Die Rolle der Mastzelle im zytokinen Netzwerk der Haut

Habilitationsschrift

Zur Erlangung der Lehrbefähigung
für das Fach

Zellbiologie und Histologie

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

von
Frau Dr. rer. nat. Pia Welker

geb. am 30.05.1960 in Teuchern

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

Dekan: Prof. Dr. Joachim W. Dudenhausen

Datum der Einreichung: Dezember 2002

Datum der Habilitation: 23. Oktober 2003

Gutachter:
1. Prof. J. Westermann
2. Prof. T. Luger

Zusammenfassung:

Mastzellen sind ubiquitär im Bindegewebe vorkommende Zellen, welche eine Vielzahl von Mediatoren physiologischer und pathologischer Prozesse exprimieren. Ihre Zahl ist in gesunden Geweben gering, am höchsten jedoch in der Haut und Schleimhäuten von Nase, Auge und Gastrointestinaltrakt sowie in der Lunge. Die Ergebnisse unserer Arbeitsgruppe zeigen, dass unter pathologischen Bedingungen, insbesondere bei entzündlichen Reaktionen und Erkrankungen des atopischen Formenkreises, die Mastzellzahlen um ein Vielfaches steigen. Dabei werden die Vorläuferzellen des Blutes, welche aus einer CD34+/c-Kit+ hämatopoetischen Stammzelle des Knochenmarkes rekrutiert werden, aktiviert und durch chemotaktisch wirkende Faktoren zur Einwanderung in die Gewebe stimuliert. Unter Verwendung von in vitro Kulturmodellen konnte gezeigt werden, dass diese Vorläuferzellen im Blut die Expression von c-Kit und CD34 herunterregulieren und als Zellpool im peripheren Blut zirkulieren. Nach Aktivierung der Zellen wurde c-Kit wieder nachgewiesen. Die Zellen wandern ins Gewebe ein und differenzieren dort unter Einfluss von Zytokinen, welche durch andere Gewebszellen freigesetzt werden, aus. Es wurden Wechselwirkungen in der Haut zwischen Mastzellen und Fibroblasten, Melanozyten, Keratinozyten und Nervenzellen gezeigt. Als Mittler dieser Wechselwirkungen konnten, neben den in der Literatur beschriebenen Faktoren, von uns SCF, GM-CSF, NGF und andere Neurotrophine zum Beispiel BDNF, NT-3 und NT-4 gezeigt werden. Die Regulation und Freisetzung dieser Faktoren ist bei pathologisch veränderter Haut, wie bei Atopischer Dermatitis, Psoriasis, Haarwachstumsstörungen, Tumoren der Haut und in der Wundheilung verändert. Die Modulation der Expression dieser Faktoren und ihrer Rezeptoren durch verschiedene Therapeutika, wie Glukokortikoide, Antihistaminika, Retinoide und UV-Bestrahlung konnte in verschiedenen Kulturmodellen gezeigt werden. Diese Erkenntnisse können in Zukunft bei der Entwicklung neuer Therapeutika zur Behandlung von verschiedenen Erkrankungen der Haut, Lunge sowie Darm und, da in zunehmendem Maße auch von Mastzellfunktionen in anderen Organen, wie Hirn, Herz, Leber und Niere berichtet wird, auch hier weiterführend beitragen.

[Seite 5↓] Diese Arbeit beinhaltet die Ergebnisse folgender Publikationen

(Zitierung in der Arbeit mit folgenden römischen Ziffern:)

1. Welker P, Grabbe J, Zuberbier T, Guhl S, Henz BM (2000) Mast cells and myeloid marker expression during early in vitro mast cell differentiation from human peripheral mononuclear cells. J Invest Dermatol 114:44-50.
   
2. Grabbe J, Welker P, Dippel E, Czarnetzki BM (1994) Stem cell factor, a novel cutaneous growth factor for mast cells and melanocytes. Arch Dermatol Res 287:78-84.
   
3. Grabbe J, Welker P, Grützkau A, Dippel E, Nürnberg W, Zuberbier T, Henz BM (1998) Induction of maturation in the immature human mast cell line HMC-1 by fibroblast supernatants, but not by stem cell factor. Scan J Immunol 47: 324-31.
   
4. Welker P, Grabbe J, Grützkau A, Henz BM (1998) Effects of NGF and other fibroblast-derived growth factors on immature human mast cells (HMC-1). Immunology 94:310-317.
   
5. Welker P, Grabbe J, Gibbs B, Zuberbier T, Henz BM (2000) NGF induces mast cell marker expression during in vitro culture of human umbilical cord blood cells. Immunology 99:418-426.
   
6. Welker P, Schadendorf D, Artuc M, Grabbe J, Henz BM (2000) Expression of SCF splice variants in human melanocytes and melanoma cell lines - potential prognostic implications. Brit J Cancer 82: 1453-58.
   
7. Grabbe J, Welker P, Rosenbach T, Nürnberg W, Krüger-Krasagakes S, Artuc M, Czarnetzki BM (1996) Release of stem cell factor (SCF) from a human keratinocyte line, HaCaT, is increased in differentiating versus proliferating cells. J Invest Dermatol 107:219-224.
   [Seite 6↓]
8. Welker P, Grabbe J, Zuberbier T, Grützkau A, Henz BM (2001) GM-CSF downmodulates c-kit, Fc(epsilon)RI(alpha) and GM-CSF receptor expression as well as histamine and tryptase levels in cultured human mast cells. Arch Dermatol Res 293:249-58.
   
9. Hermes B, Welker P, Feldmann-Böddeker I, Grabbe J, Zuberbier T, Henz BM (2001) Expression of mast cell growth modulating or chemotactic factors and their receptors in human scars. J Invest Dermatol 116: 387-93
   
10. Henz BM, Hermes B, Welker P: Interactions between neurotrophins and mast cells. In Mast cells and basophils. Marone G, Lichtenstein L, Galli S (eds). Academic Press, San Diego, 2000, pp341-354.
    
11. Botchkarev VA, Welker P Botschkarewa NV, Paus R (1998) A new role for neurotrophin-3: involvement in the regulation of hair follicle regression (catagen). Am J Pathol. 1998 153:785-99.
    
12. Grabbe J, Welker P, Möller A, Dippel D, Ashman L, Czarnetzki BM (1994) Comparative cytokine release from human monocytes, monocyte-derived immature mast cells, and a human mast cell line (HMC-1). J Invest Dermatol 103:504-508.
    
13. Welker P, Grabbe J, Gibbs B, Zuberbier J, Henz BM (1999) Human mast cells produce and differentielly express both soluble and membrane-bound stem cell factor. Scand J Immunol 49:495-501

Weitere eigene Publikationen sind im Literaturverzeichnis mit arabischen Ziffern aufgeführt.

Die eingefügten Abbildungen und Tabellen sind bisher nicht publiziert. Die Methoden sind in den oben genannten Veröffentlichungen beschrieben.

Inhaltsverzeichnis

• 1.  Einleitung
• 2.  Charakterisierung der Mastzellvorläuferzellen im Blut und deren Differenzierung in der Haut
• 3. Einfluss von Zytokinen verschiedener Zelltypen der Haut auf Differenzierung und Funktionen der Mastzelle
  • 3.1. Wirkung von aus Hautfibroblasten freigesetzten Faktoren
    • 3.1.1.  Stem Cell Factor (SCF)
    • 3.1.2. Nerve Growth Factor (NGF)
    • 3.1.3. Granulozyten-Makrophagen Coloniestimulierender Faktor (GM-CSF)
    • 3.1.4. Weitere von Fibroblasten produzierte Faktoren
  • 3.2. Melanozyten als Quelle des Wachtumsfaktors SCF
  • 3.3. Wechselwirkungen von Keratinozyten und Mastzellen
  • 3.4. Der Einfluss weiterer Zelltypen der Haut auf die Differenzierung und Funktion von Mastzellen
  • 3.5.  Wechselwirkungen zwischen Nerven und Mastzellen in der Haut
• 4. Die Mastzelle als Quelle von Zytokinen
• 5.  Modulation der Mediatorfreisetzung als Angriffspunkt für Therapien von chronisch-entzündlichen Hauterkrankungen
• Abkürzungsverzeichnis
• Literaturverzeichnis
• Eidesstattliche Versicherung

Tabellen

• Tab. 1: Differential Gene Expression Assay der HMC-1 Mastzellinie (Incyte Genomics and BioCat GmbH, Heidelberg). P1- Zellen unstimuliert, P2 – Zellen stimuliert für 24 h mit PMA, Mittelwert einer Doppelbestimmung, Positives Signal > 2, 0 (Signalintensität der spezifischen mRNA im Verhälnis zur Expression verschiedener Housekeeping Gene)

Bilder

• Abb. 1: Immunhistochemische Färbung (APAAP) (I, IX) unter Verwendung eines tryptasespezifischen Antikörpers (AA1) von Biopsien: A- Normalhaut, B – Patient mit Atopischer Dermatitis, C- Niere
• Abb. 2: A: Mastzellen und Fibroblasten im dermalen Bindegewebe, B; C: Mastzellen in der Epidermis. Semidünnschnitt einer Biopsie von einem Patienten mit Atopischer Dermatitis (während Mastzellen in Normalhaut fast ausschließlich im dermalen Bindegewebe lokalisiert sind, findet man sie bei einigen Patienten mit Atopischer Dermastitis und Psoriasis auch in der Epidermis: eigene unveröffentliche Ergebnisse)Färbung mit Alcianblau
• Abb. 3: Immunhistochemische Färbung (APPAP) (I, IX) von PBMC-Zellen (Zytospin, I) unter Verwendung eines spezifischen Antikörpers gegen TrkA. Zellen isoliert aus dem peripheren Blut eines Normalspenders (A) oder eines Patienten mit Atopischer Dermatitis
• Abb. 4: Immunhistochemische Färbung (APAAP, I, IX) von Schnitten aus Hautbiopsien von Normalpersonen (A, C) und Patienten mit Atopischer Dermatitis (B, D) unter Verwendung von Antikörpern spezifisch für TrkA (A, B) und p75 (C, D).
• Abb. 5: Immunhistochemische Färbung (APAAP, I, IX) einer Biopsie von einem Patienten mit Atopischer Dermatitis (epidermale Mastzellen) unter Verwendung eines spezifischen Antikörpers gegen Mastzelltryptase (V, VIII).
• Abb. 6: Immunhistochemische Färbungen (A, C, D – APAAP, I, IX, B Doppelfluoreszenzfärbung mit Cy-2 und Cy-3 und Overlay) von Mastzellen und Endothel. A: Tryptase-positive Mastzellen um Gefäße in der Haut eines Patienten mit Atopischer Dermatitis. B: Endothelmarker CD31(grün) und c-Kit-positive Mastzellen (rot), C: Nachweis von Neoangiogenese durch Färbung CD105 positiver Endothelzellen (Marker für proliferierende Endothelzellen) D: Serienschnitt von C – tryptasepositve Mastzelle in direktem Kontakt mit neugebildeten Endothelien.
• Abb. 7: Die Rolle von Mastzellmediatoren in der Entwicklung von chronisch allergischem Asthma bronchiale (modifiziert nach Hart, 156)