Charakterizierung von Kollagenase 3 (MMP-13) in der Pathogenese der Rheumatoiden Arthritis

Abstract

Gegenstand der Habilitationsschrift war es, einen Beitrag zum besseren Verständnis der Pathogenese der rheumatoiden Arthritis (RA), insbesondere des Prozesses der progredienten Knorpel- und Knochendestruktion zu leisten, um neue Ansatzpunkte zur effektiveren Diagnostik und Therapie dieser chronisch- entzündlichen Systemerkrankung zu finden. Die Knorpel- und Knochendestruktion bei RA wird durch unterschiedliche Proteasen verursacht. Dabei kommt den Matrix-Metalloproteinasen (MMP) eine grosse Bedeutung zu, da diese Proteasen unterschiedliche Komponenten der extrazellulären Matrix mit hoher Effizienz spalten. In der vorliegenden Arbeit wurde Kollagenase 3 (MMP-13) aus der Synovialis von Patienten mit RA kloniert. Kollagenase 3 ist für den Prozess der Knorpeldestruktion von besonderem Interesse, da diese Kollagenase im Vergleich zu den beiden anderen humanen Kollagenasen, Kollagenase 1 (MMP-1, interstitielle Kollagenase) und Kollagenase 2 (MMP-8, neutrophile Kollagenase) eine deutlich höhere katalytische Aktivität gegenüber dem Hauptkollagenbestandteil des hyalinen Knorpels, Kollagen Typ II, aufweist und andere Komponenten der extrazellulären Matrix ebenfalls mit hoher Effizienz spaltet. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Expression von Kollagenase 3 mRNA insbesondere im Bereich der Knorpelerosionen nachweisbar ist. Mittels situ Hybridisierung von Kollagenase 3 mRNA und dem immunhistochemischen Nachweis von Zelltyp-spezifischen Antigenen wurde gezeigt, dass Kollagenase 3 fast ausschliesslich in Fibroblasten-ähnlichen Zellen exprimiert wird und somit an der Fibroblasten-vermittelten Knorpeldestruktion bei RA beteiligt ist. Weiterführend wurde nachgewiesen, dass Kollagenase 3 vor allem über Wechselwirkungen mit der extrazellulären Matrix stimuliert wird. In diesem Zusammenhang zeigte die Stimulation der Kollagenase 3 Expression durch den Kontakt mit normalem Knorpelgewebe in immundefizienten NOD/SCID-Mäusen einen pathogenetischen Mechanismus der Knorpeldestruktion, der unabhängig vom Einfluss zellulärer bzw. humoraler Komponenten des Immunsystems stattfindet. In der vorliegenden Arbeit wurde eine mögliche Korrelation zwischen einer Kollagenase 3 Expression in der Synovialis und den klinischen Parametern in einer Kohorte von 36 RA Patienten untersucht. Im Unterschied zu anderen MMP wiesen nur 21 der 36 untersuchten Patienten (60%) eine mRNA Expression von Kollagenase 3 in der Synovialis auf. Diese Patienten zeigten einen schwereren Krankheitsverlauf. Histopathologisch korreliert die mRNA Expression von Kollagenase 3 in der Synovialis mit einem histopathologischen Typ II der Synovialitis nach Stiehl (1997), die durch eine invasiv und knorpeldestruierend proliferierende Synovialis gekennzeichnet ist. In diesem Zusammenhang konnte in den vorliegenden Arbeiten gezeigt werden, dass der histopathologische Typ II der Synovialitis mit dem Gehalt des Kollagenspaltproduktes Pyridinolin in der Synovialis korreliert. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass Kollagenase 3 als klinischer bzw. histopathologischer Marker für den Verlauf des Prozesses der Knorpeldestruktion bei RA geeignet sein könnte.

In the present study, the process of cartilage and bone degradation in the pathogenesis of rheumatoid arthritis (RA) was studied to improve diagnostics and therapy of this autoimmune disorder. Cartilage and bone degradation is caused by different proteases. Among them, matrix-metalloproteases (MMP) are able to cleave all components of the extracellular matrix with high efficiency. In the present study, collagenase 3 (MMP-13) was cloned from the synovial membrane of patients with RA. Collagenase 3 is of special interest for the degradation of human cartilage because it is a powerful collagenolytic enzyme, preferentially cleaving type II collagen. The results show that collagenase 3 mRNA has been detected predominantly in fibroblast-like cells at sites of synovial invasion into cartilage. Using combined in situ hybridization of collagenase 3 mRNA and immunohistochemistry of cell surface antigens it was shown that collagenase 3 was expressed in fibroblast-like cells of the synovial lining and sublining but not in endothelial cells, CD68-positive macrophages, and CD45-positive cells. In fibroblast-like cells, the expression of collagenase 3, in contrast to other MMP, is preferentially stimulated by three-dimensional collagen rather than by proinflammatory cytokines. Furthermore, in an in vivo system of cartilage degradation in NOD/SCID mice collagenase 3 mRNA was detected in synovial fibroblasts at cartilage erosion sites, whereas the expression of interstitial collagenase mRNA was lacking. These data suggest that cell-matrix interactions leading to the induction of collagenases, particularly of collagenase 3, might represent a mechanism contributing to the invasive potential of synovial fibroblasts at the synovial membrane-cartilage interface in the absence of cellular and humoral components of the immune system. In the present study, the expression of collagenase 3 in the synovial membrane was studied in a cohort of 36 patients with RA. In contrast to other MMP, collagenase 3 mRNA was expressed only in 21 out of 36 patients (60%). These patients showed more active disease. Histopathologic analysis revealed, that collagenase 3 expression is associated with histopathologic type II synovitis according to the classification by Stiehl (1997). The data suggest, that collagenase 3 expression and the histopathologic type II synovitis are associated with a severe and destructive course of RA. Therefore, collagenase 3 might represent a useful clinical and/or histopathological marker for cartilage and bone degradation in RA.