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Hypoxie und Stickstoffmonoxid (NO) sind wichtige Mediatoren von akuten und chronischen Erkrankungen sowie auch von Tumoren. Makrophagen spielen eine zentrale Rolle bei der Eliminierung von Pathogenen aber auch bei der Induktion, Entwicklung und Metastasierung von Tumoren. Wenn Makrophagen in verletztes Gewebe, einen Entzündungsherd oder in einen Tumor einwandern, sind sie einem Umfeld ausgesetzt, das durch Hypoxie und die Produktion von NO und ROS erheblichen Stress auf die Zellen ausübt. Dieser Zellstress wirkt sich auf das Redoxgleichgewicht und damit auf die Signaltransduktion der Zellen aus. Im ersten Teil meiner Arbeit wurde mittels einer Micoarray-Analyse die Interaktion von hypoxischen und NO-vermittelten Signalen in Makrophagen und deren Bedeutung für die Zellen im entzündlichen Umfeld ermittelt. In RAW 264.7 Makrophagen wurden 196 Gene als Hypoxie-reguliert 85 Gene als DETA-NO-reguliert identifiziert. Die Mehrzahl der Gene (292) wurde jedoch von einer Kombination aus Hypoxie und DETA-NO reguliert und lediglich 14 Gene wurden in allen drei Ansätzen identifiziert. Aus der Gruppe der durch Hypoxie-und DETA-NO-regulierten Transkripte zeigte Sesn2 als Peroxiredoxin (Prdx) Reparatur-Protein eine signifikant höhere Induktion durch DETA-NO im Vergleich zur Hypoxie. Mit Hilfe von HIF-1α-/- Maus-Peritonealmakrophagen wurde Sesn2 als sowohl Hypoxie- und NO-reguliertes HIF-1α Zielgen identifiziert. Eine Vorinkubation der RAW 264.7 Zellen mit DETA-NO reduzierte die Bildung von überoxidiertem, inaktivem Prdx durch H2O2. Die Reduktion an überoxidiertem Prdx durch eine Vorinkubation mit DETA-NO konnte mittels eines siRNA knockdowns auf Sesn2 zurückgeführt und Sesn2 als Prdx-Reduktase etabliert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Vorinkubation von Makrophagen mit NO die Akkumulation von Sesn2 HIF-1α-abhängig induziert und somit Prdxs vor einer Überoxidierung durch ROS schützt. Die Aktivierung von HIF-1α durch Hypoxie oder NO kann somit die Vitalität von Zellen in einem entzündlichen Mikroumfeld verbessern. Im zweiten Teil meiner Arbeit wurde mittels konditioneller knockouts von HIF-2α und HIF-2α in myeloiden Zellen deren Auswirkung auf die Tumorentwicklung im PyMT Tumormodell untersucht. Die Tumorbelastung der Tiere zeigte in Folge der myeloiden knockouts von 1α und HIF-2α nur eine leichte Tendenz zu geringerer Tumorbelastung. Im Gegensatz zum myeloiden HIF-2α knockout beschleunigte der knockout von HIF-1α die Tumorinzidenz in PyMT Mäusen verlangsamte jedoch die Tumorentwicklung. Zusätzlich führte der myeloide knockout von HIF-1α und HIF-2α zu verstärkter Tumorhypoxie. Dies konnte auf eine Beeinträchtigung der Tumorangiogenese in den Tumorkernzonen zurückgeführt werden, wobei die Angiogenese durch das Fehlen von myeloidem HIF-1α am stärksten beeinträchtigt wurde. Während der Entstehung eines Tumors und dessen Progression werden die Tumorumgebung, das sogenannte Stroma, und der Tumor selbst von unterschiedlichen Immunzellen infiltriert. Der myeloide knockout von HIF-1α hatte erheblichen Einfluss auf die Immunzellverteilung im Tumorgewebe. Es wanderten weniger Makrophagen und B Zellen in den Tumor ein, wohingegen die Zahl von CD4+ T Helfer Zellen signifikant erhöht war. Zusätzlich wurde die Reifung der Dendritischen Zellen (DCs) durch den myeloiden knockout von HIF-1α erheblich beeinträchtigt. Der myeloide knockout von HIF-2α resultierte lediglich in einer verminderten Zahl an B Zellen und T Zellen im Tumorgewebe. Wildtyp und HIF-2α-/- Makrophagen, die hypoxische Tumorareale infiltrierten wiesen eine erhöhte Akkumulation von HIF-1α Protein auf. Makrophagen mit einem knockout von HIF-1α zeigten daraus folgend keine Akkumulation des HIF-1α Proteins in hypoxischen Tumorarealen. Darüber hinaus wurde Ym1 in allen Makrophagen-Genotypen im Tumorgewebe gleichstark exprimiert, wohingegen die Expression von iNOS im Tumorgewebe durch den myeloiden knockout von HIF-1α und HIF-2α verringert war. Die kolokalisierte Expression von iNOS und Ym1 in den Tumor-assoziierten Makrophagen deutet auf eine sowohl pro- als auch anti-inflammatorische Aktivierung der Makrophagen im Tumor hin. Die Ergebnisse der Immunzellverteilung von Makrophagen, unreifen DCs, CD4+ T Helfer Zellen sowie auch die verminderte iNOS-Expression weisen jedoch auf ein eher anti-inflammatorisches Tumormileu der PyMT+/-/HIF-1α -/- Tiere hin. Dies zeigt, dass HIF-1α in Makrophagen an der Entstehung eines inflammatorischen Tumormileus beteiligt ist.
Untersuchungen zu molekularer Expressionsregulation und biologischer
Funktion von Interleukin-22
(2011)
IL-22 wird hauptsächlich von aktivierten Leukozyten produziert, wirkt aber ausschließlich auf nicht-leukozytäre Zellen vor allem epithelialen Ursprungs. Die Funktionen des Zytokins sind strikt kontextabhängig. Einerseits aktiviert es bei infektionsgetriebenen Entzündungen die angeborene Immunität und wirkt gewebeprotektiv, andererseits weist IL-22 im Rahmen von Autoimmunerkrankungen pathogenes Potenzial auf, was vor allem auf die proliferationsfördernde Aktivität des Zytokins zurückzuführen ist. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals die Regulation der humanen IL-22 Expression auf molekularer Ebene charakterisiert. Insbesondere die Regulation des humanen IL-22 Promotors ist bislang nicht untersucht. Darüber hinaus wurden einige biologische Eigenschaften des Zytokins näher beleuchtet. Durch Untersuchungen an der gut charakterisierten humanen T-Zelllinie Jurkat sowie durch ergänzende Versuche an humanen Primärzellen (PBMC, CD3+ T-Zellen) konnte eine relevante Funktion der Transkriptionsfaktoren NF-ATc2 und CREB sowie des IKK/NF-ΚB Signalweges bei der Regulation der IL-22 Expression nachgewiesen werden. Sowohl für NF-ATc2 als auch für den IKK-Komplex konnte dabei CsA Sensitivität gezeigt werden. CsA wird, wenn nötig, in der Therapie schwerer Verlaufsformen der Psoriasis eingesetzt und bewirkt in den Patienten unter anderem eine Reduktion der im Rahmen der Erkrankung beobachteten IL-22 Expression. Die hier vorgestellten Ergebnisse belegen erstmals eine direkte Rolle von CsA in der Reduktion der IL-22 Produktion bei immunmodulatorischer Therapie. Darüber hinaus konnte ich am Beispiel von B. burgdorferi zeigen, dass PBMC unter dem Einfluss extrazellulärer Bakterien Mediatoren freisetzen, welche die Aktivierung des IL-22 Promotors in benachbarten T-Zellen initiieren können. Dies passt zu Befunden, die belegen, dass PBMC nach Aktivierung durch B. burgdorferi eine rapide IL-22 Sekretion zeigen. Interessanterweise wird IL-17 in der frühen Phase der Aktivierung von PBMC durch B. burgdorferi nicht synthetisiert. Damit ergeben sich neue Einblicke in die Pathogenese der Spirochäteninfektion. So könnte IL-22 einen wichtigen Beitrag zum Schutz vor der borrelienassoziierten Lyme Borreliose leisten und die mangelhafte Immunabwehr, verursacht durch das Fehlen von IL-17, kompensieren. Außerdem konnte ich in der hier vorgelegten Arbeit belegen, dass Leberzirrhosepatienten signifikant erhöhte IL-22 Serumspiegel aufweisen. Da auch in Biopsien zirrhotischer Lebern IL-22 immunhistochemisch, vor allem in nicht-parenchymalen Zellen nachweisbar war, scheint die Leber der Syntheseort des im Serum detektierbaren Zytokins zu sein. Interessanterweise korrelierte IL-22 nicht nur mit der Mortalitätsrate bei Leberzirrhose, sondern auch mit der Krankheitsaktivität der betreffenden Patienten. Ein weiterer zu untersuchender Aspekt der hier vorgelegten Arbeit war die Identifizierung neuer IL-22 induzierbarer Gene. Dies geschah unter Verwendung der IL-22 responsiven, gut carakterisierten Kolonkarzinomzelllinien DLD-1 und Caco-2. Eine genomweite Expressionsstudie führte dabei zur Identifikation neuer IL-22 induzierbarer Gene, unter denen sich insbesondere CEACAM5 und NNMT befanden. Beide Proteine spielen eine Rolle in der Karzinogenese und könnten als bisher unbekannte Bindeglieder zwischen IL-22 und der Entstehung und Metastasierung maligner Entartungen fungieren. Darüber hinaus könnte sich durch NNMT, ein Enzym, das vornehmlich in der Leber exprimiert wird, eine Verbindung zur Rolle von IL-22 bei Leberzirrhose ergeben. Zusammengefasst eröffnen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit nicht nur neue Einblicke in die Biologie von IL-22, sondern auch potenzielle Ansätze zur Therapie diverser Erkrankungen. So ist denkbar, in der Behandlung IL-22 getriebener Autoimmunerkrankungen, wie z.B. Psoriasis, auf die von starken Nebenwirkungen begleitete Verabreichung von CsA zu verzichten und stattdessen, beispielsweise durch Inhibierung des IKK-Komplexes, regulatorisch auf IL-22 einzuwirken. Neben einer möglichen Beteiligung von CEACAM5 und NNMT an IL-22/STAT3 vermittelter Karzinogenese, implizieren die hier vorgestellten Ergebnisse eine Funktion des Zytokins bei Borrelieninfektion und Leberzirrhose, wobei die genauen Aufgaben von IL-22 im Rahmen dieser Krankheitsbilder bislang unbekannt sind. Weitere Untersuchungen müssen klären, ob eine Modulation der IL-22 Spiegel für die Therapie der jeweiligen Erkrankungen in Frage kommen könnte. Zumindest bei Leberzirrhose könnte die IL-22 Serumkonzentration aufgrund der hier vorgelegten Ergebnisse allerdings jetzt schon als neuer prognostischer Marker herangezogen werden.