Hermes, Barbara: Pathogenetische Untersuchungen zur Ausbildung unterschiedlicher Phänotypen und zur Vermehrung humaner Mastzellen bei Wundheilung und Urtikaria

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Kapitel 2. Die Mastzelle

2.1 Historie

Erstmals wurde die Mastzelle 1878 von Paul Ehrlich beschrieben. Er wählte diese Bezeichnung aufgrund ihres meist üppigen, mit Granula wie „gemästet“ erscheinenden Aussehens (Ehrlich, 1878). Im Gegensatz zu den Basophilen, mit denen sie viele Eigenschaften gemeinsam hat, ist sie gewebeständig und als reife Mastzelle nicht im peripheren Blut vorhanden. 1925 wird sie als verwandelte Bindegewebszelle mit noch völlig ungeklärten Aufgaben bezeichnet (Kyrle, 1925).

Die Isolierung von Mastzellen aus Geweben zwecks Erforschung war zunächst nicht möglich. Fortschritte bei ihrer Charakterisierung wurden in den 70er und 80er Jahren durch Untersuchungen an transgenen Mäusen, die Defekte in der Mastzellentwicklung und -homeostase aufweisen, sowie durch die Etablierung von Mastzellkulturen erzielt. Entscheidend war auch die Identifizierung von haematopoetischen Stammzellen als Progenitoren, die Untersuchungen zugänglich wurden. Mit Identifizierung und Charakterisierung einer zunehmenden Zahl von Mastzellmediatoren, -chemoattraktoren sowie Differenzierungsfaktoren und Rezeptoren werden immer mehr Funktionen und Interaktionen der Mastzelle im Rahmen allergischer und entzündlicher Prozesse sowie beim Gewebeumbau deutlich.

Zahlreiche Erkenntnisse zur Mastzelle wurden im Mausmodell und durch Zellkulturen gewonnen und müssen durch zusätzliche Erhebung von In vivo-Daten ergänzt werden, um die vielfältigen Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen im Gewebe zu berücksichtigen.

2.2 Entwicklung der Mastzelle

1979 konnte Kitamura zeigen, daß Mausmastzellen den blutbildenden Geweben wie dem Knochenmark entstammen (Kitamura et al., 1979). Für die humane Mastzelle wurde die Abstammung von CD34-positiven Stammzellen aus dem Knochenmark 1991 in vitro und 1994 in vivo nachgewiesen (Födinger et al., 1994; Kirshenbaum et al., 1991). Die pluripotenten CD34-positiven haematopoetischen Stammzellen des Knochenmarks entwickeln sich unter


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dem Einfluß von Wachstumsfaktoren zu den jeweiligen blutbildenden Zell-Linien sowie zu Mastzellprogenitoren (Whetton & Spooncer, 1998). Die Wachstumsfaktoren haben einerseits überlappende Effekte, andererseits Auswirkungen auf verschiedene Zell-Linien. Gegenwärtig wird die Vorstellung favorisiert, daß haematopoetische Stammzellen sich gemäß einem intrinsischen Zellprogramm in eine bestimmte Richtung entwickeln (stochastisches Modell) und nicht durch den Einfluß von Zytokinen in diese Richtung gelenkt werden (deterministisches Modell) (Metcalf, 1998; Nishijima et al., 1997). Beim Fetus gelangen die Stammzellen über die Blutbahn in das Knochenmark. Noch im Nabelschnurblut des Neugeborenen finden sich haematopoetische Stammzellen als mögliche Quelle für Stammzelltransplantationen (Broxmeyer et al., 1989). Mastzellvorläufer aus den blutbildenden Geweben zirkulieren mit dem Blut bis zur Einwanderung in die Gewebe aller größeren Organe, wo sie die weitere Differenzierung zu reifen Mastzellen durchlaufen (Czarnetzki et al., 1995).

Aus Nabelschnurblut gewonnene Stammzellen sowie Mastzellvorläufer aus dem peripheren Blut wurden für In-vitro Studien kultiviert, und zahlreiche Erkenntnisse zur Regulation der Mastzellentwicklung und -differenzierung konnten gewonnen werden (Furitsu et al., 1989). Ein komplexes Netzwerk von Wachstumsfaktoren und Zytokinen, Rezeptoren, extrazellulärer Matrix mit synergistischen und antagonistischen Effekten ist beteiligt.

Im Maussystem entwickeln sich Knochenmarkzellen unter dem Einfluß der Wachstumsfaktoren GM-CSF und M-CSF zu Mastzell-artigen Zellen (Brambilla et al., 1993). Gleichfalls für murine Mastzellen ist IL-3 ein wichtiger Wachstumsfaktor in der frühen Phase der Mastzellentwicklung, wohingegen SCF mehr Bedeutung in der späteren Phase hat. Verstärkt werden die Effekte von IL-3 und SCF durch IL-4, abgeschwächt durch GM-CSF (Bressler et al., 1989; Rottem et al., 1994).

Humane haematopoetische Stammzellen aus Nabelschnurblut bilden unter dem Einfluß von SCF und / oder NGF Mastzellcharakteristika wie Tryptase, Chymase, c-Kit und FcepsilonRI aus (Welker et al., 2000a). Auch Mastzellvorläufer aus dem peripheren Blut beim Menschen besitzen weder Tryptase, noch c-Kit, und nur wenige exprimieren den FcepsilonRI. Diese Merkmale entwickeln sich jedoch in vitro während der Kultur mit SCF (Welker et al., 2000b). Im Gegensatz zum entwicklungsfördernden Effekt auf die Mausmastzelle üben IL-3 und IL-4 auf die SCF-abhängige Differenzierung der humanen Mastzelle eine inhibitorische Wirkung aus (Sillaber et al., 1994). Auch GM-CSF hemmt die Differenzierung unreifer HMC-1-Zellen, die


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sie in der Kultur mit Fibroblasten-Überstand üblicherweise durchlaufen, wie die Entwicklung von Tryptase- und FcepsilonRI-Aktivität sowie Histaminexpression (Welker et al., 1997).

Wodurch die Mastzellvorläufer, die mit dem peripheren Blut zirkulieren, zur Einwanderung in Gewebe veranlaßt werden, ist bisher nicht bekannt. Wahrscheinlich werden sie durch Chemoattraktoren, die bei entzündlichen Prozessen freigesetzt werden, angezogen und verlassen die Gefäße mittels Bindung an Adhäsionsmoleküle, die sie ebenso wie Endothelzellen exprimieren (Weber et al., 1997). Als potente Attraktoren für Mastzellen gelten unter anderem SCF, C3a, C5a, IL- 8 und Mitglieder der TGF-beta - Familie (Hartmann et al., 1997; Lippert et al., 1998; Nilsson et al., 1994a; Olsson et al., 2000). Mastzellen finden sich in fast allen Organen und gruppieren sich besonders um Nerven, Blut- und Lymphgefäße. Vor allem in den Organen, die die Grenzflächen des Organismus nach außen bilden, nämlich Haut, Lunge und Gastrointestinaltrakt, sowie im Gehirn werden zahlreiche Mastzellen angetroffen. In den verschiedenen Geweben erfolgt weitere Ausreifung und Differenzierung der Mastzelle, wahrscheinlich wiederum gesteuert von Zytokinen und extrazellulären Matrixkomponenten abhängig vom jeweiligen Mikromilieu (Longley et al., 1997a). In den Geweben sind die Mastzellen langlebig (Padawer, 1974). Mitosen finden sich nur selten, so daß eine Mastzellvermehrung am ehesten durch Einwanderung von Vorläuferzellen aus dem peripheren Blut erzielt wird.

2.3 Morphologie der Mastzelle

Mastzellen sind 6 - 17 µm große mononukleäre Zellen mit zahlreichen zytoplasmatischen Granula, die sich dank ihres Gehalts an Glykosaminoglykanen durch metachromatisches Färbeverhalten auszeichnen, das bei der Toluidinblaufärbung genutzt wird. Der Nucleus ist elektronenmikroskopisch ungelappt, in den Granula sind Mediatoren wie Histamin, Proteasen und Proteoglykane enthalten. In der Zellmembran finden sich diverse Rezeptoren für Wachstumsmoleküle, darunter der SCF-Rezeptor c-Kit, Sekretionsaktivatoren, z. B. der hochaffine IgE-Rezeptor FcepsilonRI, und Adhäsionsmoleküle (Grabbe et al., 1994a; Metcalfe et al., 1997; Weber et al., 1995).

Mastzellen weisen sowohl eine speziesabhängige, als auch organabhängige Heterogenität auf. Bei Nagetieren werden Mukosamastzellen von Bindegewebsmastzellen unterschieden. Erstere finden sich vorwiegend in der Dünndarmmukosa, letztere in Dünndarmsubmukosa, Haut,


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Skelettmuskulatur und serösen Oberflächen. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Morphologie, Färbeverhalten, Mediatorgehalt sowie ihrer Ansprechbarkeit auf Cytokine (Welle, 1997). Wie an mastzelldefizienten Mäusen gezeigt werden konnte, sind diese Unterschiede durch das umgebende Mikromilieu bedingt. In andere Gewebe transplantierte Mastzellen nehmen die Eigenschaften der dort normalerweise anzutreffenden Mastzellen an (Irani & Schwartz, 1989).

Eine gebräuchliche deskriptive Subtypisierung der humanen Mastzelle basiert auf ihrem Gehalt an neutralen Proteasen in den zytoplasmatischen Granula (Welle, 1997). MCT enthalten ausschließlich Tryptase und werden von MCTC unterschieden, die neben Tryptase auch Chymase sowie Carboxypeptidase und eine Cathepsin - ähnliche Proteinase enthalten (weiteres siehe unter 1.4.1.3). Humane Mastzellen weisen auch eine Heterogenität hinsichtlich des Zytokinprofils auf, das sich in Abhängigkeit von Lokalisation und Stimulation bzw. Kulturbedingungen ändern kann (siehe auch unter 1.5.2) (Bradding et al., 1995b; Lorentz et al., 2000).

2.4 Mediatoren

Mastzellen besitzen einerseits präformierte, in sekretorischen Granula gelagerte Mediatoren wie Histamin, Proteasen und Proteoglykane (Heparin, Chondroitinsulfat E), außerdem TNF-alpha und VEGF. Andere Mediatoren werden nach Mastzellaktivierung sehr schnell aus Membranphospholipiden generiert, darunter Leukotriene (LTB4, LTC4), Komplementfaktoren (C3a, C5a) und PAF. Die Mastzelle produziert außerdem Wachstumsfaktoren, Adhäsionsmoleküle und Zytokine, unter anderem IL-1, IL-3, IL-4, IL-6, IL-8, FGF-2, PDGF, GM-CSF, TGF-beta sowie NGF, und besitzt etliche membranständige Rezeptoren. Diese Eigenschaften deuten auf multiple Effektorfunktionen der Mastzelle nicht nur bei allergischen Reaktionen, sondern auch bei Gewebeumbau und -wiederherstellung hin. Im folgenden wird auf die Mediatoren und Rezeptoren ausführlicher eingegangen, auf die sich die weiter unten beschriebenen Untersuchungen an humanem Narben- und Urtikariagewebe konzentrieren.


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2.4.1 Proteasen

2.4.1.1 Tryptase

Tryptase ist eine neutrale Serinprotease und wesentlicher Bestandteil der Mastzellgranula. Als spezifischer Mastzellmarker ist sie in praktisch allen, auch unreifen humanen Mastzellen entweder in der beta- oder zusätzlich in der alpha-Form enthalten, wohingegen Basophile nur geringe Mengen von alpha-Tryptase aufweisen (Algermissen et al., 1994; Harvima et al., 1999; Huang et al., 1999; Irani & Schwartz, 1989; Xia et al., 1995). Sie entwickelt enzymatische Aktivität erst, wenn sich die vier 34 - 37 kD großen Untereinheiten zu einem mit Heparin assoziierten stabilen Tetramer verbunden haben (Harvima et al., 1988; Schwartz et al., 1981). Bisher sind eher wenige physiologische Substrate der Tryptase identifiziert wie Fibrinogen oder Komplement C3, das zum Komplementfaktor 3a metabolisiert wird (Huang et al., 1997; Schwartz et al., 1983). Tryptase ist in der Lage, das Neuropeptid VIP, jedoch nicht Substanz P zu inaktivieren (Caughey et al., 1988).

Tryptase beeinflußt den Bindegewebsmetabolismus in vielerlei Hinsicht. Einerseits fördert sie die Bindegewebsneubildung, andererseits begünstigt sie Ab- bzw. Umbauprozesse und könnte damit eine Rolle im Rahmen der Wundheilung übernehmen (Gruber & Schwartz, 1990). Zu den beschriebenen Effekten von Tryptase gehören Erhöhung der Typ I-Kollagen-Synthese humaner Lungenfibroblasten, Hochregulierung der Prokollagen-mRNA-Synthese humaner dermaler Fibroblasten, Aktivierung von Prokollagenase zu Kollagenase und von Pro-Urokinase sowie Spaltung von Typ IV-Kollagen, Fibronektin, Elastase und Proteoglykanen (Atkins & Clark, 1987; Cairns & Walls, 1997; Gruber et al., 1997; Gruber et al., 1989; Lohi et al., 1992; Stack & Johnson, 1994). Tryptase steigert die Fibroblastenproliferation sowohl im Tiermodell als auch beim Menschen (Akers et al., 2000; Hartmann et al., 1992; Levi-Schaffer & Kupietzky, 1990; Levi-Schaffer & Rubinchik, 1995; Ohtsuka, 2000; Ruoss et al., 1991; Trautmann et al., 1998). Daneben wurde Tryptase von HMC-1-Zellen in vitro als angiogenetischer Faktor identifiziert (Blair et al., 1997). Außerdem wurden mitogene Effekte von Tryptase auf Epithelzellen in vitro beschrieben sowie Stimulation der IL-8-Freisetzung aus Epithelzellen in Verbindung mit einer Hochregulierung der ICAM-1-Expression (Cairns & Walls, 1996).


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2.4.1.2 Chymase

Nach Tryptase ist Chymase die zweite in größeren Mengen in Mastzellgranula vorhandene Protease - ebenfalls eine Serinprotease mit einer Molmasse von ca 25 kDa. Entsprechend der Verteilung der MCTC wird sie vor allem in Haut, Darmsubmukosa und in geringen Mengen in der Lunge angetroffen. Unreife Mastzellen zeigen keine Chymaseaktivität (Czarnetzki et al., 1995). Chymase konvertiert Angiotensin I zu Angiotensin II, fördert die sekretorische Aktivität der submukösen Drüsen der Atemwege und inaktiviert Bradykinin und Kallidin sowie Substanz P und VIP (Nadel, 1991). Erst kürzlich wurde gezeigt, daß aus Mastzellgranula freigesetzter SCF durch Chymase zur biologisch aktiven Variante SCF1-159 gespalten wird (de Paulis et al., 1999a; Longley et al., 1997b). Diese Fähigkeit kann zu autokrinen Rückkopplungsmechanismen der Mastzellrekrutierung beitragen.

Am 3. Tag nach Setzen einer Wunde bei der Maus waren Mastzellzahl und Chymaseaktivität maximal abgefallen mit deutlichem Anstieg parallel zur Retraktion der Wunde zwischen dem 7. und 14. Tag (Nishikori et al., 1998). Chymase aus Hundemastozytomen aktiviert MMP-1 und -3, die in aktivierter Form in den Bindegewebsstoffwechsel eingreifen (Lees et al., 1994). Außerdem konnte gezeigt werden, daß Mastzellen aus Hundemastozytomen selbst eine inaktive Progelatinase sezernieren, die alsbald von gleichfalls sezernierter Chymase aktiviert wird (Fang et al., 1997; Fang et al., 1996). Humane Mastzellchymase kann Prokollagen zu fibrillärem Kollagen verarbeiten als Hinweis auf eine mögliche Funktion bei der Kollagenbiosynthese (Kofford et al., 1997). Angiotensin II, das unter Einwirkung von Chymase aus Angiotensin I gebildet wird, stimuliert die Keratinozytenproliferation (Steckelings et al., 1996).

2.4.1.3 MCT und MCTC

MCT finden sich vor allem in der Lunge und intestinalen Schleimhaut, wohingegen MCTC insbesondere in der Haut und Dünndarmsubmukosa anzutreffen sind (Irani et al., 1986; Irani et al., 1991; Schechter et al., 1990). Auch ausschließlich chymasehaltige Mastzellen werden beschrieben, die vor allem in der Darmschleimhaut und nur ganz vereinzelt in der Haut ansässig zu sein scheinen (Li et al., 1996; Weidner & Austen, 1993). In den meisten Geweben kommen MCT und MCTC unter normalen Bedingungen in relativ konstantem Verhältnis vor, das sich bei pathologischen Veränderungen des Mikromilieus unter dem Einfluß von Zytokinen ändern kann. In der Haut finden sich ca 88 % MCTC und 12 % MCT (Galli, 1990; Irani


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et al., 1986; Irani & Schwartz, 1989). Entzündungen der Haut führen zu einem Anstieg der MCT bei gleichbleibender Gesamtmastzellzahl (Algermissen et al., 1994). Eine relative Vermehrung von MCT wurde bei der Sklerodermie, bei Lungenfibrose und rheumatoider Arthritis hingegen eine Zunahme von MCTC beobachtet (Irani et al., 1992; Irani & Schwartz, 1989). In Gegenwart von SCF und Il-6 kultivierte humane tryptasepositive Mastzellen aus Nabelschnurblut zeigten nach Zusatz von Il-4 morphologische Differenzierung und signifikante Chymaseexpression (Toru et al., 1998). Hierzu paßt die präferentielle Il-4-Expression durch MCTC und weniger durch MCT (Bradding et al., 1995b). Proteasegehalt und Zytokinprofil humaner Mastzellen scheinen sich gegenseitig zu beeinflußen.

2.4.2 Wachstumsfaktoren sowie Rezeptoren

2.4.2.1 SCF und SCF-Rezeptor

Seinem Namen entsprechend ist der SCF Wachstumsfaktor für Knochenmarksstammzellen sowie Megakaryozyten, hat jedoch zusätzliche Funktionen hinsichtlich Wachstum, Differenzierung und Funktion von Mastzellen und Melanozyten. Das humane SCF-Molekül besteht aus 248 Aminosäuren, beinhaltet ein N- und ein O-glykolysiertes Protein und existiert in löslicher und membrangebundener Form. Das Gen für SCF befindet sich auf dem humanen Chromosom 12. In der Haut wird SCF von Fibroblasten, Keratinozyten, Endothel-, Mast- und Langerhanszellen produziert (Grabbe et al., 1994b). SCF liegt sowohl in transmembranöser, als auch in löslichen Formen vor (Huang et al., 1992). Beide Formen scheinen aktiv zu sein; jedoch sind Verteilung im Gewebe und biologische Bedeutung bisher kaum bekannt (Lukasc et al., 2000). Der Nachweis der Produktion und Expression von löslichem und membrangebundenem SCF durch humane Mastzellen ist erst kürzlich geführt worden (de Paulis et al., 1999a; Welker et al., 1999; Zhang et al., 1998).

SCF fördert die Proliferation humaner Mastzellen, jedoch nur in Zusammenwirken mit anderen Zytokinen, wie z. B. IL-4 (Bischoff et al., 1999). Außerdem fördert SCF die Mediatorausschüttung sowie das Überleben von Mastzellen durch Hemmung der Apoptose (Galli et al., 1995). Die subcutane Injektion von SCF führte beim Menschen zu Mastzelldegranulation sowie zur Vermehrung von Mastzellen und Melanozyten (Costa et al., 1996). SCF ist neben den Komplementfaktoren C3a und C5a sowie TGF-beta ein potenter Chemoattraktor für


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Mastzellen (Hartmann et al., 1997).

Die ersten Mastzellkulturen erfolgten mit Fibroblastenüberständen sowie auf murinen 3T3-Fibroblasten (Czarnetzki et al., 1984; Czarnetzki et al., 1980; Furitsu et al., 1989). Erst später wurde der von den Fibroblasten sezernierte und die Mastzellentwicklung begünstigende Faktor als SCF identifiziert, der inzwischen üblicherweise für Mastzellkulturen verwendet wird (Mitsui et al., 1993; Valent et al., 1992).

Der SCF-Rezeptor, auch c-Kit genannt, ist eine membranständige Tyrosinkinase und Produkt des Protoonkogens c-kit, das beim Menschen auf dem langen Arm des Chromosomen 4 lokalisiert ist. Auffällige Pigmentstörungen bei der Maus führten zur Entdeckung des c-Kit-kodierenden Gens, auf dem der mutierte white-spotting-Locus der Maus liegt (Galli et al., 1993; Grabbe et al., 1994b). C-Kit wird von etlichen Tumorzellen sowie einigen hämatopoetischen Stammzellen exprimiert, in der Haut physiologischerweise nur von Mastzellen und Melanozyten [Übersicht in (Grabbe et al., 1994b)].

Im Gegensatz zu den meisten anderen hämatopoetischen Zell-Linien bleibt die SCF-R-Expression bei Mastzellen über die Differenzierungsphase hinaus erhalten (Galli et al., 1993; Valent, 1995). Von Mayrhofer et al. wurden auch c-Kit-negative Mastzellen in humanem Gewebe gefunden (Mayrhofer et al., 1987). Die humane Mastzell-Linie HMC-1 weist genetische Defekte des c-kit im Bereich von Codon 816 und 560 auf, die zu kontinuierlicher Aktivierung dieser Zellen führen (Furitsu et al., 1993). C-Kit-mRNA und -Proteinexpression von humanen Mastzellen und von HMC-1-Zellen werden durch SCF herunterreguliert (Baghestanian et al., 1996).

SCF und die Interaktion von SCF mit seinem Rezeptor c-Kit beeinflußen den Bindegewebsstoffwechsel in vielfältiger Weise. Kürzlich wurde gezeigt, daß humane Mastzellen (HMC-1) die durch Fibroblasten bewirkte Kontraktion eines Kollagen-Gels signifikant verstärken können und zwar mittels Zell-Zell-Kontakt zumindest teilweise via SCF / c-Kit-Interaktion, da der Effekt durch Antikörper gegen SCF und c-Kit weitgehend aufgehoben werden konnte (Yamamoto et al., 2000). Bei der Maus wurde gezeigt, daß SCF die Adhäsion von Mastzellen an Bindegewebsmatrix (Fibronektin) fördert (Dastych & Metcalfe, 1994). In einem anderen Tiermodell (Hundemastozytom) wird die Expression der matrixabbauenden Metalloproteinase Progelatinase B durch SCF induziert, dieser Effekt wiederum durch TGF-beta


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reduziert (Fang et al., 1999). In einer Co-Kultur von Mausmastzellen und Fibroblasten ließ sich durch Zugabe von PDGF eine Mastzellproliferation via membrangebundenem SCF der Fibroblasten erzielen. PDGF gilt als potentes fibrosierungsförderndes Zytokin und wird von Thrombozyten, Neutrophilen und Mastzellen sezerniert (Artuc et al., 1999; Hiragun et al., 1998). Humaner SCF wiederum kann via von menschlichen Thrombozyten exprimiertem c-Kit Einfluß auf deren Aktivierung nehmen, z. B. im Rahmen einer Verletzung, so daß hier ein Feedback-Mechanismus bei der Wundheilung denkbar ist (Grabarek et al., 1994).

In der frühen Phase der systemischen Sklerodermie wurde immunhistochemisch eine vermehrte epidermale und dermale SCF-Expression gefunden, nicht jedoch in der späten atrophischen Phase. Auch die Serum-SCF-Spiegel waren erhöht mit einem Gipfel in der sklerotischen Phase. Eine Aktivierung der Melanozyten durch löslichen SCF im Serum könnte die eine Sklerodermie begleitende Hyperpigmentierung der Haut erklären (Kihira et al., 1998; Yamamoto et al., 1998).

2.4.2.2 NGF und NGF-Rezeptoren

Der Nervenwachstumsfaktor NGF wurde 1954 in Speicheldrüsen der Maus identifiziert. Inzwischen ist bekannt, daß er von etlichen Zellen synthetisiert wird wie Keratinozyten, Fibroblasten, Mastzellen, epidermalen Merkel-Zellen, Makrophagen, glatten Muskelzellen und CD4-positiven Lymphozyten, außerdem in Schwann-Zellen und Astrozyten sowie weiteren neuronalen Geweben, Testes und C-Zellen der Schilddrüse. Insbesondere in der Haut finden sich größere Mengen von NGF. Das Molekül besteht aus einem 26 kDa homodimeren Polypeptid mit jeweils einer alpha-, beta- und gamma-Untereinheit. Biologisch aktiv ist die beta-Untereinheit, die zur Kallikreinfamilie gehört. Das Gen für NGF liegt beim Menschen auf dem Chromosom 1p13. NGF ist nicht nur unentbehrlich für die Entwicklung von neuronalen Geweben, sondern moduliert auch Immunantworten und stimuliert die Wundheilung (Bothwell, 1997; Leon et al., 1994; Li et al., 1980; Matsuda et al., 1998; Pincelli et al., 1994; Welker et al., 2000a; Yaar et al., 1991).

Schon Paul Ehrlich, dem Namensgeber der Mastzelle, fiel vor über 100 Jahren auf, daß Mastzellen und Nervenfasern eng nebeneinander zu finden waren. Diese Beobachtung konnte unter anderem auch elektronenmikroskopisch bestätigt werden (Bienenstock et al., 1987; Wiesner-Menzel et al., 1981). Der Gedanke lag nahe, daß Mastzellen mittels Mediatoren auf


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Wachstum und Differenzierung von Nervenfasern Einfluß nehmen könnten. Inzwischen ließ sich zeigen, daß NGF von Mastzellen produziert wird (Leon et al., 1994; Nilsson et al., 1997). Neben SCF ist NGF jedoch auch ein wichtiger Wachstumsfaktor für Mastzellen und fördert bei Nagetieren Mastzelldifferenzierung, -überleben und -mediatorfreisetzung (Henz et al., 2000; Kawamoto et al., 1995; Marshall et al., 1999; Matsuda et al., 1991). Beim Menschen wirkt NGF als Wachstumsfaktor für Basophile (Valent, 1995). Erst kürzlich gelang der Nachweis, daß NGF auch für die humane Mastzelldifferenzierung ein wesentlicher Faktor ist (Henz et al., 2000; Welker et al., 2000a; Welker et al., 1998).

Zwei unterschiedliche NGF-Rezeptoren wurden identifiziert, zum einen ein 75 kDa Glykoprotein (p75), zum anderen ein 140 kDa-Rezeptor (TrkA), der zu der Gruppe der Rezeptor-Tyrosin-Kinasen gehört und Produkt des Tyrosin-Rezeptor-Kinase A-Proto-Onkogens ist. TrkA bindet außer NGF auch NT-3. Strukturell homologe Rezeptoren TrkB und TrkC binden weitere Neurotrophine. Die Bindung der Liganden führt zu einer Phosphorylierung des Rezeptors. Der Trk wird vorwiegend im zentralen Nervensystem exprimiert, außerdem von Keratinozyten, Melanozyten und Monozyten. Auch für humane Mastzellen (HMC-1, Lungenmastzellen, aus Nabelschnurblut gewonnene unreife Mastzellen) konnte die Expression des Trk nachgewiesen werden (Henz et al., 2000; Nilsson et al., 1997; Tam et al., 1997; Welker et al., 1998).

Der p75-NGF-R bindet alle Neutrophine und wird von zahlreichen Zelltypen exprimiert, darunter in der Haut von basalen Keratinozyten, äußeren Lagen der Haarwurzelscheiden und Talgdrüsen, Melanozyten sowie sensorischen und autonomen Nervenfasern (Di Marco et al., 1993; Henz et al., 2000; Ribeiro-da-Silva et al., 1991). In peritonealen Mastzellen von Ratten konnte der Trk, jedoch nicht der p75-NGF-R nachgewiesen werden (Kawamoto et al., 1995). Bei Mäusen scheint der p75-NGF-R bei der IL-3- und NGF-induzierten Mastzelldifferenzierung eine Rolle zu spielen, da bei p75-NGF-R-defizienten Mäusen der Differenzierungseffekt von NGF ausblieb (Jippo et al., 1997). Humane HMC-1-Zellen exprimieren den p75-NGF-R nicht (Nilsson et al., 1997). Nur eine sehr schwache Bande der mRNA konnte nachgewiesen werden, jedoch kein Rezeptorprotein (Welker et al., 1998).

Ein Einfluß von NGF auf den Bindegewebsmetabolismus wurde 1979 von Hutson et al. beschrieben, die beobachtet hatten, daß Mäuse durch Lecken ihrer Wunden die Wundheilung beschleunigen konnten, wohingegen Entfernung der an NGF reichen Glandula submandibula


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ris zu einer verzögerten Wundheilung führte. Wie das Lecken einer Wunde führte auch aus Speicheldrüsen extrahierter und topisch auf die Wunde aufgebrachter NGF zu einer Beschleunigung der Wundheilung (Hutson et al., 1979; Li et al., 1980). Auch wenn vor dem Setzen einer Wunde bei Mäusen die Speicheldrüsen operativ entfernt worden waren, um eine Sekretion von NGF aus den Speicheldrüsen in den Blutkreislauf zu vermeiden, ließen sich in neugebildeten Keratinozyten vom Wundrand sowie in Fibroblasten des Granulationsgewebes NGF-mRNA und -Protein nachweisen als Hinweis auf einen Beitrag des NGF im Rahmen der Wundheilung (Matsuda et al., 1998).

Die NGF-Synthese wird durch bei Verwundung freigesetzte Zytokine wie IL-1, TNF-alpha und PDGF induziert. NGF wiederum fördert die Mastzelldegranulation mit weiterer Freisetzung von Mediatoren, so daß sich ein Feedbackmechanismus ergeben könnte (Marshall et al., 1990; Tal & Liberman, 1997). Bei der Ratte bewirkt NGF gezielte Migration von Mastzellen zu Fibroblasten, die zu einer Mastzellakkumulation beispielsweise bei der Wundheilung beitragen könnte (Sawada et al., 2000).

NGF fördert die Entwicklung sensorischer Hautnerven. Nach Nervenverletzung induziert IL-1 die NGF-Synthese von Schwann-Zellen. Blockierung von IL-1beta nach Hirnverletzung unterdrückt sowohl die NGF-Synthese, als auch die durch NGF eingeleiteten reparativen Prozesse (DeKosky et al., 1996). NGF wirkt auf Neutrophile bei der Maus chemotaktisch. Subdermale Injektion von NGF löst Einwanderung von Zellen aus ähnlich der nach einer Verletzung (Boyle et al., 1985; Lawman et al., 1985). Außerdem stimuliert NGF die humane Keratinozytenproliferation direkt sowie indirekt via Neuropeptide, die unter dem Einfluß von NGF vermehrt von sensorischen Fasern gebildet werden, und erhöht die Mitogenität mehrerer Wachstumsfaktoren für humane kultivierte Keratinozyten (Di Marco et al., 1991; Di Marco et al., 1993; Haegerstrand et al., 1989; Wilkinson et al., 1994). Lokal applizierter NGF führte nach Verletzung der Rattencornea zu einer beschleunigten Abheilung (Lambiase et al., 2000).

Der p75-NGF-R wird in exponentiellen Phasen der Keratinozytenproliferation heraufreguliert. Nach Differenzierung und Schichtung des Epithels nimmt die Rezeptorexpression ab (Di Marco et al., 1991; Di Marco et al., 1993; Wilkinson et al., 1994). In der Dermis von Patienten mit systemischer Sklerodermie zeigt sich immunhistochemisch eine vermehrte Expression von NGF (Tuveri et al., 1993).


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2.4.2.3 GM-SCF und GM-CSF-Rezeptor

Der Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierende Faktor GM-SCF ist ein 23 kDa Glykoprotein, das Proliferation, Differenzierung und Funktion hämatopoetischer Zellen stimuliert. Beim Menschen liegt das entsprechende Gen auf dem Chromosom 5q22-31. GM-CSF wird von etlichen Zellen sezerniert, darunter T- und B-Zellen, Makrophagen, Endothelzellen, Fibroblasten sowie Mastzellen, z.T. nach Aktivierung durch Zytokine (Nimer & Uchida, 1995).

Die Induktion der GM-CSF-Expression und -sekretion muriner und humaner Mastzellen kann durch Aktivierung des hoch-affinen IgE-Rezeptors FcepsilonRI vermittelt werden und läßt sich durch den zusätzlichen Einfluß von SCF steigern (Bressler et al., 1997; Meade et al., 1993; Okayama et al., 1998). Aktuell wurde gezeigt, daß Mastzellen den hoch-affinen IgG-Rezeptor FcgammaRI exprimieren und daß Aktivierung der Mastzellen durch Hochregulierung dieses Rezeptors nach Zugabe von Interferon gamma ebenso zu einem Anstieg der mRNA-Expression für GM-CSF führt, außerdem für TNF-alpha, IL-3 und IL-13 (Okayama et al., 2000).

Die IL-3-abhängige Entwicklung von murinen Mastzellen aus Knochenmarkzellen wird durch GM-CSF supprimiert (Bressler et al., 1989). Auch Mastzellcharakteristika, die unreife HMC-1-Zellen in der Kultur mit Fibroblasten-Überstand entwickeln, wie Tryptase-Aktivität, Histamingehalt und FcepsilonRI-Aktivität, werden bei Zusatz von GM-CSF deutlich herunterreguliert, so daß über GM-CSF ein negativer Feedbackmechanismus hinsichtlich der Mastzelldifferenzierung und -aktivität laufen könnte (Welker et al., 1997). Im Gegensatz dazu ist GM-CSF ein Differenzierungsfaktor für humane Basophile (Tsuda et al., 1991; Valent, 1995). Bei Mausmastzellen kann GM-CSF die durch IL-4 induzierte Fähigkeit zur Antigenpräsentation steigern (Frandji et al., 1995).

Der GM-CSF-R besteht aus 2 Untereinheiten, die durch Aggregation den hoch-affinen GM-CSF-R bilden. Ein weiterer Rezeptor intermediärer Affinität wurde bei der Maus auf Langerhans-Zellen gefunden. GM-CSF-R werden unter anderem von dendritischen Zellen, Monozyten, Eosinophilen, Neutrophilen, hämatopoetischen Zellen sowie Endothelzellen exprimiert. Mastzellen scheinen im Verlauf des Reifungsprozesses den GM-CSF-R zu verlieren (Cannistra et al., 1990; Kampgen et al., 1994; Valent, 1995).


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Neben den Effekten auf die Hämatopoese kann GM-CSF auch die Wundheilung in vielerlei Hinsicht beeinflußen. Zum einen fördert GM-CSF Chemotaxis, Zelladhäsion von Leukozyten sowie Synthese und Freisetzung zahlreicher Mediatoren, insbesondere durch Eosinophile und Neutrophile. Superoxide, Leukotriene, PAF und Arachidonsäure werden sezerniert und Phagozytoseaktivität sowie Zytotoxizität dieser Zellen unter dem Einfluß von GM-CSF gesteigert. Auch Proliferation, phagozytische und antimikrobielle Aktivität von Makrophagen werden durch GM-CSF stimuliert, zudem Endothelzellmigration und -proliferation sowie Keratinozytenwachstum und Ausbildung von Myofibroblasten (Braunstein et al., 1994; Canturk et al., 1999; Gabbiani, 1994; Jones, 1993; Jyung et al., 1994; Kaplan et al., 1992). Der Stimulation von Keratinozyten steht eine proapoptotische Wirkung von GM-CSF auf Keratinozyten gegenüber, durch die die epidermale Homoeostase aufrechterhalten wird (Breuhahn et al., 2000). Durch Gewebstrauma freigesetztes IL-1 führt zu vermehrter GM-CSF-Synthese von Keratinozyten und Fibroblasten (Kaushansky et al., 1988; Kupper et al., 1988).

Aufgrund dieser zahlreichen, zum Teil in vitro gefundenen, potentiell wundheilungsfördernden Effekte von GM-SCF erfolgte die Applikation von GM-CSF in Anwendungsstudien und Einzelfällen von erschwerter Wundheilung beim Menschen (Da Costa et al., 1999; Jaschke et al., 1999; Stagno et al., 1999). Eine Studie an gesunden Probanden mit Injektion von GM-CSF in Schnittwunden führte allerdings nicht zu schnellerer Wundheilung, jedoch zu einem Anstieg von IL-8 im Wundsekret (Ure et al., 1998). Bei der Ratte führte die lokale GM-CSF-Infiltration vor Setzen der Wunde zu vermehrter Festigkeit des Narbengewebes. Dieser Effekt konnte durch Applikation von TGF-beta in die Wunde noch verbessert werden (Smith et al., 2000).


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2.4.2.4 TGF-beta und TGF-beta-Rezeptoren

Die Transforming growth factor-beta (TGF-beta)-Moleküle spielen eine Hauptrolle bei der Steuerung von Zellwachstum und -differenzierung, bei reparativen Prozessen sowie bei der Einleitung von entzündlichen Prozessen durch chemotaktische Wirkung auf Entzündungszellen und Fibroblasten (Artuc et al., 1999; Lawrence, 1996). TGF-beta liegt in drei Isoformen vor: TGF-beta 1, TGF-beta 2 und TGF-beta 3. Jede dieser Isoformen wird von einem eigenen Gen auf unterschiedlichen Chromosomen kodiert. In den meisten Zelltypen liegt TGF-beta vor, jedoch in latenter Form, die der Aktivierung bedarf. Bei der Wundheilung scheint die Bindung an Thrombospondin, das von Thrombozyten freigesetzt wird, wesentlich für die Aktivierung zu sein. TGF-beta inhibiert die Proliferation der meisten Zelltypen, kann aber je nach Situation und Mikromilieu auch proliferationsfördernd wirken, insbesondere auf mesenchymale Zellen.

Von mehreren bisher identifizierten TGF-beta-bindenden Proteinen wurden die TGF-beta-Rezeptoren Typ I und Typ II auf HMC-1-Zellen und die Rezeptoren Typ I und Typ III auf Nagetiermastzellen nachgewiesen (Gruber et al., 1994; Olsson et al., 2000). In humaner Haut ließen sich die Typ I- und II-Rezeptoren in der Epidermis, in Hautanhangsgebilden und in vaskulären Zellen, jedoch nur in wenigen Fibroblasten nachweisen (Schmid et al., 1998).

HMC-1-Zellen exprimieren mRNA für TGF (Möller et al., 1998; Nilsson et al., 1995). TGF übt auf Mastzellen eine ausgeprägte chemotaktische Wirkung aus, die die von SCF weit übertrifft (Gruber et al., 1994; Olsson et al., 2000). Bei Ratten hemmt TGF-beta 1 Histamin- und TNF-alpha-Freisetzung aus Mastzellen (Bissonnette et al., 1997). Bei der murinen Mastzelle führt IL-3-Entzug zur Apoptose, die durch SCF via c-Kit verhindert werden kann. TGF-beta hebt diesen antiapoptotischen Effekt von SCF auf, möglicherweise durch Herunterregulation des c-Kit (Mekori et al., 1995).

Den Bindegewebsmetabolismus beeinflußen die TGF-beta-Moleküle in mehrfacher Weise. IgE-abhängige Aktivierung von murinen Mastzellen führt zur Sekretion von TGF-beta und TNF-alpha mit jeweils ausgeprägtem proliferativem Effekt auf Fibroblasten (Gordon & Galli, 1994; Kendall et al., 1997). Expression und Freisetzung von beta-Chymase aus murinen Mastzellen wird durch TGF-beta gesteigert. Bei muriner dermaler Sklerose führt anti-TGF-beta zu einer Abnahme der Fibrose sowie zu vermindertem Influx von Mastzellen (Miller et al., 1999; Yama


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moto et al., 1999). In Fibroblasten von Keloiden wurde eine im Vergleich zu normalen Fibroblasten erhöhte Expression von TGF-beta 1 und TGF-beta 2 festgestellt bei unveränderter Expression von TGF-beta 3. Vor allem TGF-beta 1 und 2 werden als Fibrose-induzierende Zytokine angesehen und fanden sich auch in entzündlich veränderter Haut bei Morphea und systemischer Sklerodermie beim Menschen (Lee et al., 1999; Querfeld et al., 1999). Im Rahmen der Wundheilung beim Menschen nahm die Anzahl der die TGF-beta-R Typ I und II exprimierenden dermalen Fibroblasten gegenüber normaler Haut zu und verringerte sich wieder mit fortschreitendem Heilungsprozess, nicht jedoch bei hypertropher Narbenbildung (Schmid et al., 1998).

2.4.2.5 IL-3

IL-3, ein Glykoprotein, ist ein hämatopoetischer Wachstumsfaktor, der von T-Lymphozyten, Monozyten, Endothelzellen, Granulozyten und Mastzellen sezerniert wird und ähnlich wie GM-CSF Überleben, Proliferation und Differenzierung der unterschiedlichen blutbildenden Zell-Linien fördert (Kita et al., 1991; Möller et al., 1998; Oster et al., 1991; Schrader, 1986; Sigounas et al., 1997). Auch für die murine Mastzelle gilt IL-3 als wesentlicher Wachstumsfaktor. Entzug von IL-3 führt zur Apoptose (Mekori et al., 1993). Beim Menschen fördert IL-3 in vitro vor allem die Entwicklung von Basophilen, weniger die von Mastzellen (Kirshenbaum et al., 1989).

Zusätzlich zu den hämatopoetischen Effekten beeinflußt Il-3 auch Immun- und Entzündungsreaktionen. Es verstärkt die Mediatorfreisetzung aus Eosinophilen und Basophilen (Brunner et al., 1993; Hirai et al., 1988; Rothenberg et al., 1988; Warringa et al., 1991). Eine Patientin mit einem Mesotheliom entwickelte unter einer Therapie mit subcutanen Injektionen von IL-3 Anstieg von Basophilen, Eosinophilen und Histamin im peripheren Blut sowie erythematöse pruritische Plaques an den Injektionsstellen. Histologisch fanden sich zahlreiche Neutrophile und Eosinophile innerhalb des perivaskulären Zellinfiltrats (Bridges et al., 1996). Rhesusaffen reagierten auf IL-3-Injektionen mit einem generalisierten Hautausschlag. Histologisch fielen zahlreiche Mastzellen auf (Volc-Platzer et al., 1991). Bei Patienten mit chronischer Urtikaria zeigte sich eine deutlich verminderte IgE-mediierte Histaminfreisetzung aus Basophilen, die nach Vorbehandlung dieser Zellen mit IL-3 anstieg und fast die Werte gesunder Kontrollpersonen erreichte (Zuberbier et al., 1996).


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IL-3 induziert anhaltende Expression von P-Selektin auf Endothelzellen. P-Selektin ist ein Adhäsionsmolekül, das in vitro zur Adhäsion von Leukozyten, in vivo zum sogenannten Rollen der Leukozyten führt. Sowohl im Serum, als auch in der Haut von Patienten mit chronisch-rezidivierender Urtikaria und Urticaria factitia wurde eine ausgeprägte Zunahme von P-Selektin festgestellt (Khew-Goodall et al., 1996; Zuberbier et al., 1997).

2.4.3 Zytokine

2.4.3.1 TNF-alpha

Der Tumornekrosefaktor alpha (TNF-alpha) ist ein nicht glykolysiertes Protein (Molmasse 17 kDa) und wird von praktisch allen ortsständigen Hautzellen ebenso wie von infiltrierenden Entzündungszellen exprimiert. Auch ein hochaffiner membranständiger TNF-Rezeptor wird in allen Geweben exprimiert. Besonders groß ist die Rezeptordichte in Haut und Lunge. Zusätzlich existieren lösliche TNF-Rezeptoren (Luger et al., 1997; Wakefield et al., 1991). Mit der Identifizierung von TNF-alpha wurde seine Fähigkeit entdeckt, Regression von Tumorgewebe einzuleiten, die zur Namensgebung führte. Inzwischen sind zahlreiche weitere Effekte von TNF-alpha bekannt, der als multifunktionales Zytokin eine zentrale Rolle bei Immun- und Entzündungsreaktionen spielt, zum Teil über Induktion weiterer Mediatoren, unter anderem IL-8, GM-CSF, TGF-beta, Leukotriene und Kollagenase. Einerseits übt TNF-alpha bei Infektionen eine protektive Wirkung aus über chemotaktische Effekte, Stimulation antimikrobieller Aktivität von Leukozyten und Makrophagen, andererseits kann er Entzündungsprozesse chronifizieren oder bei akuter Infektion zu den Symptomen des septischen Schocks beitragen (Wakefield et al., 1991).

Bereits 1980 wurde eine zytotoxische Wirkung von Mausmastzellen auf Tumorgewebe beschrieben (Farram & Nelson, 1980). Später wurde TNF-alpha als Mediator sowohl muriner als auch humaner Mastzellen identifiziert. Mastzellen sind die einzigen Zellen, die einen präformierten Gehalt an TNF-alpha besitzen und zwar in zytoplasmatischen Granula. Nach Degranulation steht somit TNF-alpha unmittelbar zur Einleitung entsprechender Abwehrreaktionen zur Verfügung, andererseits sind Mastzellen in der Lage, nach Stimulation TNF-alpha neu zu produzieren, um so die jeweilige Reaktion aufrechtzuerhalten (Gordon & Galli, 1990; Gordon & Galli, 1991; Walsh et al., 1991). TNF-alpha seinerseits stimuliert Mediatorfreisetzung aus menschlichen


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Hautmastzellen und übt durch Induktion des Adhäsionsmoleküls ELAM-1 auf humanen dermalen Endothelzellen eine entzündungsfördernde Wirkung aus (van Overveld et al., 1991; Walsh et al., 1991).

Bei der allergischen Entzündung und besonders deren Aufrechterhaltung und Perpetuierung spielt TNF-alpha eine wesentliche Rolle, wie an Haut und Schleimhäuten gezeigt wurde. Dieses Zytokin trägt im Rahmen der IgE-mediierten kutanen Spätphasenreaktion bei der Maus wesentlich zur mastzellabhängigen Leukozyteninfiltration bei (Wershil et al., 1991). In der Nasenschleimhaut von atopischen Patienten zeigte sich nach Allergenexposition ein signifikanter Anstieg von TNF-alpha in der Spülflüssigkeit. Bei Patienten mit Asthma bronchiale ließ sich immunhistochemisch in Biopsien der Bronchialschleimhaut eine Vermehrung TNF-alpha-positiver Mastzellen nachweisen (Bradding et al., 1995a; Bradding et al., 1994). Bei Patienten mit Kälteurtikaria fanden sich erhöhte Werte für TNF-alpha im peripheren Blut (Tillie-Leblond et al., 1994).

2.4.4 Chemokine

2.4.4.1 IL-8

Rekrutierung von Leukozyten ist ein wichtiger Vorgang bei jeglichen Entzündungsprozessen. Er wird von diversen chemotaktischen Mediatoren kontrolliert. Hierzu gehören neben Lipidmediatoren, Anaphylatoxinen und bakteriellen Peptiden auch bestimmte Zytokine und Chemokine. Zu letzterer Gruppe gehört IL-8, ein nicht glykolysiertes Protein mit einer Molmasse von 9 kDa, das von zahlreichen Zellen produziert wird, wie Fibroblasten, Endothelzellen, Melanozyten, aktivierten Monozyten und anderen [s. Übersicht in (Kownatzki & Norgauer, 1998)]. Auch von HMC-1-Zellen und stimulierten Mastzellen der humanen Haut wird IL-8 exprimiert (Möller et al., 1993).

IL-8 aktiviert insbesondere Neutrophile und gilt als einer der stärksten Chemoattraktoren dieser Zellen. Von Mastzellen sezerniertes IL-8 führt zur Rekrutierung von Neutrophilen, die durch Heparin aus Mastzellgranula noch verstärkt werden kann, wie bei Ratten gezeigt wurde (Dias-Baruffi et al., 1998). Auch auf Eosinophile übt IL-8 eine chemotaktische Wirkung aus (Oliveira et al., 1996). IL-8 fördert zudem die Histaminfreisetzung aus humanen Basophilen,


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ein Effekt auf humane Mastzellen konnte zunächst nicht gezeigt werden (Fureder et al., 1995). Inzwischen wurden jedoch nicht nur beide IL-8-Rezeptoren auf HMC-1-Zellen, sondern auch ihre funktionelle Aktivität durch Auslösung einer IL-8-induzierten Migration, nicht aber sekretorischer Aktivitäten nachgewiesen (Lippert et al., 1998).

Nach Auslösung einer Arthus-Reaktion bei Mäusen entwickelt sich ein neutrophilenreiches Entzündungsinfiltrat, bei dessen Entstehen Mastzellen, TNF-alpha und IL-8 eine wesentliche Rolle spielen (Zhang et al., 1995). In Gewebeexsudat, das mittels einer Kammer über einer IgE-mediierten Spätphasenreaktion der Haut beim Menschen aufgefangen wurde, ließen sich im Vergleich zu einer Hypersensitivitätsreaktion vermehrt Histamin, Leukozyten, aktivierte Eosinophile sowie IL-8 nachweisen. Diese Phänomene wurden mit einer Mastzellstimulierung in Verbindung gebracht (Zweiman et al., 1998). IL-8 konnte nach Injektion in menschliche Haut die histamininduzierte Quaddel- und Erythemreaktion ebenso wie das Neutrophileninfiltrat signifikant vergrößern (Douglass et al., 1996). Nach Allergenexposition wird IL-8 von humaner Haut und von Nasenpolypen freigesetzt (Möller et al., 1993; Park et al., 1997).

2.5 Spezifische Funktionen der Mastzelle in ausgewählten Krankheitsmodellen

2.5.1 Wundheilung / Fibrosierung und Mastzellen

Klassischerweise gelten Mastzellen als Effektorzellen allergischer und anderer immunologischer Reaktionen gegen unterschiedliche Eindringlinge von außen, wie Allergene, Parasiten oder Entzündung (s. auch 1.5.2) (Abraham & Malaviya, 1997; Galli, 1997; Malaviya & Abraham, 2000; Maurer et al., 1998; Williams & Galli, 2000). Zahlreiche Untersuchungsergebnisse legen inzwischen nahe, daß sie als multifunktionale Zellen über ihr Mediatoren- und Rezeptorenprofil außerdem eine prominente Rolle bei der Regulierung der Bindegewebshomoeostase spielen und Wundheilung mit Angioneogenese sowie Bindegewebsfibrosierung beeinflussen.

Bei vielfältigen fibrosierenden Prozessen in verschiedenen Organen, wie Wundheilung, Narbenhypertrophie, Sklerodermie, GVHD, rheumatoider Arthritis, Leberzirrhose, Lungenfibrose und Glomerulonephritis wurde ein Anstieg der Mastzellzahlen festgestellt (Armbrust et al., 1997; Artuc et al., 1999; Atkins & Clark, 1987; Claman, 1990; Gotis-Graham & McNeil,


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1997; Hawkins et al., 1985; Kischer et al., 1978; Seibold et al., 1990; Toth et al., 1999; Tredget et al., 1998; Yamashiro et al., 1998; Yousem, 1997). In einigen Untersuchungen fanden sich nach akutem Trauma und bei chronischer Fibrosierung Hinweise für eine Degranulation der Mastzellen sowie für eine erhöhte Bereitschaft von Mastzellen, Mediatoren freizusetzen (Irani et al., 1992; Pearson et al., 1988; Seibold et al., 1990). Bei Sklerodermie und hypertropher Narbenbildung nach Verbrennung fanden sich erhöhte Serum-Histaminspiegel (Falanga et al., 1990; Tredget et al., 1998).

In den ersten 24 Stunden nach Verletzung der Haut und teilweise in den frühen Stadien fibrosierender Prozesse fällt zunächst ein weitgehendes Verschwinden der Mastzellen auf, das 1955 erstmals von Wichmann in einem Wundheilungsmodell bei der Ratte beschrieben wurde. Parallel dazu kommt es zu einem Anstieg des Histamins im Gewebe. Anschließend nehmen die Mastzellzahlen langsam zu und nähern sich nach ca 3 Wochen denen vor Verletzung bzw steigen darüberhinaus an. Das Phänomen des „Verschwindens“ von Mastzellen ergab sich bei Mastzellfärbungen mit Toluidinblau oder Avidin, die die Mastzellgranula anfärben. Elektronenmikroskopische Darstellung oder Doppelfärbungen mit Markierung der membranständigen IgE-Rezeptoren und zugleich der zytoplasmatischen Granula legten bei Sklerodermiepatienten und bei der GVHD der Maus nahe, daß Mastzellen weiterhin vorhanden waren, wenn auch weitgehend degranuliert. Claman et al. nannten diese Zellen deshalb „Phantommastzellen“. Bisher ist unklar, ob sie aktivierte, undifferenzierte oder unreife Mastzellen darstellen (Choi & Claman, 1987; Choi et al., 1987; Claman, 1990; Claman et al., 1986; Hebda et al., 1993; Irani et al., 1992; Nishikori et al., 1998; Persinger et al., 1983; Seibold et al., 1990; Wichmann, 1955).

Von residenten oder eingewanderten Zellen bei chronischer Entzündung oder nach Trauma freigesetzte Mediatoren können zur Mastzelldegranulation oder -transgranulation führen, bei der über direkten Zell-Zell-Kontakt Mastzellgranula insbesondere an Endothelzellen und Fibroblasten weitergegeben werden können (Atkins & Clark, 1987; Claman, 1989; Greenberg & Burnstock, 1983). Die freigesetzten Mastzellmediatoren sind ihrerseits in vielfacher Hinsicht an Fibrosierungsprozessen und an der Wundheilung beteiligt, insbesondere durch Rekrutierung des Entzündungsinfiltrates, Neoangiogenese, Bindegewebs- und Epithelneubildung (Artuc et al., 1999; Gottwald et al., 1998).

Die Mastzellmediatoren LTB4, PAF, IL-8, TNF-alpha sowie GM-CSF induzieren direkt oder


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indirekt eine Einwanderung von Neutrophilen in das Gewebe; TNF-alpha erhöht zusätzlich die Phagozytosefähigkeit von Makrophagen (Canturk et al., 1999; Möller et al., 1993; Wakefield et al., 1991). Histamin, Leukotriene, PGD2 und PAF wirken vasodilatatorisch und erhöhen Blutfluß und Gefäßpermeabilität für Mediatoren aus dem Serum (Atkins & Clark, 1987; Kruger-Krasagakes & Czarnetzki, 1995).

In vielen Organen, darunter der Haut, finden sich Mastzellen in enger Nachbarschaft zu Blutgefäßen. Mastzellen produzieren und sezernieren zahlreiche Mediatoren mit angiogenetischer Potenz, darunter VEGF, TNF-alpha, Histamin, Heparin und Tryptase, so daß ein Einfluß auf die Blutgefäßneubildung bei der Wundheilung angenommen werden kann (Artuc et al., 1999; Grützkau et al., 1998).

Mastzellen sind selbst fähig, Typ VIII-Kollagen (humane Mastzellen), bzw. Typ IV-Kollagen (murine Mastzellen) zu sezernieren und können damit zu Angiogenese und Bindegewebsneubildung beitragen (Ruger et al., 1994; Thompson et al., 1991). Ein bedeutenderer fibrogenetischer Effekt wird allerdings von zahlreichen Mastzellmediatoren ausgelöst. Tryptase steigert die Fibroblastenproliferation und deren Kollagensynthese (s. 1.4.1.1). TGF-beta hat gleichfalls ausgeprägte fibroproliferative Eigenschaften (s. 1.4.2.4). FGF-2 ist ein weiterer Wachstumsfaktor, der von der Mastzelle produziert wird und einen potenten mitogenen Faktor für Fibroblasten darstellt. FGF-2 fördert daneben die Kollagenaseproduktion von Fibroblasten, so daß dieser Faktor eine Rolle bei der Bindegewebshomöostase zu spielen scheint. Zusätzlich induziert FGF-2 die Angiogenese (Artuc et al., 1999; Dayton et al., 1989; Qu et al., 1998; Reed et al., 1995). Neben Neutrophilen und Thrombozyten sezernieren auch Mastzellen PDGF, einen Wachstumsfaktor, der die Fibroblasten zur Produktion von Fibronektin und Hyaluronsäure sowie von Kollagen stimuliert und chemotaktisch auf Neutrophile, Makrophagen und Fibroblasten wirkt. Damit ist PDGF eine Schlüsselsubstanz bei der Bildung von Granulationsgewebe (Artuc et al., 1999; Hiragun et al., 1998).

Die Epithelneubildung können Mastzellen wiederum durch etliche Mediatoren beeinflussen. NGF stimuliert das Wachstum humaner Keratinozyten, die beide NGF-R exprimieren. Er erhöht ferner die Mitogenität mehrerer Wachstumsfaktoren für Keratinozyten und fördert die Produktion von VIP durch Nervenfasern, das seinerseits mitogen auf Keratinozyten wirkt (Di Marco et al., 1991; Di Marco et al., 1993; Haegerstrand et al., 1989; Sung et al., 1999; Wilkinson et al., 1994). Dieser mitogene Effekt von VIP wird durch LTB4, einem Lipidmediator


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der Mastzelle, synergistisch verstärkt, wie bei der Psoriasis gezeigt wurde (Rabier et al., 1993). Auch Tryptase vermag die Proliferation humaner Keratinozyten zu fördern (Cairns & Walls, 1996). IL-1, das ebenfalls von Mastzellen produziert werden kann, induziert in Fibroblasten die Synthese von Wachstumsfaktoren für Keratinozyten (Maas-Szabowski et al., 1999). FGF-2 stimulierte in vitro in einer humanen Keratinozytenkultur die Migration der Keratinozyten nach Schnittverletzung und förderte beim Meerschweinchen die Epithelisierung chronischer Trommelfelldefekte (Ozkaptan et al., 1997; Tsuboi et al., 1992). TGF-beta scheint vor allem einen modulierenden Effekt auf wachsende humane Keratinozyten durch Beeinflussung ihrer Integrin-Rezeptoren sowie einen migrationsfördernden Effekt auf Keratinozyten in Richtung auf extrazelluläre Matrixproteine auszuüben (Zambruno et al., 1995). In einer anderen Untersuchung unterdrückte TGF-beta die Keratinozytenmigration (Tsuboi et al., 1992). Diese widersprüchlichen Effekte von TGF-beta können durch unterschiedliche Differenzierungsstadien der Keratinozyten oder durch unterschiedliche Kulturbedingungen entstehen. Daneben spielt TGF-beta eine Rolle bei der Differenzierung kultivierter humaner Keratinozyten (Staiano-Coico et al., 1990).

Auswirkungen der Mastzellmediatoren Tryptase, Chymase, SCF, NGF, GM-CSF und TGF-beta auf Bindegewebsumbau und -wiederherstellung wurden weiter oben in detaillierterer Form bereits dargestellt.

2.5.2 Urtikaria und Mastzellen

Die Mastzelle gilt als Schlüsselement der Urtikaria, da ihre Mediatoren alle klinischen Symptome der Nesselsucht auszulösen vermögen. Die klassischen für Quaddeln, tiefe Ödeme, gegebenenfalls auch Blutdruckabfall sowie pulmonale und intestinale Symptome verantwortliche Substanzen sind Histamin, Neuropeptide und Lipidmediatoren, die zusammen mit weiteren Zytokinen der Mastzelle Endothelzellen aktivieren mit resultierender Einwanderung von Entzündungszellen. Entscheidend für die Aufklärung der Genese der Urtikaria ist die Identifikation der zur Degranulation führenden Mechanismen. Die gut definierte, IgE-vermittelte Aktivierung und Degranulation der Mastzelle ist nur für einen sehr geringen Anteil der akuten Urtikaria-Fälle verantwortlich (0,9 %), eine größere Rolle spielen Infekte der oberen Luftwege (ca 39 %) und Medikamentenunverträglichkeit (ca 9 %). Bei der chronischen Urtikaria stehen als Auslöser Pseudoallergien auf Nahrungsmittel und seltener auch chronische Entzün


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dungen des Gastrointestinaltraktes im Vordergrund. Als Stimuli für die nicht-IgE-vermittelte Mastzelldegranulation kommen Komplement und Neuropeptide in Betracht (Henz & Zuberbier, 1998; Henz & Zuberbier, 2000). Auch eine autoimmune Genese durch IgG-anti-IgE-Antikörper wird in einem Teil der Fälle diskutiert (Greaves, 1992).

Welche Rolle die zahlreichen von der Mastzelle exprimierten und sezernierten Zytokine bei der Urtikaria spielen, ist weitgehend ungeklärt. In vitro stimulierte HMC-1-Zellen können IL-1 beta, IL-3, IL-6, IL-8, IL-10, IL-13, SCF, GM-CSF, TNF-beta and PDGF exprimieren (Möller et al., 1998; Möller et al., 1993; Nilsson et al., 1995; Welker et al., 1999). Untersuchungen der Zytokinexpression von humanen Mastzellen wurden bei allergischen Reaktionen von Haut und Schleimhäuten im Rahmen der Atopie durchgeführt und die Mastzelle als Quelle für IL-4, -5, -6, GM-CSF und TNF-alpha identifiziert, die z.T. bei allergischer Entzündung hochreguliert waren (Bradding et al., 1994; Horsmanheimo et al., 1994; Okayama et al., 1998; Pawankar & Ra, 1996). Humane Mastzellen scheinen nicht nur bezüglich des Gehalts an Tryptase und Chymase heterogen zu sein, sondern auch hinsichtlich des Zytokinprofils. IL-4 wurde bevorzugt von MCTC, die sich unter normalen Bedingungen überwiegend in der Haut finden, exprimiert, IL-5 und IL-6 hingegen fast ausschließlich von MCT (Bradding et al., 1995b). IgE-mediierte und IgE-unabhängige Stimulation, ebenso wie eine Variation der Kulturbedingungen, führten bei humanen intestinalen Mastzellen zur Expression unterschiedlicher Zytokingruppen. IL-3, IL-5, IL-9 und IL-13 wurden nach IgE-vermittelter Mastzellaktivierung exprimiert, und in der Kultur mit IL-4 und SCF zeigte sich ein vierfacher Anstieg der Produktion von IL-3, IL-5, and IL-13 im Vergleich zur Kultur mit SCF allein. Dieses Zytokinmuster entspricht einer Th2-Antwort im Gegensatz zu dem proinflammatorischen Zytokinmuster, das nach bakterieller Aktivierung der Mastzelle auftrat (Lorentz et al., 2000). Auch an peritonealen Mastzellen der Ratte wurde gezeigt, daß das Spektrum der freigesetzten Mediatoren stimulusabhängig ist (Gupta et al., 1996; Leal-Berumen et al., 1994).

Sowohl bei der akuten, als auch bei der chronischen und physikalischen Urtikaria wurde eine Mastzellvermehrung um den Faktor 2,4 in der gesamten Dermis nachgewiesen (Haas et al., 1998b). Hautbiopsien der neutrophilen Urtikaria, einer histologisch definierten Untergruppe der Urtikaria mit ausgeprägtem neutrophilenreichem Entzündungsinfiltrat, zeigten vermehrte Expression von TNF-alpha und IL-3, jedoch nicht von IL-8 (Toppe et al., 1998). In Quaddeln wurden erhöhte IL-6-Spiegel sowie vermehrte Expression des Migrationsinhibitionsfaktors nachgewiesen (Czarnetzki et al., 1989; Lawlor et al., 1993). Die aus den Mastzellen im Rah


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men der Urtikaria freigesetzten Mediatoren führen zu einer sequentiellen Hochregulation der endothelialen Adhäsionsmoleküle P-Selektin, E-Selektin, ICAM-1 und VCAM-1, sowie von beta2-Integrinen auf Leukozyten und von Molekülen der MHC-Klasse II (Barlow et al., 1994; Haas et al., 1995b; Haas et al., 1996; Haas et al., 1998a). Auch die Eosinophilenproteine MBP und ECP finden sich in Quaddeln und zum Teil in nicht-läsionaler Haut von Urtikariapatienten (Haas et al., 1995c). P-Selektin wurde vermehrt in der Haut und im Serum von Patienten mit chronisch-rezidivierender Urtikaria und Urticaria factitia nachgewiesen (s.auch 1.4.2.5), und eine ausgeprägte Zunahme von TNFalpha im Serum wurde bei anstrengungsinduzierter Urticariavasculitis festgestellt (Kano et al., 1998; Zuberbier et al., 1997). Diese Befunde unterstreichen, daß die Urtikaria ein generalisiertes Geschehen mit zahlreichen Akteuren darstellt, unter denen die Mastzelle eine zentrale Rolle einnimmt.

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