Die Bedeutung der Histopathologie in translationalen Studien zu chronisch- entzündlichen Darmerkrankungen

Abstract

In den letzten sechs Jahrzehnten verbesserten experimentelle Tiermodelle intestinaler Entzündung maßgeblich unser Verständnis der Pathogenese chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen (CED) und unterstützen in vorklinischen Studien die Entwicklung neuer Therapieansätze. Allein in der Maus wurden bisher über 90 Modelle entwickelt, wobei keines dieser Modelle die multifaktorielle Erkrankung CED vollständig widerspiegelt. In translationalen Studien zu CED nimmt die Histopathologie einen hohen Stellenwert ein. So bietet sie unter Berücksichtigung histomorphologischer Gemeinsamkeiten und Besonderheiten der intestinalen Entzündung einen belastbaren Ansatz für die Einteilung und Bewertung der Tiermodelle intestinaler Entzündung. Nach dem Prinzip der initialen Schädigung, die zur Störung der intestinalen Homöostase und damit zur Ausbildung der intestinalen Entzündung führt, werden die Mausmodelle in verschiedene Kategorien eingeteilt. Modelle einer Kategorie weisen hierbei typische histomorphologische Merkmale auf, die sich über ein Bewertungsschema (score) in ihrem Schweregrad beurteilen lassen. Diese scores erlauben erstmals die einheitliche und standardisierte Bewertung dieser Modelle und damit die Vergleichbarkeit der Ergebnisse unter verschiedenen Anwendern. Zusätzlich unterstützt die Berücksichtigung histopathologischer Merkmale die Wahl geeigneter Mausmodelle für CED-spezifische Fragestellungen. Denn obwohl sich Maus und Mensch in vielen immunologischen und anatomischen Merkmalen unterscheiden, zeigen Mausmodelle intestinaler Entzündung histomorphologische Gemeinsamkeiten mit der menschlichen Erkrankung. Der Grad der Übereinstimmung ist sehr variabel; einige Modelle zeigen ein hohes Maß an Übereinstimmungen wie die SAMP/YitFc-Maus, andere weisen nur vereinzelte CED- typische Merkmale auf wie die cbl-b-defiziente Maus. Neben der Lokalisation der Entzündung und dem mukosalen Zytokinmilieu bietet hier die Histopathologie ein weiteres Kriterium für die Wahl geeigneter Mausmodelle. Eine (immun)histochemische Darstellung der Zellpopulationen direkt am Ort des Entzündungsgeschehens ohne deren vorherige Manipulation erlaubt die räumliche Zuordnung definierter Zellpopulationen in Geweben aus Modellen intestinaler Entzündung. Während andere Verfahren die Isolation, Kultivierung und Stimulation der Zellen erfordern, werden in der (Immun)histochemie zelluläre Phänotypen und Effektormoleküle im Gewebeschnitt räumlich zugeordnet. Infolgedessen werden Interaktionen der Immunzellen untereinander sowie mit Gewebestrukturen erfasst. Auf diese Weise zeigte die Histopathologie in der experimentellen Tuberkulose die räumliche Nähe der T-Zellproliferation zu der Arginase I-Produktion durch Makrophagen im Bereich um das verkäsende Zentrum in pulmonalen Granulomen, das vermehrte Vorkommen von M2-Makrophagen, T-Zellen und IL-10 im creeping fat von Patienten mit Morbus Crohn, und die verminderte IL-18-Produktion in Epithelzellen im Mausmodell der Toxoplasmose. Die Darstellung subzellulärer Strukturen erfolgte mittels Immunfluoreszenz, da bei dieser Methode Fluorochrom-markierte Antikörper eingesetzt werden, wodurch ein lineares und additives Signal erzeugt wird. Während in der Immunhistochemie die Detektion nukleärer, zytoplasmatischer und membranständiger Antigene über einen Farbniederschlag auf dem Gewebeschnitt erfolgt, wird das Fluorochrom in der Immunfluoreszenz direkt am Bindungsort des Antikörpers detektiert. Auf diese Weise wurde in der konfokalen Laserrastermikroskopie basolateral präsentierter Chemokine in Lebersinusoidendothelzellen nachgewiesen sowie deren clathrinabhängige Endozytose und deren Transport über frühe Endosomen. Um reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten, muss die Histopathologie auch in experimentellen Modellen in allen methodischen und inhaltlichen Aspekten standardisiert erfolgen. Die Histopathologie ist als Teilgebiet der Pathologie in experimentellen Modellen entzündlicher Prozesse für das Verständnis menschlicher Erkrankungen von maßgebender Bedeutung. Zum einen unterstützt sie Untersuchungsbefunde aus immun- und molekularbiologischen Methoden, zum anderen stellt sie histomorphologische Veränderungen sowie die Zusammensetzung und Lokalisation des Immunzellkompartiments einschließlich subzellulärer Strukturen direkt am Ort des Entzündungsgeschehens dar.

Thanks to animal models has our understanding of the pathogenesis of Inflammatory Bowel Diseases (IBD) improved over the last six decades. Additionally, in preclinical studies experimental models assist the development of new therapeutical approaches. Over 90 models were developed so far in mice alone. On the other hand, no model by itself entirely reflects the multifactorial disease IBD. The histopathology is also important in translational studies as it takes histomorphological similarities and pecularities of intestinal inflammation into account. Here, the histopathology provides a reliable approach for categorization and evaluation of animal models of intestinal inflammation. Following the principle of the first hit that disturbs the intestinal homeostasis finally leading to intestinal inflammation, mouse models can be assigned into different categories. Models of the same category thereby displaying similar histomorphological characteristics. For evaluation of severity of inflammatory changes, scoring schemes can be used. These schemes help to improve a consistent and standardized evaluation and thereby enhance the comparability of results. Furthermore, by considering the histopathologcal characteristics, the researcher gets some assistance in choosing the most appropriate model for questions relevant to IBD. Although men and mice differ in many immunological and anatomical ways, mouse models of intestinal inflammation show (to a variable degree) similarities with the human disease. While some models display great similarities like the SAMP/YitFc mouse, others show only few characteristics typical for IBD like mice deficient for cbl-b. In addition to the localization of the inflammation and the mucosal cytokine milieu, the histopathology provides another criterion for choosing the most relevant mouse model. The (immuno)histochemical detection of cells directly at the site of inflammation without prior manipulation allows for spatial distribution of defined cell population in tissue of models of intestinal inflammation. While other methods like immunobiology and molecular biology depend on the isolation, cultivation and stimulation of the cells, the (immuno)histochemistry allocates cellualr phenotypes and effector molecules in tissue sections. Hence, interacting immune cells and tissue structures are captured. In this way, the histopathology showed the spatial distribution of proliferating T cells and the production of arginase I by macrophages in specific structures in experimental tuberculosis. This refers to pulmonal granulomas and there to border zone around the caseating centre. Histopathology showed also the increase in M2 macrophages, T cells and IL-10 within the creeping fat of Crohn´s disease patients as well as the decreased production of IL-18 by epithelial cells in experimental toxoplasmosis. For visualization of subcellular structures, immunofluorescence has to be used as here fluorochrome-conjugated antibodies are employed. This allows for signal detection right at the binding site of the antibody. Hence, the fluorescent signal is linear and additive, while the signal in immunohistochemistry for the detection of nuclear, cytoplasmic and membrane antigens is a chromogenic precipitation on the tissue section. Therefore, the basolateral presentation of chemokines by liver sinusoidal endothelial cells was determined by confocal laser scanning microscopy. The clathrin-dependent endocytosis as well as their transport via early endosomes was also shown by ths method. In order to guarantee reproducible results, histopathology of experimental models has to follow standardized criteria in methods and content. By employing experimental models, the histopathology as a subdomain of the pathology is of important significance for the understanding of human diseases. Firstly, histopathology supports results obtained by immuno- and molecular biological methods. Secondly, histopathology presents histopmorphological changes as well as composition and spatial distribution of the immune-cell compartment including subcellular structures directly at the site of inflammation.