Die Aktivität der antimikrobiellen Peptide wird durch die Interaktion mit Mukus der Atemwege moduliert

Der Respirationstrakt steht in engem Kontakt mit seiner Umwelt und potentiellen Pathogenen. Der für die mechanische Reinigung bedeutende mukoziliäre Apparat besteht aus dem Flimmerepithel und viskösen Sekreten, in denen Fremdkörper gebunden und durch Schlag der Zilien in Richtung Oropharynx transportiert werden. Der makromolekulare Hauptbestandteil des Mukus der Atemwege sind Muzine, hochmolekulare, anionische Proteine mit stark glykosylierten Seitenketten, die aufgrund ihrer Ladung und komplexen Struktur leicht verschiedene Substanzen binden können. Bei der lokalen Immunabwehr des Respirationstrakts spielen antimikrobielle Peptide (AMPs) eine wichtige Rolle. AMPs sind niedermolekulare, kationische Oligo- bis Polypeptide, die über ihre Interaktion mit Biomembranen die Lyse eines breiten Spektrums mikrobieller Zellen herbeiführen. Darüber hinaus fungieren sie als Entzündungsmediatoren, Induktoren von Angiogenese und Wundheilung und chemotaktische Faktoren. In den Atemwegen werden zwei Familien von antmikrobiellen Peptiden exprimiert: Die Defensine und die Cathelizidine. Das humane Cathelizidin LL-37/hCAP-18 liegt in seiner biologisch aktiven Form in einer alpha-helikalen Konformation vor, abhängig von seiner Konzentration sowie pH und Salzgehalt des Puffers. Bei neutralem pH ist es stark positiv geladen. Das Ziel dieser Arbeit war, die Interaktion des kationischen Cathelizidins LL-37 mit hochmolekularem anionischen Muzin sowie deren Auswirkungen auf die Sekundärstruktur und die antimikrobielle Funktion des Peptids zu untersuchen. Da beide Proteine in den die Bronchialschleimhaut bedeckenden Flüssigkeiten vorkommen und gegensätzlich geladen sind, ist eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen ihnen anzunehmen. Mit einem Enzym-linked Lektinsorbent Assay (ELLA) und nativer Polyacrylamidgelelektrophorese (PAGE) konnte die elektrostatische Bindung von LL-37 an Muzin nachgewiesen werden. Der Einfluss von Muzin auf die Sekundärstruktur von LL-37 wurde mittels Zirkulardichroismus-Messungen analysiert. Hier zeigte sich, dass die Anwesenheit von Muzin eine alpha-helikale Konformation des Peptids induziert. Anschließend wurden antimikrobielle Assays gegen Pseudomonas aeruginosa und Streptococcus pneumoniae durchgeführt, um die antimikrobielle Aktivität des Peptids in Gegenwart von Muzin zu untersuchen. Hierbei zeigte sich eine signifikante Inhibition der antimikrobiellen Aktivität von LL-37 in Abhängigkeit der Konzentrationen des Glykoproteins. In Sputumproben von Patienten mit Zystischer Fibrose lagen stark erhöhte Konzentrationen sowohl von LL-37 als auch von Muzinen vor, was darauf hindeuted, dass LL-37 auch in vivo an muzinhaltige Atemwegsflüssigkeiten gebunden vorliegt. Bei der Abwehr der Atemwege handelt es sich um ein komplexes, feinreguliertes System, zu dessen Funktionsfähigkeit das Verhältnis der einzelnen Komponenten zueinander von entscheidender Bedeutung ist. So wirkt sich ein Ungleichgewicht von antimikrobiellen Peptiden und Muzinen in den Atemwegssekreten mit Überwiegen der Muzine nachteilig auf die antimikrobielle Aktivität der AMPs aus. Vermutlich werden durch elektrostatische Kräfte die relevanten kationischen Gruppen des AMPs an das Muzin gebunden und stehen damit nicht mehr für die Interaktion mit Mikroorganismen zur Verfügung. Klinische Relevanz hat die Interaktion von LL-37 und Muzinen dann, wenn das Gleichgewicht dieser beiden Proteine in den Atemwegsflüssgkeiten - z.B. zu Gunsten der Muzine - verschoben ist. Dies ist der Fall bei entzündlichen und chronischen Erkrankungen der Atemwege, die mit einer gestörten mukoziliäre Clearance einhergehen, wie die COPD oder die Zystischen Fibrose. Gleichzeitig liegt bei diesen Erkrankungen eine erhöhte Anfälligkeit gegenüber respiratorischen Infekten vor. Das gestörte Verhältnis von AMPs und Muzinen könnte die Prädisposition gegenüber Infektionen der Atemwege begünstigen