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1  Einleitung

1.1 Epidemiologie allergischer Erkrankungen.

Die Prävalenzen von Asthma, allergischer Rhinokonjunktivitis (ARK) und atopischer Dermatitis sind im Laufe der letzten Jahrzehnte dramatisch gestiegen. Allergische Erkrankungen stellen inzwischen die häufigsten chronischen Erkrankungen im Kindesalter in westlichen Industrienationen dar. So leiden über 10% der 13-14-Jährigen in Deutschland unter Asthma und bis zu 15% unter einer ARK [1].

Da erste Symptome allergischer Erkrankungen oft bereits im Säuglingsalter auftreten, sind mehrere prospektive Geburtskohorten-Studien weltweit initiiert worden, um den natürlichen Krankheitsverlauf zu beschreiben sowie frühe Risikofaktoren und Prädiktoren für allergische Erkrankungen zu evaluieren [2,3,4,5,6,7].

Die typische „Atopikerkarriere“ beginnt mit einer atopischen Dermatitis im Säuglings- oder frühen Kindesalter gefolgt von ARK und Asthma bronchiale im Kleinkind- und Schulalter. Immunologisch ist eine - meist transiente - Sensibilisierung gegen Nahrungsmittelallergene (insbesondere Ei und Milch) in den ersten zwei bis drei Lebensjahren bei allergisch prädisponierten Individuen nachweisbar, während mit zunehmendem Alter eine Sensibilisierung gegen inhalative Allergene stattfindet [8].

Im Erwachsenenalter sind pathophysiologisch signifikante Gemeinsamkeiten bei Asthma bronchiale und ARK bekannt, so daß bereits viele Autoren obere und untere Atemwege hinsichtlich allergischer Erkrankungen als „united airways“ bezeichnen. Bis zu 78% der Asthmatiker leiden unter einer ARK, umgekehrt haben Patienten mit ARK in 38% auch asthmatische Beschwerden. Selbst bei nicht-asthmatischen Individuen mit ARK läßt sich meist eine bronchiale Hyperreagibilität nachweisen [9].

Mehrere epidemiologische Studien haben Risikofaktoren evaluiert, die die stetige Zunahme der Atopie erklären könnten. So gibt es deutliche Hinweise darauf, daß früher Kontakt mit bakteriellen Antigenen (z.b. Endotoxin) sowie frühkindliche virale Infekte vor einer späteren Erkrankung an Asthma schützen (sog. Hygienetheorie; [10,11,12,13,14,15]).


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1.2  Genetik allergischer Erkrankungen

Obwohl Veränderungen im Lebensstil sicherlich zur Entstehung allergischer Erkrankungen beitragen, spielt die Vererbung ebenfalls eine entscheidende Rolle, was durch mehrere Zwillings- und Familienstudien belegt wurde (s. a. [16]). So schätzte eine Studie an 11.688 dänischen Zwillingspaaren den Anteil genetischer Faktoren bei Asthma bronchiale auf 73% [17]. Atopie-assoziierte Erkrankungen folgen jedoch nicht den klassischen Mendelschen Erbgängen (z.b. autosomal dominant oder rezessiv), sondern stellen komplexe genetische Merkmale dar. Phänokopie, inkomplette Penetranz und genetische Heterogenität erschwert die Analyse der genetischen Grundlage [18]. Die genetische Komplexität des Asthma bronchiale und der Atopie wird reflektiert durch die ständig steigende Zahl gekoppelter chromosomaler Regionen, sowie durch zahlreiche assoziierte Polymorphismen in proinflammatorischen Genen (zusammengefaßt in Ref. [19]).

Zur Lokalisation von "Asthma- und Atopiegenen“ wurden zahlreiche Kopplungsstudien (sowohl genomweit als auch in Kandidatengenregionen) durchgeführt.

Bei genomweiten Suchen nach krankheitsverursachenden Genen werden 300 bis 500 polymorphe genetische Marker in regelmäßigen Abständen (ca. 10 cM, entsprechend 107 Basenpaaren [bp]) über das gesamte Genom verteilt eingesetzt. Meist werden betroffene Geschwisterpaare untersucht. Chromosomale Regionen, die hierbei auf eine Kopplung mit dem untersuchten Krankheitsbild hinweisen, werden anschließend mit weiteren enger beieinander liegenden Markern untersucht, um die Regionen, welche potentielle Krankheitsgene beinhalten, einzuengen (sog. “dense mapping”). Mehrere genomweite Suchen nach Asthma-Genen sind publiziert (zusammengefaßt in Ref. [19]). Die Ergebnisse dieser Studien sind jedoch äußerst widersprüchlich. Bemerkenswert ist jedoch die bisher größte genomweite Kopplungsstudie aus England, welche eine hochsignifikante Kopplung von Asthma und bronchialer Hyperreagibilität (BHR) in 460 britischen Familien aufzeigte. Anschließend gelang erstmalig im Rahmen einer genomweiten Suche nach Asthma-Genen durch positionelles Klonieren die Identifikation eines Suszeptibilitäts-Gens auf Chromosom 20p13, ADAM 33 [20]. ADAM Proteine sind Metalloproteinasen mit multiplen Funktionen, unter anderem tragen sie zum „Shedding“ von Oberflächenproteinen in den Atemwegen (Zytokine, Zytokin-Rezeptoren) bei.


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Bei Kopplungsstudien in Kandidatengenregionen werden gezielt chromosomale Regionen untersucht, in denen Gene lokalisiert sind, welche aufgrund ihrer biologischen Funktion zur Krankheitsentstehung beitragen könnten. Im Gegensatz zu genomweiten Suchen ist eine a priori Hypothese erforderlich. Mehrere genetische Marker werden nach ihrer Lokalisation in diesen Regionen ausgewählt und auf Kopplung (meist in betroffenen Geschwisterpaaren oder mittels Transmissions Disäquilibrium Tests [TDT]) untersucht.

Insbesondere Chromosom 5q ist aufgrund zahlreicher potentieller Kandidatengene (IL4, IL13, IL3, IL5, GMCSF, CD14, SPINK5, sowie den pharmakogenetischen Kandidatengenen β2-adrenerger Rezeptor [ADRB2] und Glukokortikoidrezeptor [GR]) intensiv untersucht worden.

Während Kopplungsstudien nur auf die Lokalisation von krankheitsverursachenden Genen hinweisen, haben Kandidatengenanalysen das Ziel einen kausalen Zusammenhang zwischen einer funktionellen genetischen Variante und einem Krankheitsbild herzustellen. Die allergische Entzündung ist schematisch und stark vereinfacht in Abb. 1 dargestellt. Alle hier skizzierten Moleküle wurden auf genetische Varianten untersucht. Weit über 100 Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) in diesen Kandidatengenen sind identifiziert und mit diversen Atopie-assoziierten Phänotypen in Verbindung gebracht worden (zusammengefaßt in Ref. [19].). Wenige dieser Assoziationen konnten jedoch in unabhängig analysierten Studienpopulationen bestätigt werden.

Betrachtet man kritisch die bisher durchgeführten genetischen Studien, so wiesen folgende chromosomale Regionen wiederholt Kopplung mit Asthma und assoziierten Phänotypen in unabhängig rekrutierten Studienpopulationen auf: Chromosom 5q23-33, 6q21-23, 11q13, 12q14-24 und 13q11-32. Diese chromosomalen Regionen enthalten zahlreiche Gene, welche an der allergischen Entzündung beteiligt sind (s. Tabelle 1). In der Region 5q31-33 sind IL4 und IL13 als Th2 Zytokin-Gene interessante Kandidatengene für Atopie und Asthma. SNPs in beiden Genen sowie deren gemeinsamer Rezeptoruntereinheit IL4RA (IL-4Rα-Kette) auf Chromosom 16p sind mit Atopie-assoziierten Merkmalen in Verbindung gebracht worden [21,22,23,24].


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CD14, ein weiteres Kandidatengen auf Chromosom 5q31-33, fungiert als LPS-Rezeptor. Ein CD14 Promotor SNP wurde von zwei Arbeitsgruppen mit IgE-Spiegeln assoziiert [25,26].

Auf Chromosom 11q13 sind neben der ß-Kette des niedrig-affinen Fcε-Rezeptors (FCER1B) das antiinflammatorische Protein CC16 und die Glutathion-S-Transferase P1 kodiert. Polymorphismen in beiden Genen wurden mit Asthma bzw. dem Schweregrad der Erkrankung assoziiert [27,28,29].

Asthma, ARK und atopische Dermatitis sind chronisch-entzündliche Erkrankungen mit einer multifaktoriellen Genese. Dies trifft auch für andere häufige Krankheitsbilder zu: Entzündliche Darmerkrankungen (M. Crohn, Colitis ulcerosa), Psoriasis, Erkrankungen aus dem rheumatischen Formenkreis, im weiteren Sinne auch Multiple Sklerose und Typ I Diabetes. Becker et al. verglichen in einer bemerkenswerten Publikation die Ergebnisse genomweiter Studien dieser Krankheitsbilder: Es konnte gezeigt werden, daß Suszeptibilitätsloci dieser Krankheitsbilder in 18 chromosomalen Regionen geclustert sind, d.h. daß vermutlich gemeinsame genetische Faktoren zur Pathogenese chronisch-entzündlicher Erkrankungen beitragen [30]. Diese Hypothese wurde durch zwei genomweite Suchen nach AD-Suszeptibilitästloci untermauert: Lee et al. (2000) identifizierten in einer europäischen Population einen singulären hochsignifikanten Locus auf Chromosom 3q21 [31]. In dieser Region liegen unter anderem die Gene für die beiden kostimulatorischen Moleküle CD80 und CD86. Cookson et al. (2001) konnten in einer britischen Population diese Ergebnisse nicht bestätigen, jedoch wurden in dieser Studie AD-Suszeptibilitäts-Loci auf Chromosom 1q21 und 17q25 beschrieben [32]. Diese Regionen zeigten bisher keine signifikante Kopplung mit Asthma oder anderen Atopie-assoziierten Merkmalen. Cookson et al. wiesen darauf hin, daß die in beiden genomweiten Studien identifizierten ‚AD-Loci’, ebenso in Kopplungs-Studien der familiären Psoriasis Signifikanzen aufwiesen. Es liegt daher nahe, daß gemeinsame –organspezifische- genetische Determinanten unterschiedlichen entzündlichen Hauterkrankungen zugrunde liegen.


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Tabelle 1: Chromosomale Regionen mit Hinweis auf Kopplung mit Atopie-
assoziierten Phänotypen in ≥ 3 unabhängigen Studienpopulationen*.

Chromosomale Region

Kandidatengene

Phänotyp

5q23-33

IL4, IL13, IL3, IL5, IL9, GMCSF, CD14, SPINK5, ADRB2, GR

Asthma, BHR, Atopie, Gesamt- und spezifisches IgE, AD, Eosinophilie

6p21-23

HLAII, TNFA

Spezifisches IgE, Gesamt-IgE, Asthma, allergisches Asthma

11q13

FCER1B, GSTP1, CC16

Asthma, BHR, Atopie, Gesamt- und spezifisches IgE, AD

12q14-24

IFNG, MMP19, IL22, IL26, BTL1, KIT-ligand, LTA4 Hydrolase, NFYB, IGF1, PLA2

Gesamt-IgE, Asthma, BHR, Atopie, Eosinophilen-Konzentration

13q11-32

HMGP1

HRF

Asthma, allergisches Asthma, Atopie, AD, spezisches IgE, Eosinophilen-Konzentration

* Referenzen siehe bei Sengler et al. 2002 ([19])


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1.3  Die Multizentrische Allergiestudie (MAS-90)

Sowohl die epidemiologischen Arbeiten als auch die genetischen Untersuchungen, welche im Folgenden kurz zusammengefaßt werden, basieren auf Daten der Multizentrischen Allergiestudie (MAS), welche deshalb zunächst beschrieben werden soll (siehe auch: Nickel et al. 2003 [33]).

Ziel der prospektiven MAS-Studie war und ist es, Risikofaktoren für allergische Erkrankungen im Kindesalter zu identifizieren sowie den natürlichen Verlauf allergischer Erkrankungen zu beschreiben. Hierfür wurden 1990 1314 gesunde Neugeborene in fünf deutschen Städten rekrutiert. 499 Kinder (38%) wurden als Hochrisiko-Probanden eingestuft: Diese hatten mindestens zweierstgradige atopische Familienmitglieder und/oder wiesen eine IgE-Konzentration im Nabelschnurblut > 0.9kU/l auf. Die Kinder der Kontrollgruppe (815 Kinder=62%) wurden unter den verbliebenen Neugeborenen zufällig ausgewählt. Hier war maximal ein Atopiker in der Kernfamilie und der Nabelschnurblut-IgE-Wert betrug < 0.9kU/l. Follow-up Untersuchungen fanden im Lebensalter von 1, 3, 6, 12, 18, 24 Monaten und anschließend einmal jährlich statt. Die Untersuchungen (s. Abb.1) beinhalteten unter anderem standardisierte Interviews, Fragebögen, eine körperliche Untersuchung, Blutentnahmen zur Bestimmung von Gesamt- und spezifischem IgE gegen Nahrungsmittel- und inhalative Allergene (sieben Zeitpunkte), Lungenfunktionstests und Histaminprovokation (im Alter von sieben Jahren). DNA Proben wurden von 888 Kindern und 1231 Eltern gewonnen.

Eltern gaben ihr schriftliches Einverständnis. Die Studie wurde von der Ethik-Kommission der Charité genehmigt.


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05.01.2005