intestinal immune response

GesamthabilitationsschriftChronisch entzündliche Darmerkrankungen stellen multifaktorielle Krankheitsbilder dar. Im Mittelpunkt der Erkrankungen steht die Dysregulation des mukosalen Immunsystems ausgelöst durch bestimmte Umweltfaktoren bei vorliegender genetischer Prädisposition. Bei dieser Entzündungsreaktion wirkt ein komplexes Mediatornetzwerk auf so genannte Effektorzellpopulationen, deren Stimulation wesentlich für die beobachteten Veränderungen verantwortlich ist. Für das Verständnis der Krankheitsbilder ist es essentiell sowohl den Syntheseort als auch die Effektorzellen der einzelnen Mediatoren zu identifizieren. Somit können zum einen die Interaktionen der einzelnen Zellpopulationen besser verstanden werden, zum anderen werden mögliche Kandidaten für therapeutische Interventionen identifiziert. Mit der vorliegenden Habilitationsschrift sind zwei dieser Mediatoren in vivo mit Hinblick auf die oben genannten Punkte charakterisiert und ihre Relevanz in dem Mediatornetzwerk identifiziert worden: Zum einen der Interferon-?-induzierende Faktor IL-18, ein Zytokin der IL-1-Superfamilie, zum anderen Leptin, ein Hormon, welches aber aufgrund struktureller und funktioneller Eigenschaften als Zytokin eingeordnet werden kann. Bei beiden Mediatoren existierten Daten in der Literatur, die auf eine mögliche Rolle in der intestinalen Entzündung hingewiesen haben. Für IL-18 war sowohl in vivo als auch in vitro ein Synergismus mit IL-12 vorbeschrieben, einem Zytokin dessen Blockade sowohl im Tiermodell der experimentellen Kolitis als auch bei Morbus Crohn effektiv ist. Weiter waren erhöhte Konzentrationen für IL-18 in entzündlichen Läsionen bei Patienten mit Morbus Crohn gezeigt. Von Leptin war vorbeschrieben, dass es in vitro pro-inflammatorische Zytokine induzieren kann, aber auch, dass Leptin-defiziente Tiere in anderen Entzündungsmodellen, wie der Kollagen-induzierten Arthritis und der Autoimmunenzephalomyelitis geschützt sind. Um die funktionelle Relevanz in vivo charakterisieren zu können, wurden entweder Neutralisationsversuche durchgeführt oder aber knockout-Tiere untersucht. Für IL-18 konnte zunächst analog zu der Situation bei Patienten mit Morbus Crohn eine vermehrte Expression von IL-18 in Abhängigkeit vom Schweregrad der intestinalen Entzündung beobachtet werden. Als Hauptsyntheseorte wurden das Kolonepithel sowie die Gewebemakrophagen identifiziert. Die Neutralisation mittels eines polyklonalen Antikörpers führte makroskopisch und histologisch zu einer Suppression der Entzündung. Dies war assoziiert mit einer verminderten Produktion pro-inflammatorischer Zytokine, einer verminderten T-Zellaktivierung sowie eine Induktion von Apoptose in den Lymphozyten der Lamina propria. IL-18 wird also in der Entzündungsreaktion von lokalen Zellen, dem Kolonepithel und den Gewebemakrophagen freigesetzt und übt dann einen synergistischen pro- inflammatorischen Effekt insbesondere auf T-Zellen aus, assoziiert mit einer Sekretion pro-inflammatorischer Mediatoren sowie einer anti-apoptotischen Wirkung. Vergleichbare Effekte konnten für Leptin nachgewiesen werden, auch wenn einige entscheidende Unterschiede zwischen den beiden Mediatoren bestehen. So sind Leptin-defiziente Tiere in den Modellen der DSS- und der TNBS-induzierten Kolitis geschützt. Aufgrund des adipösen Phänotyps wurde zunächst ausgeschlossen, dass der Phänotyp selber für die beobachtete Protektion verantwortlich ist. So konnte in der DSS-induzierten Kolitis die Protektion durch adäquate Leptin-Substitution in den Leptin-defizienten Tieren aufgehoben werden. Leptin-defiziente Mäuse wiesen eine verminderte T-Zellaktivierung in der Lamina propria, eine Suppression der pro- inflammatorischen Zytokine sowie eine verminderte Infiltration neutrophiler Granulozyten auf. Grundsätzlich scheint also Leptin eine ähnliche Position in der intestinalen Entzündungskaskade einzunehmen wie IL-18, doch war zunächst unklar, ob der Effekt von Leptin wirklich direkt T-Zell-vermittelt ist, oder ob es sich hierbei um einen sekundären Effekt handelt. Unter Einsatz des Transfermodells der Kolitis konnte diese Frage beantwortet werden. Bei dem Transfer von krankheitsinduzierenden T-Zellen aus Leptin-Rezeptor-defizienten Tieren, war nach vier Wochen keine Kolitis zu erkennen, diese entwickelte sich nur sehr verzögert. Das bedeutet, Leptin stellt einen wesentlichen kostimulatorischen Faktor für die T-Zellaktivierung in der intestinalen Entzündung dar. Erstmals konnte in den Arealen der Entzündung auch im Gewebe eine lokale Leptin-Synthese durch Lymphozyten nachgewiesen werden. Transferiert man jedoch krankheitsinduzierende T-Zellen aus Leptin-defizienten Tieren, so kann bewiesen werden, dass dieses T-Zell-produzierte Leptin für den Entzündungsprozess nicht von Bedeutung ist. Welche Konsequenzen können aus der Einordnung der Mediatoren in das Netzwerk gezogen werden? Hier unterscheiden sich die beiden Mediatoren. Bei IL-18 wurde, wie bereits in den Daten dieser Arbeit vorgelegt, durch den Einsatz spezifischer ICE-Inhibitoren, die die Aktivierung des inaktiven IL-18-Vorläuferproteins verhindern, ein möglicher therapeutischer Ansatzpunkt untersucht. Diese Inhibitoren befinden sich bereits in klinischen Studien für rheumatoide Arthritis und stellen somit eine nahe liegende Interventionsstrategie bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen dar. Für Leptin konnten Adipozyten als Hauptproduzenten identifiziert werden und T-Zellen der Lamina propria als Effektorpopulation. Aufgrund der vielseitigen Wirkungen von Leptin erscheint eine systemische Neutralisation als therapeutische Interventionsmöglichkeit nicht geeignet. Interessanterweise konnte jedoch bei Patienten mit Morbus Crohn eine Vermehrung des mesenterialen Fetts mit Hochregulation der entzündlichen Mediatoren gezeigt werden. D. h. die Ergebnisse der vorgelegten Arbeit deuten auf eine kritische Interaktion zwischen Fettgewebe und Immunsystem hin. Weitere Arbeiten werden diese Verknüpfungen und ihre Relevanz im Entzündungsprozess näher beleuchten.Chronic inflammatory bowel disease represents a group of multifactorial diseases. The intestinal inflammation is characterized by a dysreglation of the mucosal immune system which is induced by specific environmental as well as genetic factors. As a consequence a variety of mediators modulate the effector T cell population which plays a central role within the inflammatory process. For the understanding of the disease as well as for the identification of novel therapeutic target molecules it is crucial to identify the source as well as the effector cell population for the mediators involved. With the present work two mediators were characterized in vivo with regard to the points described above: First the interferon-g-inducing factor IL 18, a cytokine belonging to the IL 1 superfamiliy, and second, leptin, a hormone which can due to functional and structural properties be classified as a cytokine. For both mediators previous data suggested a role in intestinal inflammation. For instance, IL 18 exerts in vivo as well as in vitro a synergism with IL 12. It is well described that neutralization of IL 12 results in an amelioration of colitis in mice as well as in Crohn s disease in humans. In addition, patients with Crohn s disease are characterized by an increased expression of IL 18 at the site of inflammation. Leptin has been described to induce pro-inflammatory cytokines in vitro. In addition leptin- deficient mice were protected in other inflammation models such as collagen- induced arthritis as well as autoimmune encephalomyelitis. To characterize the functional role of both mediators in vivo either knockout animals or neutralizing antibodies were applied. IL 18 expression at the site of inflammation directly correlated with the severity of disease. IL-18 was mainly produced by tissue macrophages as well as colonic epithelial cells. Neutralisation of IL 18 resulted in macroscopic and histologic suppression of the inflammatory process. This was associated with an inhibition of pro- inflammatory cytokines, a reduced T cell activation in the lamina propria and a parallel increase in apoptosis of these cells. Similar effects were observed for leptin. Leptin-deficient mice were protected from DSS- as well as TNBS- induced colitis. Leptin substitution completely reversed disease protection to a susceptibility comparably to wild type mice. The protection in leptin- deficient mice was associated with a decrease in pro-inflammatory cytokines. The subsequent question was to identify the target cells within the mucosal immune system for leptin. To answer this question the transfer model of colitis was applied. When the disease-inducing cell population was purified from leptin receptor-deficient mice, colitis development was significantly delayed. Thus, leptin plays a crucial co-stimulatory factor for the T cell stimulation triggering intestinal inflammation. Furthermore, locally infiltrating T cells were identified to be able to produce leptin. However, transfer of leptin-deficient disease-inducing T cells did not change the development of colitis, allowing for the conclusion that adipocyte-derived leptin and not T cell-derived leptin represents the key player for the differences observed. Which consequences can be drawn from these findings? Here is a significant difference for the two mediators studied. For IL 18 a possible therapeutic target was characterized and by studying the ICE inhibitor which suppresses IL 18 activation even a pharmacological class, which is already in clinical studies for rheumatoide arthritis could be identified. Thus the next step would be a clinical trial in Crohn s disease. Adipocytes represent the critical source of leptin and T cells the main effector cell population. Due to the pleiotropic effects of leptin within the endocrine system neutralization as therapeutic intervention does not seem to be feasible. Interestingly, patients with Crohn s disease are characterized by a hypertrophy of the mesenteric fat. The data discussed now indicate in addition a critical interaction between the mesenteric fat tissue and the immune system. Further studies will have to shed more light on these processes