Diskussion

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Vor über 50 Jahren beschrieben Comfort und Steinberg ein familiär gehäuftes Auftreten der chronischen Pankreatitis und postulierten bei diesen Patienten eine genetische Ursache (). Der zugrundeliegende Defekt blieb aber für mehr als 4 Jahrzehnte unbekannt. Die Autoren dieser ersten Falldarstellung merkten an, daß „die hereditäre chronisch rezidivierende Pankreatitis keine besonderen Kennzeichen aufweist, die sie von der nicht hereditären chronisch rezidivierenden Pankreatitis unterscheidet“ (). Die erbliche Pankreatitis galt bislang als seltene Erkrankung. Die überwiegende Mehrheit der Patienten mit chronischer Pankreatitis weist keine Familienanamnese auf. In 10-30% der Fälle ist keine auslösende Ursache erkennbar. Diese als idiopathisch bezeichnete Form der Pankreatitis ist neueren Erkenntnissen zufolge vermutlich auch genetisch determiniert.

Vor über einem Jahrhundert bildete Hans Chiari die Hypothese, daß die Pankreatitis Folge einer Selbstverdauung des Organs ist (). Die zellulären Mechanismen blieben aber für lange Zeit ungeklärt. Es wurde postuliert, daß eine übermäßige Trypsinaktivität im Pankreasparenchym mit konsekutiver Aktivierung anderer Enzyme für den Entzündungsprozeß verantwortlich ist (). Die Identifizierung von Mutationen im kationischen Trypsinogen-Gen bestätigte die bedeutende Rolle des pankreatischen Proteasesystems bei der Pathogenese der chronischen Pankreatitis ().

Kationisches Trypsinogen (PRSS1)

Biologische Funktion

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Das kationische Trypsinogen (OMIM #276000) (), auch als Serinprotease 1 (PRSS1) bezeichnet, gehört zu den meistsynthetisierten sekretorischen Proteinen des Pankreas (). Drei verschiedene Trypsinogene wurden aus dem Pankreassekret isoliert, die entsprechend ihres Wanderungsverhaltens in der isoelektrischen Fokussierung als anionisches, kationisches und Mesotrypsinogen bezeichnet werden (). Der Anteil der kationischen Form am Gesamttrypsinogen beträgt 40% und der Anteil der anionischen Form 60%, während das Mesotrypsinogen nur in geringer Menge nachweisbar ist (). Kationisches und anionisches Trypsinogen besitzen die gleiche enzymatische Aktivität; das kationische Isoenzym zeigt aber eine stärkere Neigung zur Selbstaktivierung und eine geringere Inaktivierungstendenz (,).

Das PRSS1-Gen ist auf dem langen Arm des Chromosoms 7 (7q35) lokalisiert, erstreckt sich über 3,6 kb und besteht aus 5 Exonen (). Das Präproprotein besitzt 247 Aminosäuren, von denen die ersten 15 Aminosäuren die Signalsequenz und die Aminosäuren 16-23 das Aktivierungspeptid bilden. PRSS1 ist mit sieben anderen Trypsinogen-Genen tandemartig im -T-Zellrezeptorlokus angeordnet. Drei nicht funktionelle Pseudogene befinden sich im 5‘-Bereich des -T-Zellrezeptorlokus, während fünf weitere Gene einschließlich des kationischen und anionischen Trypsinogens am 3‘-Ende lokalisiert sind (). Das Mesotrypsinogen-Gen ist auf dem kurzen Arm des Chromosoms 9 (9p13) lokalisiert. Die Trypsinogen-Gene weisen eine hohe Homologie von mehr als 90% auf ().

Trypsin nimmt bei der Aktivierung der pankreatischen Verdauungsenzyme eine Schlüsselrolle ein: Die Serinprotease vermag sich selbst als auch alle anderen proteolytischen Proenzyme des Pankreas zu aktivieren. Das Pankreas synthetisiert und sezerniert Trypsin als inaktives Trypsinogen (Zymogen). Erst im Darm erfolgt durch Abspaltung des Aktivierungspeptides mit Hilfe des Enzyms Enteropeptidase (Enterokinase) die Umwandlung des Trypsinogens zu Trypsin. Mehrere Mechanismen schützen das Pankreas vor einer Aktivierung der pankreatischen Enzymkaskade und Selbstverdauung (): Die Synthese der Verdauungsenzyme in Form von inaktiven Proenzymen (Zymogenen), die Lokalisierung des aktivierenden Enzyms Enteropeptidase außerhalb des Pankreas und eine niedrige intrapankreatische Calciumkonzentration. Jedoch werden auch im normalen Pankreasgewebe geringe Mengen an Trypsinogen durch Autolyse zu aktivem Trypsin umgewandelt. Diese Trypsinaktivität wird aber durch zwei Mechanismen eingedämmt. Zum einem wird Trypsin durch Bindung an den Serinprotease-Inhibitor, Kazal-Typ 1 (SPINK1) komplexiert, zum anderen können Trypsin und weitere Pankreasproteasen durch Trypsin und trypsinähnliche Enzyme wie Mesotrypsin degradiert werden ().

Identifizierung von PRSS1 als Pankreatitis-Gen

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1996 gelang es mehreren Arbeitsgruppen unabhängig voneinander mittels Kopplungsanalysen einen Genort für die hereditäre Pankreatitis auf dem langen Arm des Chromosoms 7 (7q35) zu lokalisieren (,,). Im gleichen Jahr identifizierten David Whitcomb und Mitarbeiter eine Mutation im kationischen Trypsinogen-Gen als Ursache für die Erkrankung. Bei fünf untersuchten Familien fand sich ein Austausch eines Arginins durch ein Histidin an Position 122 des Proteins (R122H) (). Inzwischen wurden mehrere weitere Mutationen im PRSS1-Gen beschrieben wie z.B. A16V, D22G, K23R, N29I, N29T und R122C (,,,,,,,,,). Die Untersuchung pädiatrischer Patienten zeigte zudem, daß Trypsinogen-Mutationen auch bei Fällen ohne Familienanamnese, also bei der idiopathischen Form, nachweisbar sind (). Es wird angenommen, daß diese Mutationen zu einer vermehrten Trypsinaktivität im Pankreasgewebe und damit zur Selbstverdauung und Entzündung des Organs führen.

R122H

Die R122H-Mutation ist die wahrscheinlich weltweit die häufigste PRSS1-Mutation (,,,). Auch wenn die starke Assoziation dieser Mutation mit der chronischen Pankreatitis inzwischen unbezweifelt ist, ist der zugrundeliegende pathogenetische Mechanismus wenig verstanden. Anhand von Simulationen am dreidimensionalen Strukturmodell des Trypsinogenmoleküls („molecular modelling“) wurde vermutet, daß die R122H-Mutation aktiviertes Trypsin unempfindlich gegenüber hydrolytischer Inaktivierung werden läßt (). Die verminderte proteolytische Inaktivierung durch Mutation einer Serinproteasen-Schnittstelle ist auch bei anderen Erkrankungen ein wesentlicher pathogenetischer Mechanismus. So wird die Resistenz gegenüber aktiviertem Protein C (APC-Resistenz) bei erblicher Thrombophilie durch die Mutation eines Arginins im Gerinnungsfaktor V hervorgerufen, die zu einer stark verminderten Inaktivierung des Faktor V führt (). In-vitro-Experimente zeigten, daß das Arginin an Position 122 eine wichtige Schnittstelle für die proteolytische Spaltung und damit Inaktivierung des Trypsinogens darstellt (,,). Die proteolytische Inaktivierung ist ein postulierter Schutzmechanismus gegen eine überschießende Trypsinaktivität im Pankreas. Das mutierte Trypsin würde der Hydrolyse entgehen und dadurch die Verdauungsenzymkaskade aktivieren. Funktionelle Untersuchungen an rekombinantem Trypsinogen der Ratte unterstützten diese Hypothese: Das mutierte Trypsinogen behielt seine katalytischen Eigenschaften, wies aber eine erhöhte Resistenz gegenüber proteolytischem Abbau auf (,). Neuere Untersuchungen weisen jedoch darauf hin, daß eine vermehrte Trypsinogenaktivierung der wesentliche Pathomechanismus ist (). Die gezielte Mutagenese von rekombinantem humanen Trypsinogen ergab, daß beide der untersuchten Mutationen (R122H und N29I) in vitro zu einer verstärkten Autoaktivierung führten, während R122H zusätzlich den proteolytischen Abbau des Enzyms verminderte ().

N29I

Zwei unabhängige Arbeitsgruppen beschrieben eine A zu T Transversion im Exon 2, die einen Austausch von Asparagin durch Isoleucin im Kodon 29 bedingt (N29I) (,). Mehrere Studien bestätigten diese Mutation (,,,). Es wurde vermutet, daß N29I zu einer vermehrten Autoaktivierung (,) oder zu einer verminderten Proteolyse führt (). Die zweite Hypothese wurde anfänglich durch In-vitro-Experimente am Trypsinogen der Ratte unterstützt (), jedoch zeigten funktionelle Studien an rekombinantem menschlichen Trypsinogen eine vermehrte Autoaktivierung und keine verminderte Degradierung ().

A16V

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Bei der Analyse pädiatrischer Patienten fand sich bei 4 von 44 nicht verwandten Erkrankten eine C zu T Transition im Exon 2, die zu einem Austausch von Alanin gegen Valin an Position 16 führt (A16V) (). Drei der vier betroffenen Patienten wiesen keine Familienanamnese auf, obwohl die Mutation in allen Fällen durch ein Elternteil vererbt wurde. Von 7 Angehörigen mit der A16V-Mutation war nur einer ebenfalls klinisch betroffen. Im Gegensatz zu den beiden vorher erwähnten Mutationen (R122H, N29I) besitzt A16V nur eine geringe Penetranz. Zwei Gruppen bestätigten inzwischen diese Mutation (,).

Die A16V-Mutation verändert die erste Aminosäure des Trypsinogen-Aktivierungspeptides (Abbildung 1). Zwei weitere Mutationen, D22G und K23R, sind in dem nur 8 Aminosäuren langen Aktivierungspeptid beschrieben worden (,), was darauf hindeutet, daß Mutationen in dieser kurzen Sequenz von entscheidender funktioneller Bedeutung sind. Bislang gibt es keine funktionellen Untersuchungen zu A16V. Es ist denkbar, daß eine Konformationsänderung des Aktivierungspeptides zu einer vermehrten Autoaktivierung infolge erleichterter Proteolyse führt ().

Abbildung 1: N-terminale Aminosäuresequenz des kationischen Trypsinogens

Andere PRSS1-Mutationen

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Mehrere weitere Mutationen im kationischen Trypsinogen sind beschrieben worden, deren pathogenetische Relevanz allerdings nicht gesichert ist. Bei der Mutationsanalyse von 14 Familien mit hereditärer Pankreatitis fand sich bei zwei Mitgliedern einer Familie eine A zu G Transition im Exon 2, die zu einem Austausch von Arginin gegen Lysin an Position 23 führt (K23R) (). Diese Mutationen ist bislang nur einmal beschrieben worden.

Eine andere Studie beschrieb eine A zu G Transition im Exon 2, die eine Austausch von Asparaginsäure gegen Glycin an Position 22 bedingt (D22G) (). Die Mutation war nachweisbar beim Indexpatient, bei der gesunden Schwester und bei der betroffenen Mutter. Der Onkel und die Großmutter litten ebenfalls unter rezidivierenden Abdominalschmerzen. Allerdings stand von beiden keine Probe für die genetische Analyse zur Verfügung. In-vitro-Experimente mit synthetischen Dodeka-Peptiden des aminoterminalen Endes zeigten, daß das D22G- und das K23R-Peptid im Vergleich zum Wildtyp-Peptid eine verstärkte Hydrolyserate aufwies (). Es wurde gefolgert, daß beide Mutationen durch erleichtertes Abspalten des Aktivierungspeptides eine vermehrte Autoaktivierung des Trypsinogens bedingen.

Vererbungsmodell

Die hereditäre Pankreatitis ist definiert als eine autosomal dominante Erkrankung mit einer variablen Penetranz von 40-80% (). Die Charakteristika der Familien mit der R122H- oder der N29I-Mutation sind mit diesem Konzept gut vereinbar. Im Gegensatz dazu weist die A16V-Mutation nur eine geringe Penetranz auf und wird typischer Weise bei Patienten mit idiopathischer Pankreatitis gefunden (). Dieser Befund läßt darauf schließen, daß PRSS1-Mutationen nicht nur einem autosomal dominanten Erbgang folgen. Trypsinogen-Mutationen weisen somit eine beträchtliche Variabilität in der Penetranz auf. Die in der jüngsten Literatur zitierte Penetranz von 80% spiegelt wahrscheinlich mehr die Penetranz bestimmter Mutationen wie R122H als die allgemeine Penetranz wider. Die Identifizierung von SPINK1-Mutationen bei Patienten mit chronischer Pankreatitis untermauert die genetische Heterogenität der Erkrankung.

Serinprotease-Inhibitor, Kazal-Typ 1 (SPINK1)

Biologische Funktion

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Der Serinprotease-Inhibitor, Kazal-Typ 1 (SPINK1) (OMIM #167790) (), auch als pankreatischer sekretorischer (PSTI) oder als tumorassoziierter Trypsin-Inhibitor (TATI) bezeichnet, ist ein spezifischer intrapankreatischer Trypsin-Inhibitor. SPINK1 wurde erstmalig 1948 von Kazal und Mitarbeitern aus dem Rinderpankreas isoliert () und läßt sich im Pankreassekret aller untersuchten Spezies nachweisen. Außer dem Pankreas exprimieren auch der Gastrointestinaltrakt sowie zahlreiche andere Geweben wie Leber, Lunge, Nieren, Ovarien und Brustdrüse SPINK1 (,). SPINK1 fungiert nicht nur als intrapankreatischer Proteaseninhibitor, sondern auch als akute-Phase-Protein und ist wahrscheinlich bedeutsam beim Schutz der gastrointestinalen Epithelschicht vor exzessiver Verdauung und bei der Wundheilung ().

Das humane SPINK1-Gen ist lokalisiert auf dem Chromosoms 5, erstreckt sich über 7,5 kb und setzt sich aus 4 Exonen zusammen (). SPINK1 besteht aus 79 Aminosäuren, von denen die ersten 23 Aminosäuren die Signalsequenz bilden. Das sezernierte Protein besitzt 56 Aminosäuren und ist ausgesprochen stabil bei saurem pH. Das reaktive Zentrum von SPINK1 bildet ein Lysin an Position 41 und ein Isoleucin an Position 42 (K41-I42) (). Die Inkubation äquimolarer Mengen von Trypsin und dem Inhibitor führt zu einer kovalenten Bindung zwischen dem katalytischen Serin der Protease und dem Lysin im reaktiven Zentrum von SPINK1. Nach längerer Inkubation wurde allerdings ein kontinuierlicher Wiederanstieg der Trypsinaktivität beobachtet (). Dieses Phänomen der „temporären Inhibition“ wird durch die Tatsache erklärt, daß der Trypsin-Inhibitor-Komplex selber als Substrat für Trypsin dient. Die dadurch bedingte Degradierung des Inhibitormoleküls resultiert in einer Wiederherstellung der ursprünglichen Trypsinaktivität.

N34S

Da viele Patienten mit hereditärer Pankreatitis keine Mutation im PRSS1-Gen aufweisen, wurde postuliert, daß genetische Defekte in anderen Genen existieren, die ebenfalls zu einer Pankreatitis führen. Dieses wurde durch die Identifizierung von SPINK1 als weiteres Pankreatitis-Gen bestätigt (): Bei 22 von 96 (23%) pädiatrischen Patienten mit chronischer Pankreatitis wurde eine Mutation in diesem Gen nachgewiesen.

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18 Patienten besaßen eine A zu G Transition im Exon 3, die zu einem Austausch von Asparagin gegen Serin an Position 34 führt (N34S) (). Mit 80-90% aller Mutationen ist N34S die wichtigste genetische SPINK1-Veränderung. Sechs der Patienten waren homozygot für diese Mutation. Phänotypische Unterschiede zwischen heterozygoten und homozygoten N34S-Trägern bestanden nicht. Eine andere Arbeitsgruppe bestätigte die hohe Frequenz von N34S bei chronischer Pankreatitis: Von 57 Patienten mit idiopathischer chronischer Pankreatitis waren 7 homozygot und 16 heterozygot für N34S (). Im Gegensatz dazu fand eine französische Arbeitsgruppe, die 14 familiäre und 30 idiopathische Patienten untersuchte, keine Assoziation zwischen der Erkrankung mit SPINK1 ().

N34S ist ausnahmslos mit vier weiteren intronischen Polymorphismen gekoppelt: IVS1-37 T>C, IVS2+268 A>G, IVS3-604 G>A und IVS3-66_-69 insTTTT (Abbildung 2) ().

Abbildung 2: Mutationen und Polymorphismen im SPINK1-Gen

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Die vollständige Kopplung dieser 5 genetischen Veränderungen weist darauf hin, daß diese Mutationen vor sehr langer Zeit entstanden sind. Da die N34S-Mutation nahe an dem reaktiven Zentrum (K41-I42) gelegen ist, führt sie möglicherweise zu einer verminderten Inhibitorkapazität. Allerdings ist das Asparagin an Position 34 zwischen verschiedenen Spezies nicht konserviert (). Bislang existiert nur eine publizierte Studie zur funktionellen Auswirkung der N34S-Mutation, die keinen Effekt auf die Trypsininhibition zeigen konnte (). Nach nicht publizierten Daten einer anderen Arbeitsgruppe geht N34S allerdings mit einer verminderten Inhibitor-Kapazität einher (Miklós Sahin-Tóth, persönliche Mitteilung).

Denkbar wäre auch eine vermehrte Degradierung im endoplasmatischen Retikulum durch fehlerhafte Proteinprozessierung wie es für Erkrankungen wie z.B. die zystische Fibrose oder den 1-Antitrypsinmangel beschrieben ist (,). Jedoch ist es nicht auszuschließen, daß nicht N34S, sondern eine der vier gekoppelten Intronvarianten die pathogenetisch relevante Mutation darstellt. Intronische Mutationen sind bei einigen Erkrankungen wie der zystischen Fibrose oder der -Thalassämie von hoher Bedeutung (,).

Die N34S-Mutation findet sich vornehmlich bei Patienten ohne Familienanamnese: 25-40% der Patienten mit idiopathischer chronischer Pankreatitis tragen auf einem oder beiden Allelen diese Mutation (,). Allerdings dürfte eine Heterozygotie für N34S pathogenetisch nicht ausreichend sein, da ungefähr 1% der Bevölkerung heterozygote N34S-Träger sind. Warum die Mehrheit der N34S-Heterozygoten keine Pankreatitis entwickelt, ist derzeit wenig verstanden. Wahrscheinlich führt erst die Kombination mit anderen Gendefekten (,) oder Umweltfaktoren zum Ausbruch der Erkrankung.

Andere SPINK1-Mutationen

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Neben N34S wurden mehrere weitere SPINK1-Mutationen identifiziert, deren Bedeutung zur Zeit noch unklar ist (Abbildung 2). In einer Familie fand sich eine heterozygote Mutation im Startkodon (2T>C) (17). Die 2T>C-Mutation konnte beim Indexpatienten, dem gesunden Vater, und dem erkrankten Großvater nachgewiesen werden. Der verstorbene Urgroßvater litt ebenfalls an der Erkrankung. Da die Mutation nicht bei dessen Frau nachweisbar war, dürfte der Urgroßvater ebenfalls Mutationsträger gewesen, vorausgesetzt daß es sich bei seinem Sohn nicht um eine de novo Mutation handelt. Dieser Stammbaum läßt einen autosomal dominanten Erbgang mit hoher Penetranz vermuten.

Bei mehreren Patienten wurde eine Mutation der Spleißstelle im Intron 3 nachgewiesen (IVS3+2 T>C). Das T an Position 2 der Spleißdonorstelle ist bei Eukaryonten hoch konserviert. Die Mutation fand sich in einer Studie bei einem Patienten mit Familienanamnese () und in einer anderen Studie bei 3 von 122 Patienten, aber nicht bei 190 Kontrollpersonen ().

Zwei weitere Mutationen wurden jeweils nur bei einem Patienten gefunden: Eine T zu C Transition im Exon 1, die zu einem Austausch von Leucin gegen Prolin an Position 14 führt (L14P) und eine C zu T Transition in der 5‘-UTR an Position –53, die möglicherweise ein neues Startkodon (ACG zu ATG) mit vorzeitigem Kettenabbruch durch ein zwei Kodons stromabwärts gelegenes TAA zur Folge hat ().

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Pfützer et al. beschrieben einen gemischt Heterozygoten für die N34S-Mutation und eine T zu G Transversion im Exon 3, die einen Austausch von Asparaginsäure gegen Glutaminsäure im Kodon (D50E) verursacht (). In derselben Studie wurden zwei weitere Variationen im Intron 3 (IVS3+125 C>A und IVS3+184 T>A) bei einem bzw. 5 Patienten, aber nicht bei 190 gesunden Kontrollen gefunden ().

Vererbungsmodell

Die Bedeutung der SPINK1-Mutationen bei der Pathogenese der chronischen Pankreatitis und das Vererbungsmuster dieser Mutationen wird in der Literatur unterschiedlich bewertet. Eine Gruppe zog den Schluß, daß SPINK1-Mutationen weder über einen autosomal rezessiven noch über einen autosomal dominanten Erbgang eine Pankreatitis auslösen (). Nach unserer Ansicht kann die durch SPINK1-Mutationen bedingte Pankreatitis ein autosomal rezessives, ein multigenetisches und ein autosomal dominantes Vererbungsmuster aufweisen (,).

Die hohe Frequenz an N34S-Homozygoten suggeriert einen autosomal rezessiven Erbgang. In zwei großen Studien waren ungefähr 10% der Patienten mit idiopathischer chronischer Pankreatitis homozygot für N34S (,). Bei einer Heterozygotenfrequenz von etwa 1% in der allgemeinen Bevölkerung beträgt die erwartete Homozygotenfrequenz 1:40.000. Bei einer angenommenen Prävalenz der idiopathischen chronischen Pankreatitis von 1:16.000 (), ergibt sich eine geschätzte Penetranz von mindestens 25%. Eine unvollständige Penetranz findet sich bei vielen rezessiven Erkrankungen: Nur 2-3% der Patienten mit homozygotem 1-Antitrypsinmangel entwickeln eine klinisch relevante Lebererkrankung (). Ähnliches findet sich bei der hereditären Hämochromatose, die durch einen Cystein-Tyrosin-Austausch an Position 282 (C282Y) des HFE-Proteins verursacht wird. Etliche C282Y-Homozygote entwickeln keine manifeste Hepatopathie (). Im weiteren findet sich bei der Hämochromatose ein erheblicher Prozentsatz, der nur heterozygot für C282Y ist oder gar keine HFE-Mutation besitzt (,). Bei Patienten mit chronischer Pankreatitis lassen sich sowohl heterozygote wie auch homozygote Mutationen im zystischen Fibrose-Gen (CFTR) nachweisen (,). Die hohe N34S-Heterozygotenfrequenz bei idiopathischer chronischer Pankreatitis legt nahe, daß ein Teil dieser Patienten an einer multigenetisch bedingten Erkrankung leidet.

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Die oben erwähnte Familie mit der Startkodonmutation (2T>C) im SPINK1-Gen suggeriert einen autosomal dominanten Erbgang. Die Tatsache, daß verschiedene Mutationen in demselben Gen den gleichen Phänotyp bei unterschiedlichen Vererbungsmustern hervorrufen können, ist seit langem bekannt. So wird z.B. die -Thalassämie je nach zugrundeliegender Mutation im Globin-Gen autosomal rezessiv oder autosomal dominant vererbt ().

Möglicherweise beeinflußt das Ausmaß der intrapankreatischen SPINK1-Erniedrigung den Erbgang (). Die 2T>C-Mutation zerstört das einzige Startkodon des SPINK1-Gens und führt wahrscheinlich zu einer 50%igen Reduktion des Inhibitors und somit zu einem dominanten Effekt. Die N34S-Mutation reduziert vermutlich die intrapankreatische SPINK1-Kapazität weniger, was einen rezessiven oder komplexen Erbgang zur Folge haben mag. Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR)

Biologische Funktion

Die zystische Fibrose (OMIM #219700) () ist eine autosomal rezessiv vererbte Erkrankung mit einer geschätzten Inzidenz von 1:2500. Die zystische Fibrose ist durch eine Pankreasinsuffizienz und durch eine chronische Lungenerkrankung charakterisiert. Die Pankreasbeteiligung variiert von einem kompletten Verlust der exokrinen und endokrinen Funktion bis zu einer nahezu normalen Pankreasfunktion. Eine rezidivierende Pankreatitis wird in 1-2% der pankreassuffizienten und selten auch bei pankreasinsuffizienten Patienten beobachtet (,,). 1989 wurde das CFTR als Krankheitsgen identifiziert (,).

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CFTR (OMIM #602421) () ist auf dem langen Arm von Chromosom 7 (7q31) lokalisiert, erstreckt sich über 250 kb und besteht aus 27 Exonen (,). CFTR kodiert für ein Transmembranprotein, ist auf der Oberfläche der meisten Epithelzellen nachweisbar und fungiert als cAMP-abhängiger Chloridkanal (). Das Pankreas exprimiert CFTR in der apikalen Membran der duktulären Zellen aber nicht in den Azinuszellen (,,). CFTR besitzt eine bedeutende Rolle in der duktulären Sekretion von Bicarbonat in den Pankreassaft.

Bislang sind über 1000 verschiedene CFTR-Mutationen beschrieben worden. Die häufigste CFTR-Mutation ist eine Deletion von 3 Basenpaaren im Exon 10, die den Verlust eines Phenylalanins an Position 508 (F508del) zur Folge hat. Diese Mutation findet sich weltweit bei 66% aller CF-Chromosomen (). CFTR-Mutationen lassen sich in 5 Klassen einteilen (,): Mutationen, die eine fehlerhaften Transkription der mRNA (Klasse I), eine defekte Proteinprozessierung (Klasse II) oder eine fehlerhafte Aktivierung (Klasse III) bewirken, führen zu einem gering oder nicht funktionellem Protein und sind gewöhnlich mit einem schweren Phänotyp assoziiert. Mutationen, die die Aktivität (Klasse IV) oder Menge (Klasse V) des Proteins reduzieren, führen zu einer erniedrigten aber nicht vollständig aufgehobenen CFTR-Funktion und sind oft mit einem milden Phänotyp assoziiert.

CFTR und chronische Pankreatitis

Zwei Arbeiten beschrieben eine starke Assoziation zwischen CFTR-Mutationen und chronischer Pankreatitis (,). Nachfolgende Studien ergaben jedoch zum Teil widersprüchliche Ergebnisse (,,,,,). Anlaß für die beiden ersten Studien gaben mehrere Beobachtungen: Sowohl bei zystischer Fibrose wie auch bei chronischer Pankreatitis können pathologische Chloridkonzentration im Schweiß nachgewiesen werden (). Bei beiden Erkrankungen findet sich pathomorphologisch eine duktuläre Obstruktion durch eingedickte Sekretionen (,). Im weiteren leiden 1-2% der Patienten mit zystischer Fibrose an einer rekurrierenden Pankreatitis (,,). Auch eine Koinzidenz beider Erkrankungen in derselben Familie wurde beobachtet (). Ein zusätzlicher Hinweis war eine Fallbericht von Ravnik-Glavac und Mitarbeiter, die CFTR-Mutationen in zwei Familien mit hereditärer Pankreatitis beschrieben ().

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Sharer und Mitarbeiter untersuchten 134 Patienten mit chronischer Pankreatitis, davon 60 mit idiopathischer und 71 mit alkoholinduzierter Pankreatitis, auf 22 CFTR-Mutationen und auf das 5T-Allel im Intron 8 (). 18 Patienten (13,4%) mit chronischer Pankreatitis bzw. 12 Patienten (20%) mit idiopathischer Pankreatitis waren heterozygot für eine CFTR-Mutation. 14 Patienten (10,4%) besaßen ein 5T-Allel im Intron 8. Vier der Patienten waren gemischt heterozygot für eine CFTR-Mutation und das 5T-Allel. CFTR-Mutationen fanden sich bei alkoholischer Pankreatitis zweimal so häufig und bei idiopathischer viermal so häufig als erwartet, während die Frequenz des 5T-Allels nicht erhöht war (Allelfrequenz 0,05 []).

Cohn et al. untersuchten 27 Patienten mit idiopathischer chronischer Pankreatitis auf 17 CFTR-Mutationen und das 5T-Allel (). Sieben Patienten (25,9%) besaßen mindestens eine CFTR-Mutation und 5 Patienten (18,5%) das 5T-Allel. Ein Patient war gemischt heterozygot für F508del und R117H und 2 Patienten für F508del und das 5T-Allel. Eine CFTR-Mutation wurde bei den Patienten somit sechsmal häufiger als erwartet gefunden, während die Frequenz des 5T-Allels verdoppelt war.

Vererbungsmodell

Warum heterozygote CFTR-Träger ein erhöhtes Risiko für eine chronische Pankreatitis besitzen, ist wenig verstanden. Es wurde die Hypothese gebildet, daß die Kombination zweier milder bzw. einer schweren und einer milden CFTR-Mutation den Phänotyp einer Pankreatitis verursacht, während die Kombination zweier schwerer CFTR-Mutationen zu dem Phänotyp einer zystischen Fibrose führt. Allerdings waren 16 der 18 von Sharer et al. und 6 der 8 von Cohn et al. gefundenen Mutationen sog. schwere Mutationen (Klasse I-III) und nur ein Patient war gemischt heterozygot (5T-Allelfrequnez hierbei nicht berücksichtigt). Da in beiden Studien nur eine kleine Anzahl von Mutationen getestet wurde (17 bzw. 22 von über 1000 bekannten), die bei zystischer Fibrose häufig sind, ist es vorstellbar, daß etliche Patienten eine eher selten auftretende Mutation auf dem zweiten Allel tragen. Dies konnte für einen Teil der Patietnen in konsekutiven Arbeiten gezeigt werden (,). F508del stellt mit einer Frequenz von 66% die häufigste CFTR-Mutation weltweit dar (). Der prozentuale Anteil der F508del-Mutation belief sich auf 62,5% in der Studie von Cohn et al. und auf 75% in der Studie von Sharer et al. (,). Nach unserer Erfahrung finden sich bei mehr als 30% der Patienten mit idiopathischer chronischer Pankreatitis CFTR-Mutationen, wobei F508del weniger als ein Drittel aller Mutationen stellt (unpublizierte Daten).

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Warum die überwiegende Mehrheit der heterozygoten CFTR-Träger keine Pankreatitis entwickelt und warum in einigen Familien CFTR-Mutationen einen dominanten Erbgang nachahmen (), ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt wenig verstanden. Neuere Publikationen deuten darauf hin, daß die Kombination einer heterozygoten CFTR-Mutation mit einem genetischen Defekt in einem anderen Gen wie z.B. SPINK1 zur chronischen Pankreatitis disponiert (,). Dieser Hypothese folgend, würde CFTR über einen komplexen Erbgang zu dem Phänotyp einer chronischen Pankreatitis führen.

alpha1-Antitrypsin

Biologische Funktion

1-Antitrypsin (OMIM #107400) () ist ein bedeutender Inhibitor proteolytischer Enzyme wie der neutrophilen Elastase, des Cathepsin G oder der Proteinase 3 (). Der autosomal rezessiv vererbte 1-Antitrypsinmangel ist assoziiert mit einer chronischen Hepatopathie () und einem Lungenemphysem (). Über 100 verschiedene allelische Varianten sind bisher beschrieben; die meisten wirken sich aber nicht auf die Serumkonzentration oder die Funktion aus. Die beiden häufigsten Gendefekte, die einen 1-Antitrypsinmangel verursachen, sind ein Glutamin-Valin-Austausch im Kodon 264 (E264V) und ein Glutamin-Lysin-Austausch an Position 342 (E342K) (,). Nach dem Wanderungsverhalten in der isoelektrischen Fokussierung, die zur Phänotypisierung eingesetzt wird, wird die E264V-Variante als PiS und die E342K-Variante als PiZ bezeichnet.

alpha1-Antitrypsin und chronische Pankreatitis

Einzelne Fallberichte wie auch zwei kleinere Studien beschrieben eine Assoziation zwischen einem 1-Antitrypsinmangel und chronischer Pankreatitis (,,,), die aber in anderen Studien wie auch in eigenen Untersuchungen nicht bestätigt werden konnte (,,,,). Bei 7 von 96 pädiatrischen Patienten mit chronischer Pankreatitis fand sich eine 1-Antitrypsinvariante: vier (4,2%) waren heterozygot für PiS und drei (3,1%) für PiZ (). Keiner der Patienten war homozygot oder gemischt heterozygot für eine der beiden Mutationen. Von 185 Kontrollen waren 12 heterozygot für PiS (6,5%) und 8 für PiZ (4,3%). In einer zeitgleich erschienenen Studie mit 124 Patienten mit nicht-alkoholischer chronischer Pankreatitis konnte ebenfalls keine Assoziation mit den beiden Mangelallelen PiS und PiZ gefunden werden (). Diese Daten legen nahe, daß dem 1-Antitrypsinmangel keine Bedeutung bei der Pathogenese der chronischen Pankreatitis zukommt. Dies ist im Einklang mit den Ergebnissen einen großen Follow-up-Studie, die bei 246 PiZ-Homozygoten keinen einzigen Fall einer Pankreatitis beschrieb ().

Genetisches Modell der chronischen Pankreatitis

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Vor über einem Jahrhundert wurde von Chiari die Hypothese gebildet, daß die Pankreatitis Folge einer Selbstverdauung des Organs ist (). Die zellulären Mechanismen blieben aber für lange Zeit ungeklärt. Es wird angenommen, daß eine vermehrte Trypsinaktivität im Pankreas mit konsekutiver Aktivierung anderer Enzyme zur Organentzündung führt. Mehrere Mechanismen schützen das Pankreas vor einer Selbstverdauung (): Zum einem wird Trypsin durch Bindung an SPINK1 gehemmt (,), zum anderen können Trypsin und weitere Proteasen durch Trypsin und trypsinähnliche Enzyme wie Mesotrypsin degradiert werden () (Abbildung 3). Die Identifizierung genetischer Defekte im PRSS1- und SPINK1-Gen führte zur Hypothese, daß die Pankreatitis das Ergebnis eines Ungleichgewichtes von Proteasen und ihren Inhibitoren innerhalb des Pankreas ist (Abbildung 3).

Abbildung 3: Modell der erblichen Pankreatitis

Whitcomb und Mitarbeiter zeigten als erste, daß die Mutation einer Pankreasprotease mit chronischer Pankreatitis assoziiert ist (). Eine vermehrte Trypsinogenaktivierung mag dabei der entscheidende gemeinsame Initialprozeß sein (,). Die Identifizierung von SPINK1-Mutationen durch unsere Arbeitsgruppe unterstreicht die Bedeutung des Proteaseinhibitorsystems in der Pathogenese der chronischen Pankreatitis (). Sowohl Mutationen im kationischen Trypsinogen, die durch eine vermehrte Autoaktivierung eine Funktionsvermehrung („gain of function“) bedingen wie auch Mutationen im SPINK1, die infolge einer verminderten Inhibitorkapazität zu einem Funktionsverlust („loss of function“) führen, können in gleicher Weise das empfindliche intrapankreatische Gleichgewicht der Proteasen und ihrer Inhibitoren stören.

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Die Penetranz der einzelnen Mutation mag dabei abhängig von subtilen Unterschieden im Grad der Funktionsbeeinträchtigung sein. In Analogie zu CFTR-Mutationen (,) ließen sich PRSS1- und SPINK1-Mutationen in harte und weiche Mutationen einteilen (). Nach dieser Klassifikation wären PRSS1-Mutationen, die zu einer stark vermehrten Autoaktivierung führen oder zusätzliche Effekte zeigen wie eine Resistenz gegen Degradierung (R122H), harte Mutationen mit daraus bedingter hoher Penetranz. Andere PRSS1-Mutationen wie A16V würden weiche Mutationen darstellen, die erst in Kombination mit anderen genetischen oder Umweltfaktoren einen krankheitsauslösenden Effekt zeitigen. Auch bei SPINK1-Mutationen mag der Effekt abhängig von dem Ausmaß der Erniedrigung der Inhibitorkapazität sein. Mutationen mit hoher Penetranz wie 2T>C wären harte Mutationen, die zu einer stärkeren SPINK1-Reduktion führen als die N34S-Mutation. Ungefähr 1% der Normalbevölkerung sind heterozygot für N34S (), von denen die Mehrheit nie eine Pankreatitis entwickelt. Zum anderen ist sowohl die Heterozygoten- wie auch die Homozygotenfrequenz für N34S bei chronischer idiopathischer Pankreatitis signifikant erhöht. N34S führt als milde Mutation nur zu einer unterschwelligen Erniedrigung der Inhibitorkapazität, verursacht aber in Kombination mit einer anderen unterschwelligen SPINK1-Erniedrigung (wie z.B. bei Homozygotie für N34S) oder in Kombination mit anderen Faktoren, die das Protease-Proteaseninhibitor-Gleichgewicht stören, eine Pankreatitis. Wahrscheinlich stellt CFTR einen dieser zusätzlichen Störenfriede dar.

Es wird vermutet, daß die pankreatische Dysfunktion bei zystischer Fibrose das Ergebnis einer pH-Erniedrigung im duktulären und azinären System ist (). Folge dieser pH-Erniedrigung könnte eine verminderte Solubilisierung von Proteinen, ein defektes Ausschleusen von Zymogengranula oder eine vermehrte Autoaktivierung des Trypsinogens sein. Sowohl die Autoaktivierung als auch die Degradierung des Trypsinogens ist in hohem Maße pH-abhängig (). Unter alkalischen Bedingungen läßt sich nur eine geringe Autoaktivierung beobachten, während die Hydrolyse ein Maximum besitzt. Mit sinkendem pH sinkt die Proteolyse kontinuierlich, während die Neigung zur Autoaktivierung steigt und zwischen pH 5 und pH 6 ein Maximum aufweist. Es wäre vorstellbar, daß die Disposition zur Pankreatitis bei heterozygoten CFTR-Trägern Folge einer unterschwellig reduzierten CFTR-Funktion ist, die in eine erleichterte Trypsinogenaktivierung resultiert.

Die erbliche Pankreatitis ist durch rekurrierende Entzündungschübe gekennzeichnet. Dieser Verlauf wirft die Frage auf, warum diese Erkrankung durch eine wiederkehrende und nicht durch eine kontinuierliche Entzündung gekennzeichnet ist, da der zugrundeliegende genetische Defekt von Geburt an vorhanden ist. Wir postulieren, daß endogene wie auch exogene Faktoren den jeweiligen Entzündungsschub provozieren können. Patienten mit erblicher Pankreatitis berichten gelegentlich, daß eine virale Infektion der akuten Attacke vorausging. Dies legt nahe, daß Viren oder Medikamente wie Salizylate, die in diesem Zusammenhang eingenommen werden, das akute Ereignis initiieren. Von anderen Patienten wird häufig auch Streß (Klassenarbeit, Prüfung) als auslösender Faktor angegeben.

Alkoholinduzierte chronische Pankreatitis

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Die Assoziation zwischen Alkoholabusus und chronischer Pankreatitis ist seit langem bekannt. Die Anfälligkeit für eine Pankreatitis weist eine hohe interindividuelle Variabilität auf. Nur 5-10% der Alkoholiker entwickeln eine chronische Pankreatitis (,). Die Rolle prädisponierender genetischer Faktoren ist wenig verstanden. Studien zu HLA-Antigenen, Blutgruppen und a1-Antitrypsin ergaben negative oder widersprüchliche Ergebnisse ().

Die Assoziation von Mutationen im CFTR-, PRSS1- und SPINK1-Gen mit idiopathischer und hereditärer Pankreatitis warf die Frage auf, ob diese Gene ebenfalls eine Relevanz bei der Pathogenese der alkoholischen chronischen Pankreatitis besitzen. Sharer et al. untersuchten 134 Patienten mit chronischer Pankreatitis auf CFTR-Mutationen und detektierten bei 20% der Patienten mit idiopathischer aber nur bei 8,5% der Patienten mit alkoholinduzierter Erkrankung eine heterozygote Mutation (). Auch Norton et al. fanden keine Assoziation zwischen CFTR und alkoholischer Pankreatitis (). Teich et al. untersuchten 23 Patienten mit alkoholinduzierter chronischer Pankreatitis auf zwei häufige PRSS1-Mutationen (N29I und R122H) und wiesen bei keinem der Patienten eine der beiden Mutationen nach ().

In einer internationalen Multicenter-Studie untersuchten wir 274 Patienten mit alkoholischer chronischer Pankreatitis und 638 Kontrollen (98 Alkoholiker ohne Pankreatitis und 540 Gesunde) auf die N34S-Mutation im SPINK1-Gen () und fanden eine signifikante Assoziation: 16 der 274 Patienten (5,8%), aber 5 der 638 Kontrollen (0,8%) (alkoholische Kontrollen: 1/98 [1,0%]; nicht alkoholischen Kontrollen: 4/540 [0,7%]) waren heterozygot für N34S. Zwei folgende Studien beobachteten ebenfalls eine N34S-Frequenz bei alkoholischer Pankreatitis von 6,0% und 5,6% (,).

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Diese Ergebnisse lassen vermuten, daß das pankreatische Proteaseinhibitorsystem bei alkoholischer Pankreatitis pathogenetisch bedeutsam ist. In diesem Zusammenhang ist erwähnenswert, daß Rinderknecht et al. im Pankreassekret von Alkoholikern im Vergleich zu nicht alkoholischen Kontrollen einen signifikanten Anstieg des Trypsinogen-SPINK1-Quotienten nachwiesen ().

Indikationen für eine genetische Analytik

Nach derzeitigen Erkenntnissen findet sind nicht nur bei Patienten mit positiver Familienanamnese (hereditäre Form) sondern auch bei Patienten ohne Familienanamnese (idiopathische Form) eine genetische Ursache für die Erkrankung. Aus diesem Grunde sollte nach Ausschluß sekundärer Ursachen eine Genanalyse auf Mutationen im kationischen Trypsinogen-Gen (PRSS1) und im Serinprotease-Inhibitor, Kazal-Typ 1-Gen (SPINK1) veranlaßt werden. Auf PRSS1- und SPINK1-Mutationen sollten alle Patienten mit einer akuten oder chronischen Pankreatitis und einer Familienanamnese für eine Pankreatitis bzw. ein Pankreaskarzinom sowie Patienten mit chronischer Pankreatitis ohne Familienanamnese nach Ausschluß anderer Ursachen (zystische Fibrose, chronisch-entzündliche Darmerkrankungen, Hyperlipidämie etc.) untersucht werden. Bei mehr als 50% der Patienten mit idiopathischer bzw. hereditärer Pankreatitis läßt sich jedoch keine Mutation in einem der beiden Gene nachweisen. Da genetische Untersuchungen kostenintensiv und zeitaufwendig sind, sollte bei Patienten mit einer akuten Pankreatitis und negativer Familienanamnese keine genetische Analytik erfolgen. Die genetische Untersuchung nicht symptomatischer Familienangehöriger sollte aufgrund der fehlenden therapeutischen Konsequenzen nur nach ausführlicher Aufklärung erfolgen. Insbesondere die Untersuchung nicht betroffener Kinder ist ethisch problematisch.

Da auch eine zystische Fibrose klinisch als chronische Pankreatitis imponieren kann ohne daß das Vollbild einer Mukoviszidose vorliegt, sollten alle Patienten - auch bei unauffälligem Schweißtest - auf CFTR-Mutationen getestet werden.

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Von einigen Zentren wird auch eine Pränataldiagnostik angeboten. Nach persönlicher Auffassung des Verfassers ist die chronische Pankreatitis keine Indikation für eine pränatale Diagnostik.

Chronische Pankreatitis - Probleme der Definition und Klassifikation

Die genetischen Studien der letzten Jahre haben das Verständnis der erblichen Pankreatitis entscheidend verändert. Lange Zeit galt die erbliche Pankreatitis als seltene Erkrankung. Der Nachweis von PRRS1-, SPINK1- und CFTR-Mutationen bei Patienten mit sog. idiopathischer Pankreatitis zeigt jedoch, daß erbliche Fälle der chronischen Pankreatitis weitaus häufiger sind als bislang vermutet. Diese Befunde stellen zugleich die Unterscheidung zwischen "erblicher" und "idiopathischer" Pankreatitis in Frage. Verschiedene Mutationen in unterschiedlichen Genen können zu einem unterschiedlichen Phänotyp und Vererbungsmuster führen und selbst dieselbe Mutation in einem Gen kann in Abhängigkeit des individuellen genetischen Hintergrundes und Umweltfaktoren verschiedene Konsequenzen haben. Die Assoziation von SPINK1-Mutationen mit tropischer kalzifizierender Pankreatitis und alkoholischer Pankreatitis verwischt weiter die Grenzen zwischen den einzelnen Pankreatitis-Unterformen. In den nächsten Jahren wird sich wahrscheinlich zeigen, daß sehr komplexe Interaktionen zwischen Umwelteinflüssen und zahlreichen genetischen Faktoren bestehen mit fließenden Übergängen zwischen den einzelnen Subtypen (Abbildung 4). Diese Hypothese wird durch die Beobachtung von SPINK1-Mutationen bei Patienten mit metabolischen Erkrankungen oder anatomischen Anomalien untermauert ().

Abbildung 4: Schematische Darstellung des Einflusses verschiedener genetischer und Umweltfaktoren auf die Pathogenese der Pankreatitis.

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In mehreren Symposia, die in Marseille, Cambridge und Rom gehalten wurden, wurde versucht, eine Definition und Klassifikation der Pankreatitis zu etablieren. Nach der Marseille-Rom-Klassifikation ist die chronische Pankreatitis gegenwärtig definiert als kontinuierliche entzündliche Erkrankung, die durch eine Zerstörung des Pankreasparenchyms charakterisiert ist und zu einer fortschreitenden oder permanenten exokrinen und/oder endokrinen Funktionseinschränkung führt (,,). Ätiologische Faktoren wurden bei dieser Klassifikationen nicht berücksichtigt. In der Marseille-Rom-Klassifikation wurde die akute Pankreatitis definiert "not as disease but as spectrum of inflammatory lesions" (). Auch stimmten die meisten Teilnehmer dieser Konferenz darin überein, daß die chronische Pankreatitis eine Ursache der akuten Pankreatitis, aber nicht deren Folge ist und daß die akute Pankreatitis nur selten in eine chronische Entzündung mündet (,). Nach diesem Konzept stellen akute und chronische Pankreatitis zwei separate Krankheitsentitäten dar, die nur selten zusammenfließen.

Die derzeitige Definition der chronischen Pankreatitis ist jedoch mit der klinischen Präsentation der erblichen Pankreatitis unvereinbar. Die hereditäre Pankreatitis ist durch in der Kindheit beginnende, wiederkehrende Pankreatitisschübe gekennzeichnet. Zeichen einer funktionellen oder morphologischen Pankreasschädigung sind initial nicht vorhanden. Mit den Jahren entwickeln jedoch viele Patienten mit akuter rekurrierender Pankreatitis eine exokrine oder endokrine Funktionseinschränkung sowie Gangveränderungen und Kalzifizierungen. Demzufolge sind akute und chronische Pankreatitis als unterschiedliche Stadien eines dynamischen Krankheitsprozesses zu begreifen. Die verschiedenen Konzepte der chronischen Pankreatitis in der pädiatrischen und internistischen Literatur spiegeln die Tatsache wieder, daß der Pädiater mit dem frühen Erkrankungsstadium und der internistische Gastroenterolgie häufig mit dem Endstadium konfrontiert wird.

Die Existenz der gleichen genetischen Defekte bei verschiedenen Formen der akuten und chronischen Pankreatitis unterstützt jedoch das alte Konzept, daß alle Zwischenstadien zwischen akuter und chronisch-kalzifizierender Pankreatitis bestehen, wie es ursprünglich von Comfort und Mitarbeitern postuliert wurde ().


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20.05.2005