Die Rolle von IL-4 bei der durch Th2-Zellen vermittelten Stimulation des axonalen Auswachsens nach mechanischer Verletzung

Abstract

Die Rolle von T-Zellen in Prozessen nach einer Verletzung oder Erkrankung des Zentralen Nervensystems (ZNS) ist bisher nicht eindeutig aufgeklärt. Es gibt Hinweise, dass T Helferzellen (Th-Zellen) sowohl neurodegenerative als auch neuroprotektive Eigenschaften haben können. Neuere Untersuchungen lassen den Schluss zu, dass die unterschiedlichen Ergebnisse aufgrund verschiedener Subpopulationen von Th Zellen entstanden sind. Die Subpopulationen unterscheiden sich durch ihre Zytokin-Expression. Dabei scheinen die Th1 Zellen, die besonders viel Interferon-γ (IFN-γ) produzieren, eher an neurodegenerativen Effekten beteiligt zu sein. Demgegenüber stehen die Th2-Zellen, die viel Interleukin-4 (IL-4) produzieren und eher an neuroprotektiven Effekten beteiligt zu sein scheinen. Untersuchungen der Th2-Zellen konnten zeigen, dass sie nicht nur eine neuroprotektive Wirkung haben, sondern das Auswachsen von primär geschädigten Axonen positiv beeinflussen können. Somit konnte erstmals für Th2 Zellen eine neuroregenerative Wirkung nachgewiesen werden. Unter Verwendung eines in der Arbeitsgruppe entwickelten Kollagen-Kokulturassays, in dem organotypische entorhinale Kortex-Schnittkulturen eingesetzt wurden, konnte erstmals gezeigt werden, dass Th2-Zellen das axonale Auswachsen durch ihr Markerzytokin IL-4 stimulieren. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass IL-4 nicht nur ein notwendiger Faktor der Th2-Zellen war, sondern auch allein ohne T-Zell-Kontext die Stimulation vermittelte. Die Verwendung von Schnittkulturen transgener Mäuse, in denen spezifisch Signalwege des IL-4 ausgeschaltet waren, zeigte, dass die IL-4-Rezeptoren in den Schnittkulturen notwenig waren, um eine IL-4 -induzierte-Stimulation zu beobachten. Darüber hinaus wurde eine Beteiligung der intrazellulären Signalmoleküle Akt- und MAP-Kinase an der IL-4-induzierten- Stimulation des axonalen Auswachsens nachgewiesen. Diese Ergebnisse wurden durch den Einsatz von inhibierenden Substanzen der Akt- und MAP-Kinase bestätigt. Zusätzlich zu dem Kollagen-Kokulturassay, mit dem axonales Auswachsen untersucht werden konnte, wurde ein EGFP-Kokulturassay verwendet, der eine Untersuchung von axonalen Einwachsprozessen ermöglichte. Es konnte somit gezeigt werden, dass Th2 Zellen oder IL-4 eine stimulierende Wirkung auf die axonale Reinnervation haben. Aufgrund dieses Ergebnisses konnte erstmals eine Reinnervation bestätigt werden, die sich von dem Prozess des reaktiven Sproutings unterscheidet. Dabei gibt es Hinweise auf eine Beeinflussung des intrazellulären Neurotrophin-Signalweges durch IL-4. Besonders eindrucksvoll waren die Ergebnisse der in vivo Analysen zum Einfluss von Th2-Zellen und IL-4 auf eine axonale Regenration nach mechanischer Verletzung im Rückenmark. Dabei konnten die Th2-Zellen die Regeneration des verletzten Korticospinalen Traktes in einem Umfang stimulieren, den man aus Anti Nogo-Therapien kannte. Lokal fixierte Plasmozytomzellen, die hohe Mengen an IL-4 produzierten, hatten ebenfalls eine unterstützende Wirkung, wenngleich diese nur in unmittelbarer Nähe der Zellen zu messen war. Somit konnte IL-4 als ein Faktor identifiziert werden, der nicht nur als immunologisch wirkende Substanz eingesetzt werden kann, sondern möglicherweise seinen Einsatz zukünftig auch in der Behandlung von mechanischen Verletzungen des ZNS findet.

The role of T cells in processes after injury or illness of the central nervous system (CNS) is not cleared up unambiguously. There are references that T helper (Th) cells can have neurodegenerative as well as neuroprotective qualities. Newer investigations allow the speculation that the different results account of different T cell subpopulations. These subpopulations differ by their cytokine expression. Thereby the Th1 cells, which produce particularly high amounts of Interferon-γ (IFN-γ), seem to be involved rather in neurodegenerative effects. On the other hand the Th2 cells, which produce high Interleukin-4 (IL-4) level, seem to be involved rather in neuroprotective effects. Investigations of the Th2 cells could show that they not only influence neuroprotective effects but also the outgrowing of primarily injured axons therefore a neuroregenerative effect of Th2 cells could be proved for the first time. A collagen co-culture assays developed in the working group in which organotypic entorhinal cortex explants were used could demonstrate for the first time that Th2 cells stimulate axonal growth through their marker cytokin IL-4. What is more, it could be proven that IL-4 was not only a necessary factor of the Th2 cells, but could also mediate the stimulation alone without a T cell context. The use of cultivated explants of transgenic mice in which specific signal pathways of the IL-4 receptor were switched off, could demonstrate that the IL-4 receptors were necessary in the explants to observe an IL-4-induced stimulation. In addition, a participation of the intracellular signal molecules Akt- and MAP-Kinase was proven in the IL-4-induced stimulation of axonal outgrowth. These results were confirmed by the application of inhibitors of Akt- and MAP-Kinase. In addition to the collagen co-culture assays in which axonal outgrowth could be examined, an EGFP co-culture assay which allowed an investigation of axonal ingrowth/ reinnervation processes was used. It could be demonstrated that Th2 cells and IL-4 have a stimulating effect on axonal ingrowth/ reinnervation. On account of this result a reinnervation which differs from the process of reactive sprouting could be confirmed for the first time. In addition, there are results which indicate an influence of intracellular neurotrophin signaling by IL-4. The results of in vivo analyses on the influence of Th2 cells and IL-4 on axonal reinnervation after mechanical injury in the spinal cord were especially impressive. The Th2 cells could stimulate the regeneration of the injured corticospinal tract in an extent which is known from Anti Nogo-A treatment. Locally attached plasmocytoma cells which produced high amounts of IL-4 also had a supporting effect, though this was to be measured only in immediate proximity of the cells. Therefore IL-4 could be identified as a factor which not only can be used as an immunological active substance, but possibly finds his application in future also in the treatment of mechanical injuries of the CNS.