Charakterisierung der entzündungsauslösenden Potenz von Glucanen in einem Vollblutmodell

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Charakterisierung der proinflammatorischen Aktivität von ß-1,3-D-Glucanen und deren Quantifizierung in luftgetragenen Stäuben aus Tierställen. Mittels eines humanen Vollbluttestes wurde die proinflammatorische Aktivität verschiedener Glucane bestimmt. Hierbei zeigte sich folgende Reaktivitätsreihenfolge: Curdlan > Zymosan > Glucan aus Bäckerhefe > BarleyGlucan > Paramylon > Laminarin. Als wichtige Einflussfaktoren auf die proinflammatorische Aktivität der ß-1,3-D-Glucane stellten sich das Molekulargewicht und die Raumstruktur heraus, wobei ein hohes Molekulargewicht in Kombination mit einer geöffneten Dreifachhelix (Curdlan) die höchste proinflammatorische Aktivität bedingt. Glucane ohne geöffnete Dreifachhelix, wie z.B. Glucan aus Bäckerhefe, zeigten dagegen eine geringere proinflammatorische Aktivität. Die fehlende proinflammatorische Aktivität von Laminarin beruht hauptsächlich auf dem niedrigen Molekulargewicht, das unterhalb des Mindestgewichts zur Zytokinausschüttung liegt und der Einfachhelix als Raumstruktur. Weiterhin führt die Einfachhelix als Raumstruktur in Kombination mit einem höheren Molekulargewicht, wie es bei Paramylon der Fall ist nur zu einer geringen Zytokininduktion. Der glucanspezifische LAL-Test wird in der Literatur häufig als Nachweissystem zur Quantifizierung von Glucanen in verschiedenen Medien u.a. auch Bioaerosolproben beschrieben. Die Reaktivitätsreihenfolge der untersuchten Glucane in diesem Testsystem war: Laminarin > BarleyGlucan > Zymosan > Glucan aus Bäckerhefe > Paramylon > Curdlan und unterschied sich somit deutlich von der Reaktivitätsreihenfolge im humanen Vollbluttest. Laminarin, welches sich im Vollbluttest durch keine nachweisbare Aktivität auszeichnete, zeigte dagegen im glucanspezifischen LAL-Test die höchste Reaktivität. Aus diesem Grunde führte auch die Vorbehandlung von glucanhaltigen Bioaerosolproben mit NaOH, welches die Dreifachhelix von Glucanen in eine Einfachhelix überführt, zu höheren Nachweisraten im glucanspezifischen LAL-Test. Aufgrund der somit fehlenden grundlegenden Vergleichbarkeit der hier getesteten Nachweissysteme können durch die Bestimmung der Konzentration luftgetragener Glucane mittels glucanspezifischen LAL-Test keine direkten Rückschlüsse auf deren proinflammatorische Potenz gezogen werden. Die Konzentration an luftgetragenen Glucanen, welche mittels des glucanspezifischen LAL-Tests in den untersuchten Tierställen bestimmt wurde, betrug im Mittel (Median) 8,3 x 104 pg/m³. Es konnte keine signifikante Korrelation zwischen der Konzentration an luftgetragenen Glucanen und den luftgetragenen Schimmelpilzen nachgewiesen werden. Außerdem bestand keine Korrelation zwischen der Glucan- und der Schimmelpilzkonzentration in den untersuchten Pflanzenmaterialien (Hafer, Heu und Stroh). Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass durch die Glucanbestimmung mittels glucanspezifischen LAL-Test in Tierställen weder auf die Konzentration von vermehrungsfähigen Schimmelpilzen im luftgetragenen Zustand noch in verschiedenen anderen Materialien geschlossen werden kann und umgekehrt. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass diese Glucane nicht nur aus luftgetragenen Schimmelpilzen bzw. den Schimmelpilzen, welche verschiedene potentielle Quellen besiedeln, stammen, sondern dass diese Pflanzenmaterialien (Futter, Einstreu) selbst eine Quelle für diese Substanzen darstellen. Die Konzentration (Masse pro Volumen) an luftgetragenen Glucanen und Endotoxinen lag in den untersuchten Tierställen in einer ähnlichen Größenordnung. Im humanen Vollbluttest konnte aber eine um mindestens 1000-fach stärkere proinflammatorische Aktivität für Endotoxine im Vergleich zu Glucanen nachgewiesen werden. Außerdem führte die Behandlung von Bioaerosolproben aus Tierställen mit dem Endotoxininhibitor PB im Mittel (Median) zu einer Reduktion der proinflammatorischen Aktivität um 83,3 %. Damit weisen beide Ergebnisse daraufhin, dass Glucane, obwohl sie in der Luft von Tierställen in ähnlichen Konzentrationen wie Endotoxine vorkommen, einen bedeutend geringeren Anteil an der proinflammatorischen Gesamtaktivität von Bioaerosolen aus Tierställen haben als Endotoxine.

This work deals with the examination of the proinflammatory activity of the ß-(1→3)-D-glucans and its detection in airborne dusts out of animal stables. A proinflammatory activity could be proved by means of the human whole blood assay. The following reaction order resulted: curdlan > zymosan > glucan from bakers yeast > barley glucan > paramylon > laminarin. The molecular weight and the room structure turned out to be important influence factors on the proinflammatory activity of the ß-(1→3)-D-glucans. A high molecular weight into combination with an open triple helix (curdlan) caused the highest proinflammatory activity. Glucans without an open triple helix, e.g. glucan from bakers yeast showed a lower proinflammatory activity. The missing proinflammatory activity of laminarin is based on the low molecular weight which is below the minimum weight related to the release of cytokines. Furthermore the single helix as conformation in combination with a high molecular weight leads to a low induction of cytokines. This is the case at paramylon. The glucan-specific LAL-Test is frequently described as a proof system for the quantification of glucans in different media and also in bioaerosol samples. The reaction order in this test system was laminarin > barley glucan > zymosan > glucan from bakers yeast > paramylon > curdlan and differed considerably from the reaction order in the human whole blood assay. Laminarin which did not stand out due to any provable activity in the whole blood assay stand out showed the highest reactivity in the glucan-specific LAL test. For this reason the pretreatment with NaOH of bioaerosol samples containing glucans which carry over the triple helix of the glucan into a single helix led to higher proof rates in the glucan-specific LAL test. Due to the therefore missing comparability of these two systems no direct conclusions can be drawn by the determination of the concentration of airborne glucans by means of glucan- specific LAL-Test on the proinflammatory potency.