Influence of epithelial apoptosis on barrier function in physiologocially normal and inflamed intestinal epithelium

Die Mukosa des Gastrointestinaltraktes spielt als Barriere zwischen dem mukosalen und serosalen Kompartiment eine zentrale Rolle für die Koordination von Transportprozessen und sichert eine ausreichende Abwehr von schädlichen Substanzen und Mikroorganismen. Von besonderer Bedeutung ist diese Barriere – neben der Erhaltung einer Homöostase beim gesunden Menschen – vor allem bei Auftreten einer Barrierestörung, beispielsweise bei Infektionen oder chronischen Entzündungen des oberen oder unteren Gastrointestinaltraktes. Darüber hinaus gehört das Mukosa-assoziierte Immunsystem des Gastrointestinaltraktes zu einem komplexen Netzwerk interagierender Immunzellen und bildet mit diesen das größte immunologische Organ innerhalb des menschlichen Organismus aus. Proteine der Tight Junctions gehören zu den am dichtesten unterhalb der Oberfläche der Mukosa gelegenen Zell-Zell- Kontaktstrukturen. Eine Fehlregulation dieses aus einer Vielzahl von Proteinen bestehenden Komplexes hat dramatische Konsequenzen für den gerichteten Transport von Wasser und anderen Soluten in das Körperinnere oder von dort in das Darmlumen. Apoptose ist ein physiologischer Vorgang, der insbesondere in dem sich rasch teilenden Darmepithel notwendig ist, um die Homöostase aufrecht zu erhalten. Eine Fehlregulation der physiologischen Apoptose führt ebenfalls zu dramatischen Veränderungen der Integrität des mukosalen Zellverbandes. Im Rahmen der in dieser Habilitationsschrift vorgestellten Untersuchungen wurde ein Beitrag zum besseren Verständnis der Funktion der Tight Junction-Proteine bei der epithelialen Apoptose geleistet. Erstmals wurde gezeigt, welchen Einfluss Apoptose auf die Leitfähigkeitsveränderungen im Darm hat und wieviel Apoptose ein epithelialer Zellverband toleriert, um seine zentrale Eigenschaften eines mitteldichten Epithels noch zu behalten oder bereits Eigenschaften von durchlässigen („lecken“) Epithelien anzunehmen. Erstmals wurden Zielproteine der epithelialen Apoptose unter den Tight Junction- Proteinen identifziert, die spezifisch von Caspasen und Metalloproteinasen gespalten werden. Im Gegensatz zur weitläufigen Meinung, dass während der Apoptose grundsätzlich alle Proteine proteolytisch fragmentiert werden, fand sich mit Claudin-1 ein Protein des Tight Junction-Komplexes, das äußerst widerstandsfähig gegenüber Apoptosesignalen ist. In den letzten Jahren haben andere Arbeitsgruppen zeigen können, dass die Dysregulation der Tight Junctions und die erhöhte epitheliale Apoptose nicht die einzigen Faktoren der Leitfähigkeits-änderungen sind, sondern weitere Enzyme wie MLCK II oder Mechanismen wie Endozytose von Proteinen der Tight Junctions zur Entstehung einer Barrierefunktionsstörung beitragen. Die in der Zellkultur gewonnenen Erkenntnisse konnten im Weiteren auch für die Untersuchung an humanen Gewebeproben von Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen sowie bei kollagener Kolitis genutzt werden. Bei der kollagenen Kolitis fanden sich mehrere Diarrhö-mechanismen sowie eine Herabregulation von Proteinen der Tight Junctions, jedoch keine erhöhte Apoptoserate. Bei akutem Morbus Crohn spielt eine hochregulierte epitheliale Apoptoserate in der Mukosa eine bedeutende Rolle und führt zu einer Störung der intestinalen Barriere. Diese Barrierestörung bildet sich innerhalb von 2 Wochen nach Therapie mit TNF-alpha Blockern zurück und geht einher mit einem deutlichen Rückgang der Apoptoserate. Im Gegensatz zum Morbus Crohn spielt bei der Th2-vermittelten Immunantwort der Colitis ulcerosa das Interleukin-13 als Schlüsselzytokin eine entscheidende Rolle. Auch IL-13 induziert im Zellkulturmodell epitheliale Apoptosen und erklärt zusammen mit der Hochregulation von Claudin-2 als Porenbilder sowie einer verzögerten epithelialen Restitution die typischen epithelphysiologischen Veränderungen bei akuter Colitis. Medikamentöse anti- TNF-alpha Strategien werden bereits seit mehreren Jahren zur Therapie von refraktären Verläufen bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen verfolgt. Die Ergebnisse kommender Studien müssen nun zeigen, ob auch eine anti- IL-13-Therapie, wie sie kürzlich bei Patienten mit Asthma bronchiale und chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung in klinischen Studien vorgestellt wurde, eine weitere Therapieoption bei Patienten mit refraktären Verläufen bei Colitis ulcerosa darstellt.Proteins of the Tight Junctions are part of the cell-cell contact structures below the surface of the mucosa. Imbalance of this complex has a dramatic effect on several physiological processes. A dysregulation of apoptosis has similar effects. We showed for the first time the effects of apoptosis on changes of permeability and defined targed structures and proteins during apoptotic signalling in different cell culture systems. Furthermore we investigated in human tissue samples from patients with inflammatory bowel disease and collagenous colitis the role and function of apoptosis. With the results we contribute to a better understanding of potential pathomechanisms in normal mucosa and inflamed gastrointestinal tissue