Extrazelluläre Matrix bei entzündlichen Darmerkrankungen

Abstract

Die extrazelluläre Matrix (ECM) ist eine dreidimensionale Matrix, die die Zellen umgibt und für die Strukturbildung der Gewebe grundlegend ist. Sie besteht aus Proteoglykanen und Faserproteinen, aber auch aus den in ihr befindlichen Zytokinen, Chemokinen, Wachstumsfaktoren, aktiven ECM-Fragmenten und zellmembrangebundenen Molekülen. Unter physiologischen Bedingungen sind Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) in geringen Konzentrationen verantwortlich für den Strukturerhalt der ECM. Bei entzündlichen Prozessen stimulieren aus T-Zellen und anderen infiltrierenden Zellen freigesetzte Zytokine (insbesondere Tumornekrosefaktor-α, Interferon-γ und Transf orming Growth Factor-β1) die Expression der ECM-Komponenten (z. B. Kollagene, MMPs, Tissue Inhibitors of Metalloproteinases, TIMPs). Dabei können größere Mengen von aktivierten MMPs, die nicht mehr durch ihre Inhibitoren, die TIMPs, kontrolliert werden können, zu Gewebsdestruktionen führen. Tritt während des Entzündungsvorgangs ein überschießender Wundheilungsprozeß auf mit vermehrter Bildung und Ablagerung der ECM, entsteht eine Fibrose. Die ECM ist darüber hinaus selber in der Lage, die lokal ansässigen und infiltrierenden Zellen zu beeinflussen und dadurch den Verlauf einer Entzündung zu modulieren. In dieser kumulativen Habilitationsschrift wurde die ECM bei verschiedenen entzündlichen Darmerkrankungen untersucht. Die nekrotisierende Enterokolitis (NEC) ist eine zumeist bei Frühgeborenen auftretende entzündliche Darmerkrankung, bei der es nach Kontakt mit der intestinalen Mikrobiota im noch nicht ausgereiften Darm zu einer überschießenden Entzündungsreaktion mit schweren Gewebsdestruktionen kommen kann. Wir konnten erstmals bei dieser Erkrankung eine erhöhte MMP-3- und TIMP-1-Expression zeigen. Weiterhin konnte eine erhöhte Expression von MMP-7, -12 und -26 nachgewiesen werden. Damit scheinen mehrere MMPs an dem Gewebsumbau beteiligt zu sein. Als zukünftige Therapiemöglichkeit wäre bei der NEC – als Erkrankung mit erhöhter Gewebsdestruktion – eine lokale Hemmung spezifischer MMPs denkbar. Bei der kollagenen Kolitis, einer chronisch- entzündlichen Darmerkrankung, die mit chronisch-wässrigen Diarrhöen einhergeht, liegt eine verbreiterte ECM-Schicht unterhalb des Oberflächenepithels vor. Sie setzt sich hauptsächlich aus Kollagen Typ I, III, VI und Tenascin zusammen in Abwesenheit von Undulin, einem Marker für dichtere ausdifferenzierte Kollagenmatrizes. Wir konnten nachweisen, dass eine linear erhöhte Expression des profibrotischen Connective Tissue Growth Factor (CTGF) sowie des Prokollagen α1(I), α1(IV) und TIMP-1 durch die subepithelialen Myofibroblasten unterhalb der ECM-Schicht vorliegt bei einer nur punktuell leicht erhöhten MMP-1-Expression. Das Gleichgewicht zwischen Fibrogenese und Fibrolyse ist zugunsten der Fibrogenese verschoben. Lokal antifibrotische Therapieansätze wären denkbar. Studien mit einem humanisierten, monoklonalen Antikörper gegen CTGF werden bereits bei anderen Krankheitsentitäten durchgeführt. Im entzündeten Gewebe modulieren Zytokine und Proteasen, die von infiltrierenden Zellen freigesetzt werden, die ECM. Die T-Zell-vermittelte Wirkung auf die intestinale ECM wurde am humanen fetalen Dünndarm Explantationskultursystem untersucht. Wir konnten erstmals zeigen, dass nach Zugabe von rekombinanten Interleukin (IL)-10 in dieses experimentelle Enteropathiesystem die Synthese von MMP-1, MMP-3 und TIMP-1 dosisabhängig gehemmt wird. Während IL-10 in klinischen Studien bisher zu keiner signifikanten Verbesserung der Behandlung von M. Crohn- und Colitis ulcerosa- Patienten führte, zeigten lokale Therapieansätze mit gentechnisch veränderten IL 10 produzierenden Lactococcus-Bakterien im Mausmodell positive Effekte. Im fetalen Darm findet sich eine CD3-7+ Zellpopulation, die ein Natural Killer (NK)-Marker-Profil aufweist und vermutlich einen wichtigen Teil der angeborenen Immunität darstellt – insbesondere direkt nach der Geburt. Eine Subpopulation der CD3-7+ Zellen exprimiert intrazellulär CD3, zeigt rekombinierte γ-Ketten und kann im murinen Thymusorgankultursystem zu CD3+ Zellen heranreifen, sodass diese Zellen im heranwachsenden Darm möglicherweise extrathymisch eine T-Zelldifferenzierung durchlaufen. In der letzten, dieser kumulativen Habilitationsschrift zugrunde liegenden Arbeit wurde Kollagen Typ XVIII (C18), ein nicht-fibrilläres Kollagen und Proteoglykan der ECM untersucht. Endostatin ist ein 20 kDa Fragment vom C-terminalen Ende des C18, das durch mehrere MMPs, Cathepsin L und andere Proteasen freigesetzt wird. Es ist ein potenter endogener Angiogenesehemmer. Frühere Studien konnten eine hohe C18-Expression in der humanen Leber und hepatozellulären Karzinomen nachweisen. Wir konnten zeigen, dass die Karzinomzellen bei Kolontumoren und ihren Lebermetastasen keine C18-Expression aufwiesen. Dagegen fand sich eine hohe C18-Expression in den Tumorstromazellen, die phänotypisch Fibroblasten und Endothelzellen kleinerer Gefäße und Kapillaren entsprachen. Bei Ovarialkarzinomen zeigte sich hingegen eine starke C18-Expression durch die Karzinomzellen, als auch durch das Tumorstroma. Die lokale Synthese des C18 durch Tumorzellen und das Tumorstroma könnte daher zukünftig die Möglichkeit eröffnen, durch die Induktion einer der Endostatin-freisetzenden Proteasen, das Tumorwachstum zu unterdrücken. In verschiedenen Tiermodellen konnte neben der antiangiogenetischen Wirkung des Endostatins bei Tumoren auch seine antiinflammatorische, antiangiogenetische und antifibrotische Wirkung bei Entzündungen belegt werden. Zukünftige klinische Studien werden zeigen, ob Endostatin auch bei der Therapie der chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen eine Rolle spielen wird.

The extracellular matrix (ECM) is a three-dimensional matrix that surrounds the cells and is fundamental to the structure formation of tissues. It consists of proteoglycans and fiber proteins as well as cytokines, chemokines, growth factors, active ECM fragments and cell membrane-bound molecules. Under physiological conditions, matrix metalloproteinases (MMPs) at low concentrations are responsible for the structural integrity of the ECM. In inflammatory processes, cytokines released from T cells and other infiltrating cells (particularly, tumor necrosis factor-α, interferon-γ, and transforming growth factor-β1) stimulate the expression of ECM components (eg, collagens, MMPs, tissue inhibitors of metalloproteinases , TIMPs). Larger amounts of activated MMPs, which can no longer be controlled by their inhibitors, the TIMPs, can lead to tissue destruction. If excessive wound healing with increased formation and deposition of ECM occurs during the inflammatory process, fibrosis develops. In addition, the ECM is able to influence resident and infiltrating cells and can thereby modulate the course of the inflammation. In this cumulative habilitation thesis, ECM was studied in various inflammatory bowel diseases.