, die Aktivierung von Eosinophilen und die Induktion der leukozytären Infiltration, die zur Ausbildung der chronischen Atemwegs-Entzündung und AHR führen. Die möglichen Querverbindungen zwischen beiden Prozessen sind fraglich und z.T. Gegenstand der hier vorgestellten Untersuchungen.


[Seite 43↓]

Abbildung 1.2.8: Synopsis über die Entstehung von Atemwegs-Obstruktion, Atemwegs-Entzündung und AHR


[Seite 44↓]

.3  Konzept der Th1 und Th2 Zellen

Aufgrund unterschiedlicher Zytokin-Profile wurde die Einteilung von CD4+ T-Helferzellen in zwei Subklassen (T H 1 vs. T H 2) zuerst von Mosmann und Coffman nach Untersuchungen in Maus-T-Zell Klonen vorgeschlagen (181.183). TH1-Zellen, nicht aber TH2-Zellen produzieren IL-2, IFN-γ und Lymphotoxin, wohingegen TH2-Zellen, nicht aber TH1-Zellen IL-4, IL-5, IL-6 und IL-13 produzieren (Tabelle 1.2.8).

Tabelle 1.2.8: Einteilung von T-Zellen nach ihrem Zytokin-Profil

Typ

Zytokin-Profil

Th1

IL-2, IL-3, IFN- γ , TNF- α/β , Lymphotoxin, GM-CSF

Th2

IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-9, IL-10, IL-13, GM-CSF

  

IL-3 und Granulozytärer-Monozytärer Kolonie-stimulierender Faktor (GM-CSF) werden von beiden T-Zellarten produziert. TH1-Zellen scheinen wesentlich an der Aktivierung von Makrophagen und der Produktion von IgG2a und IgG3 beteiligt zu sein, welche die Antikörper-abhängige zytotoxische Immunreaktion und Komplementaktivierung vermitteln. Dagegen unterstützen TH2-Zellen primär die Entwicklung und Aktivierung von Mastzellen und Eos und die Reifung und Differenzierung von B-Zellen mit der Produktion von IgE und IgG1. Im Hinblick auf die IgE-Synthese ist die selektive Expansion von TH2-Zellen wesentlich, da nur dieser T-Zell-Subtyp aufgrund der IL-4-und IL-13 Sekretion zum IgE-Isotypen-Wechsel führen kann. Darüber hinaus fördern die Zytokine des TH2-Typs die Differenzierung und Aktivierung von Mastzellen (IL-3, IL-4) und Eosinophilen (IL-3, IL-5), zwei Schlüsselzellen der allergischen Reaktion.

Der Mechanismus, der die Differenzierung von ruhenden T-Zellen in TH1- oder TH2-Zellen reguliert, ist nicht völlig geklärt. Genetische Faktoren, die Art des Antigens, der Ort des Antigen-Kontakts oder die Art der Antigen-präsentierenden Zelle scheinen hierfür wesentlich zu sein (184.186). Naive T-Zellen (Th0) können sich unter dem Einfluß bestimmter Zytokine entweder zu Th1 oder Th2 Zellen entwickeln (187). In vitro wurde gezeigt, dass sich in Gegenwart von IFN-γ[Seite 45↓]präferentiell TH1-Zellen differenzieren, wohingegen IL-4 die Bildung von TH2-Zellen fördert. Bestimmte Organismen, wie Listerien und Toxoplasmen, die eine starke Th1-Immunantwort auslösen, beinhalten Antigene, die direkt die Freisetzung von IL-12 durch Makrophagen induzieren (188, 189). IL-12 wiederum unterstützt direkt die Differenzierung naiver T-Zellen zu Th1-Zellen. Weniger klar ist die präferentielle Stimulierung einer Th2-Antwort nach Allergen-Kontakt bei atopischen Patienten. Da die Differenzierung von naiven T-Zellen zu Th2-Zellen unter der Kontrolle von IL-4 steht, wird die frühe Produktion von IL-4 durch andere als T-Zellen postuliert. Kandidaten hierfür sind Mastzellen und Basophile, für die IL-4 Produktion nach FcεRI-Aktivierung gezeigt werden konnte (190, 191).

In vitro gewonnene, allergen-spezifische T-Zellklone von atopischen Patienten gehören überwiegend dem TH2-Typ an und unterstützen die IgE-Produktion und die Differenzierung von Eosinophilen in vitro. Dagegen sind aus den gleichen Patienten gewonnene T-Zellklone, die für andere, nicht-allergene Antigene spezifisch sind, oder T-Zellklone von nicht-atopischen Patienten, die für das gleiche Allergen spezifisch sind, überwiegend TH1-Zellen (192, 193).

In vivo ist eine so deutliche Einteilung der T-Helferzellen in zwei Subtypen beim Menschen bislang schwierig (194, 195). Die meisten alloreaktiven, menschlichen T-Zellen von normalen Spendern haben intermediäre Zytokin-Profile. Bei atopischen Patienten ist die vermehrte Produktion von TH2-Zytokinen (IL-4, IL-5) in Hautbiopsaten von Neurodermitikern und bronchialen Biopsaten von Asthmatikern nachgewiesen worden (s.o.). In Patienten mit atopischer Dermatitis wurden erhöhte IgE-Spiegel und vermehrte Expression von CD23 beschrieben, beides mögliche Folgen einer erhöhten in vivo IL-4-Produktion. Diese Daten lassen darauf schließen, dass das Ungleichgewicht zwischen IL-4- und IL-5- auf der einen und IFN-γ-Produktion auf der anderen Seite wesentlich für die Ausbildung der allergischen Reaktionen und die erhöhte IgE-Synthese bei Atopikern verantwortlich sein könnte. Untersuchungen über die Wirkung der Th2-Zytokine auf die Entstehung von Atemwegs-Entzündung und AHR und über Möglichkeiten der therapeutischen Intervention sind Hauptbestandteile der hier beschriebenen Untersuchungen.


[Seite 46↓]

1.3  Tiermodelle der Atemwegs-Hyperreaktivität

1.3.1 Tiermodelle für Asthma bronchiale

Tiermodelle sind für eine Vielzahl von Erkrankungen entwickelt worden, um die Pathogenese und Pathophysiologie bei der Entstehung dieser Krankheiten besser untersuchen zu können. Mit Hilfe dieser Modelle können Fragestellungen angegangen werden, die aus ethischen oder praktischen Gründen so nicht im Menschen untersucht werden können. Jedes Tiermodell leidet natürlich immer unter der eingeschränkten Übertragbarkeit der erhobenen Daten auf die klinische Situation im Patienten. Im Falle von Asthma bronchiale scheinen Tiere generell nicht unter der Erkrankung selbst zu leiden, wie das bei Patienten sehr wohl der Fall ist, so dass auch hier der Vergleich zwischen Tiermodell und klinischer Situation nur eine Annäherung darstellt (196). Dennoch erlauben Tiermodelle invasive Untersuchungen, die im Menschen so unmöglich sind, sowie die Verknüpfung von in vitro und in vivo erhobenen Daten. Die Entstehung von Atemwegs-Entzündung und AHR bei Asthma bronchiale ist zwar klinisch sehr gut beschrieben, bleibt im genauen Mechanismus jedoch unverstanden. Die bessere Definition der zugrundeliegenden Mechanismen ist aber Grundvoraussetzung, um bessere therapeutische und präventive Methoden in der Behandlung von Asthma bronchiale zu entwickeln, und genau hierzu können Tiermodelle einen wertvollen Beitrag leisten.

Als Modelle für Atemwegserkrankungen sind eine Vielzahl von Tierarten verwandt worden: Mäuse, Ratten, Meerschweinchen, Kaninchen, Katzen, Hunde, Schafe, Pferde und Primaten. Jedes Tiermodell hat dabei Vorteile und Nachteile, die bei der Bearbeitung der spezifischen Fragestellungen abgewogen werden müssen. So bieten sich die größeren Tierarten besonders für Fragen zur Atemmechanik und respiratorischen Physiologie an (105, 197). Fragen zur Pathophysiologie und Intervention der Atemwegs-Entzündung können aber sehr viel kostensparender an kleineren (Nage-) Tieren untersucht werden (198, 202). Untersuchungen zu immunologischen Zusammenhängen bei der Entwicklung von Sensibilisierung und AHR wiederum setzen ein Modell voraus, in dem eine immunologisch sehr gut charakterisierte Tierart Verwendung findet. Hieraus ist ersichtlich, dass nicht ein [Seite 47↓]Tiermodell alle Fragen zu einer Erkrankung beantworten kann, sondern dass die Wahl des geeigneten Tiermodells für die Bearbeitung spezieller Aspekte der Erkrankung wesentlich den Erfolg und den Stellenwert der Untersuchungen bestimmt.

1.3.2 Validität von Tiermodellen

Ausgehend von der Definition und den klinischen Gegebenheiten von Asthma bronchiale sollte ein ideales Tiermodell die folgenden Charakteristika aufweisen: (1) Generalisierte Bronchokonstriktion nach Allergen-Exposition (EAR); (2) unspezifische in vivo AHR mit erhöhter Sensitivität (basale Lungenfunktion) und erhöhter Reaktivität (steilere Dosis-Wirkungs-Kurve); (3) unspezifische in vitro AHR von Lungen- oder trachealem Gewebe; (4) späte asthmatische Reaktion nach Allergen-Exposition (LAR); (5) Einfluß therapeutischer Interventionen mit gleicher Effektivität wie bei Patienten; und (6) asthmatische Atemwegs-Entzündung mit eosinophiler Inflammation. In allen Tiermodellen tritt, in der Ausprägung abhängig von der Tierart, AHR auf, die Gleichheiten und Verschiedenheiten zur AHR bei Patienten aufweist. Trotz dieser Einschränkung der Spezies-abhängigen Unterschiede können die generellen Mechanismen bei der Ausbildung von AHR zwischen Tiermodell und Mensch verglichen werden, um ihre Aussagekraft für die Situation im Patienten zu beurteilen.

Tiermodelle der AHR wurden ausgehend von den Beobachtungen etabliert, dass verschiedene Stimulanzien oder Agenzien bei normalen und/ oder asthmatischen Patienten zu erhöhter AR führen können (197). Man bedient sich also der unspezifisch stimulierten AHR, um (limitierte) mechanistische Aussagen zu Entstehung und Verlauf von Asthma bronchiale treffen zu können. Die unterschiedlichen Tiermodelle basieren daher auf sehr unterschiedlichen Modalitäten zur Erzeugung von AHR: Allergen-Sensibilisierung und –Inhalation (203), virale Infektion der oberen Luftwege (204, 205), Exposition mit Umweltschadstoffen wie Ozon und Stickoxide, Exposition mit Schadstoffen aus dem Arbeitsleben (Beschäftigungsasthma) wie Zyanaten oder Anhydriden. Allen diesen Modellen ist gemeinsam, dass durch die Exposition mit bestimmten Agenzien ein inflammatorischer Prozeß in den Atemwegen ausgelöst wird, der letztlich zu AHR führt. Hieraus ergibt sich, dass die unterschiedlichen Modalitäten (Tierart, Agens) zwar zu verschiedenen Formen der Entzündungsreaktionen führen können, aber [Seite 48↓]letztlich ein durch die Entzündungsreaktion ausgelöster Prozeß für die Entwicklung von AHR verantwortlich ist.

1.3.3 Bewertung von Tiermodellen

Ausgehend von den unter 1.3.1.1 geäußerten Einschränkungen und von den publizierten Ergebnissen aus veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten ergeben sich folgende Vor- und Nachteile für die Arbeit mit Tiermodellen für Asthma bronchiale. Die hauptsächlichen Vorteile liegen in den Möglichkeiten, (1) invasive reproduzierbare in vivo-Experimente durchzuführen; (2) technisch einfach und reproduzierbar Gewebe- und Zellproben für in vitro-Experimente zu gewinnen; (3) erhobene Daten in ähnlichen und gleichen Systemen zu validieren; (4) den Einfluß von genetischen und Umweltfaktoren auf die Entwicklung von AHR experimentell zu untersuchen; (5) neue therapeutische und präventive Ansätze für die Behandlung von Asthma vorklinisch für ihren Einsatz am Patienten zu testen.

Die wesentlichen Nachteile ergeben sich daraus, dass (1) der natürliche Krankheitsverlauf von menschlichem Asthma bronchiale nicht identisch in Tieren vorgefunden werden kann; (2) die Spezies-spezifischen Unterschiede der Atemwegs-Anatomie zu unterschiedlichen Ergebnissen bei den Bestimmungen von Histologie und Lungenfunktion führen, so dass die Bewertung in Abhängigkeit von dem gewählten Modell zu systematischen Fehlern führen kann; (3) jede Tierart einen variablen pathophysiologischen Mechanismus der Entstehung von AHR aufweisen kann; (4) Tierexperimente als unethisch angesehen werden können.

Nach Abwägung der Vorteile gegen die Nachteile ergibt sehr klar, dass auch weiterhin tierexperimentelle Studien unverzichtbar und wertvoll für Untersuchungen zu Physiologie und Pathophysiologie von Erkrankungen sind. Die Limitation der einzelnen Modelle sollte jedoch immer berücksichtigt werden, bevor Schlußfolgerungen aus den im Tiermodell erhobenen Daten für die klinische Situation gezogen werden können.

Um einen möglichst großen Nutzen aus tierexperimentellen Untersuchungen ziehen zu können, sollte das Modell sehr gut charakterisiert und verstanden werden. Das Modell kann nicht herangezogen werden, um ein Abbild für menschliches Asthma bronchiale zu erhalten, sondern durch die Charakterisierung eines einzelnen oder weniger Punkte, z.B. AI und AHR, sollten spezifische Hypothesen zum [Seite 49↓]Krankheitsverlauf und zur Intervention bei der Erkrankung überprüft werden. Hierdurch können wertvolle Erkenntnisse in den zugrundeliegenden Mechanismen bei der Entstehung von Atemwegs-Entzündung und AHR gewonnen und neue Ziele für die Behandlung von Asthma bronchiale definiert werden.


[Seite 50↓]

1.4  Ziele der Studie, Fragestellung

Asthma bronchiale ist durch Atemwegs-Hyperreaktivität und Atemwegs-Entzündung charakterisiert. In Folge der allergischen Sensibilisierung der Atemwege kommt es bei asthmatischen Patienten zur parallelen Ausbildung von drei Phänomenen (Abbildung 1.4.1): (1) zur Aktivierung von Th2-T-Zellen und Produktion von Th2-Zytokinen; (2) zur Bildung von allergen-spezifischem IgE; und (3) zur eosinophilen Infiltration der Atemwege.

Abbildung 1.4.1: Hauptkomponenten bei der Entstehung von Asthma bronchiale

Th2-Zytokine spielen eine entscheidende regulative Rolle bei der Induktion der IgE Produktion (IL-4, IL-13) und für die terminale Differenzierung und das verlängerte Überleben von Eosinophilen (IL-5). IgE ist der Mediator der allergischen [Seite 51↓]Sofortreaktion und aktiviert die Degranulierung und Neusynthese pro-inflammatorischer Mediatoren durch Mastzellen. Eosinophile Granula setzen kationische Proteine frei, die direkt das bronchiale Epithel und die Pneumozyten beschädigen können. Für alle drei Komponenten konnte ein evidenter Zusammenhang mit der Ausbildung und dem Grad der Erkrankung bei asthmatischen Patienten nachgewiesen werden. Der genaue Mechanismus und die Interaktion der einzelnen Komponenten bei der Ausbildung der asthmatischen Entzündung und der Entwicklung von AHR bleiben jedoch unklar. Um diese besser definieren zu können, sind genauere Untersuchungen zum Pathomechanismus der Erkrankung notwendig. Hier bietet sich die Arbeit in einem Tiermodell für Asthma bronchiale und AHR an. Die Maus stellt aufgrund der gut definierten Immunologie sowie der Vielzahl an immunologischen Werkzeugen und genetisch alterierten Mausstämmen ein sehr geeignetes Modell zur Untersuchung dieser Fragestellungen dar.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die pathophysiologischen Grundlagen und Zusammenhänge und insbesondere die Bedeutung und Interaktion von T-Zell-Aktivierung, IgE-Produktion und eosinophiler Infiltration der Atemwege bei der Ausbildung von allergen-induzierter Atemwegs-Entzündung und AHR näher zu untersuchen.

Die Hypothese der Arbeit ist, dass in Abhängigkeit vom gewählten Modell einzelne Komponenten für die Entwicklung von AHR unterschiedliche Gewichtung einnehmen werden, dass aber die entzündliche Reaktion mit eosinophiler Infiltration der Atemwege einen gemeinsamen und wesentlichen Mechanismus bei der Ausbildung von AHR darstellt.


[Seite 52↓]

Folgende einzelne Fragestellungen werden bearbeitet:

  1. Wie unterscheiden sich unterschiedliche Modelle der Sensibilisierung hinsichtlich IgE-Produktion, eosinophiler Entzündung und Entwicklung von AHR?
  2. Welche Bedeutung haben B-Zellen, allergen-spezifische IgE-Produktion und IgE-vermittelte Mastzell-Aktivierung für die Entwicklung von Atemwegs-Entzündung und AHR in diesen Modellen?
  3. Welche Bedeutung spielen T-Zellen und T-Zell-Zytokine für die Entwicklung von Atemwegs-Entzündung und AHR in diesen Modellen?
  4. Welche Bedeutung haben IL-5 und IL-5-vermittelte eosinophile Atemwegs-Infiltration für die Entwicklung von Atemwegs-Entzündung und AHR in diesen Modellen?
  5. Welche möglichen therapeutischen Ansätze können daraus gefolgert werden?


© 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 3.0Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML-Version erstellt am:
27.08.2004