Schwarzer , Evelin: Malariapigment Hemozoin und die funktionelle Hemmung von Monozyten

Institut für Biochemie der Medizinischen Fakultät (Charité) der HUB


Malariapigment Hemozoin und die funktionelle Hemmung von Monozyten
Habilitationsschrift

zur Erlangung der Lehrbefähigung für das Fach
BIOCHEMIE

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

von Frau Dr. Evelin Schwarzer ,
geb. am 01.10.1956 in Großenhain

Präsident: Prof. Dr. Dr.h.c. H.Meyer

Dekan: Prof. Dr. med. Dr. h. c. R. Felix

eingereicht am: 16.06.1999

Gutachter:
Prof. Dr. R. H. Schirmer
Prof. Dr. P. Kremsner

Datum des öffentlichen Vortrages: 02.05.2000

Zusammenfassung

Malariapigment Hemozoin wird üblicherweise als nicht-toxische, hochmolekulare, parasitäre Speicherform des nicht abgebauten, toxischen Häms aus dem Wirtszell-Hämoglobins betrachtet. Unaufgereinigtes Pigment, wie wir es im infizierten Erythroyzten finden und wie es nach Schizontenruptur freigesetzt wird, kann man als die “natürliche Diät“ ansehen, die Makrophagen in Malaria-infizierten Wirten aufnehmen. Nach Aufnahme in den Makrophagen persistiert Hemozoin in den Lysosomen und wird nicht abgebaut. Das Häm-abbauende Enzym, die Häm-Oxygenase wird nicht induziert. Hemozoin ist eine potente Quelle für Radikale, woraus Lipoperoxide und davon abgeleitete Hydroxyaldehyde,wie 4-Hydroxynonenal resultieren . 4-Hydroxynonenal in Konzentrationen, wie sie in Hemozoin-beladenen Monozyten nachgewiesen wurden, hemmen die Proteinkinase C. In immunopräzipitierter Proteinkinase C aus Hemozoin-haltigen Makrophagen wurden ProteinkinaseC-Hydroxynonenal-Komplexe nachgewiesen. Die Hemmung der Proteinkinase C (und anderer bisher nicht untersuchter Enzyme und Prozesse) durch Hydroxynonenal könnte die Hemozoineffekte auf den ‘oxydativen burst‘ und die Phagozytose erklären. Der Phorbolester-induzierte ’oxydative burst‘ ist irreversibel gehemmt in Monozyten, die entweder Hemozoin oder aber Hemozoin-haltige, infizierte Erythrozyten phagozytiert haben. Die Hemmung der NADPH-Oxydase, das für den ’oxydativen burst‘ verantwortliche Enzym, durch intrazelluläres Hemozoin, sollte beträchtlich zur ’burst‘-Hemmung beitragen. Monozyten phagozytieren Hemozoin-haltige, infizierte Erythrozyten oder isoliertes Hemozoin , sind danach jedoch unfähig, erneut zu phagozytieren, wie es Monozyten nach Phagozytose und Verdau von nicht-infizierten Erythrozyten physiologischerweise tun.

Schließlich ist die Expression von Membranantigenen, die für die Immunantwort von Bedeutung sind, in Hemozoin-haltigen Monozyten vermindert. Die Induktion des für die Präsentation externer Antigene verantwortlichen Histokompatibilitätskoplexes (MHC) Klasse II durch Interferon-gamma ist in Hemozoin-beladenen Monozyten aufgehoben. Sowohl das‘Interzelluläre Adhäsionsprotein 1‘(CD54) als auch p150,95 Integrin (CD11c) sind in Hemozoin-haltigen Monozyten vermindert Oberflächen-exprimiert. Trotz der verschiedenen funktionellen Einschränkungen sind Hemozoin-beladene Phagozyten vital.

Bei Plasmodium-falciparum-Malaria enthält ein hoher Anteil von Gewebsmakrophagen und zirkulierender Monozyten und Leukozyten beträchtliche Mengen Hemozoin. Wichtige Funktionen, wie ’oxydativer burst‘, Phagozytose und die Expression von MHC Klasse II, sind in Hemozoin-beladenen Phagozyten gestört. Es scheint deshalb gerechtfertigt, die Hemozoin-Beladung als wichtigen Faktor in der gestörten Immunantwort bei der P.falciparum-Malaria zu betrachten.

Abstract

Malaria pigment hemozoin is generally considered to be a non-toxic, high-molecular-weight, parasitic storage form of undigested,toxic, host-hemoglobin-heme.Crude pigment, as present in infected erythrocytes and shed after schizont rupture, may be considered the ’natural diet‘ ingested by macrophages in malaria-infected hosts. After ingestion by macrophages hemozoin persists in the lysosomes without being degraded. The heme-degrading enzyme, the heme-oxygenase, is not induced. Hemozoin is a powerfull source of radicals that generates lipoperoxides and derived, toxic hydroxyaldehydes such as 4-hydroxynonenal. High concentrations of 4-hydroxynonenal, which have been detected in hemozoin-fed macrophages, inhibit protein kinase C. Complexes between hydroxynonenal and protein kinase C have been detected in immunoprecipitated protein kinase C from hemozoin-fed macrophages. Hydroxynonenal-mediated inhibition of protein kinase C (and of other as yet unidentified enzymes and processes) may explain hemozoin-mediated effects on oxidative burst and phagocytosis. The phorbol ester-eliceted oxidative burst is irreversibly suppressed in monocytes fed with hemozoin or hemozoin-containing, infected erythrocytes. The inhibition of NADPH-oxidase, the enzyme responsible for oxidative burst, by ingested hemozoin should considerably contribute to burst inhibition. Monocytes avidly ingest infected hemozoin-containing erythrocytes or isolated hemozoin but are unable to repeat the phagocytic cycle as monocytes do after phagocytosis and digestion of non-infected erythrocytes. Finally , the expression of membrane antigens involved in the immune response is decreased in hemozoin-loaded monocytes. The induction of the major histocompatibility complex (MHC) class II by interferon-gamma, that is responsible for presentation of external antigens, is abrogated in hemozoin-loaded monocytes. The intercellular adhesion molecule 1 (CD54) as well as the p150,95 integrin (CD11c) are decreased on the surface of monocytes containing hemozoin. Despite multiple functional impairments, hemozoin-loaded phagocytes remain alive.

In Plasmodium-falciparum malaria large portions of resident macrophages and circulating monocytes and leukocytes contain massive amounts of hemozoin. Important functions like oxidative burst, phagocytosis and the expression of MHC class II are severely impaired in hemozoin-fed phagocytes. It seems therefore likely that hemozoin loading may play an important role in the impairment of the immune response seen in P.falciparum malaria.

Schlagwörter:
Malaria, Hemozoin, Phagozytose, Immunsuppression

Keywords:
malaria, hemozoin, phagocytosis, immune suppression


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Inhaltsverzeichnis

TitelseiteMalariapigment Hemozoin und die funktionelle Hemmung von Monozyten
I Zusammenfassung der publizierten Forschungsergebnisse
1 Thematik
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Der asexuelle Parasiten-Zyklus
2.2 Das Malariapigment Hämozoin
2.3 Zur Rolle peripherer Monozyten bei der Malaria
3 Methodische Grundlagen und Neuentwicklungen
3.1 Zellen und Hämozoin (1-11)
3.2 Quantifizierung von Häm (4)
3.3 Hämfreisetzung aus Lysosomen
4 Hämozoin und Phagozytenfunktion
4.1 Die Phagozytose von parasitierten Erythrozyten in vitro und die Persistenz von Hämozoin im Monozyten. Zur Rolle der Häm-Oxygenase (1,10)
4.2 Die Hemmung der Phagozytose durch intrazelluläres Hämozoin (1)
4.3 Die Hemmung des 'oxydativen burst' durch intrazelluläres Hämozoin (1,2)
4.4 Die Hemmung der Interferon-induzierten Expression von MHC Klasse II (9)
4.5 Die Hemmung der Expression von ICAM-1 und CD11c (12)
4.6 Vitalität der Hämozoin-beladenen Monozyten (1,8)
5 Molekulare Targets für Hämozoin
5.1 Die NADPH-Oxydase (6)
5.2 Die Protein Kinase C (3,7)
6 Molekulare Mechanismen der Inhibition durch Hämozoin
6.1 Die Lipidperoxydation (1,7,8)
6.2 Die Bildung von 4-Hydroxynonenal und Hydroxynonenal-Addukten (7)
6.3 15-Hydroxyeicosatetraensäure [15-HETE] (11)
7 Einordnung der Ergebnisse in die gegenwärtige Malariaforschung
8 Referenzen
8.1 Eigenzitate
8.2 Fremdzitate
II Publizierte Forschungsergebnisse
Selbständigkeitserklärung

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Wed Oct 18 9:17:57 2000