Zytokine in der pädiatrischen Rheumatologie

Im Gegensatz zur erworbenen Immunität ist die unspezifische Immunität angeboren. Sie dient der ersten Abwehr von eindringenden Krankheitserregern. Die Art der gebildeten Zytokine aber reguliert auch Eigenschaften der spezifischen Immunantwort (Abschn. 3). Zahlreiche lösliche Mediatoren vermitteln die angeborene unspezifische Immunität. Zu ihnen zählt z. B. auch das C-reaktive Protein, das von Hepatozyten unter Stimulation von IL-6 sezerniert wird und bakterielle Polysaccharide bindet. Es führt zudem zur Komplementaktivierung und zur Stimulation der Phagozytose. Weitere durch Zytokine induzierte Akute-Phase-Reaktanten sind die Komplementfaktoren C3, C4, C9, Faktor B, C1-Esterase-Inhibitoren und Mannose-binding-Protein, dem durch Bindung von bakteriellen Polysacchariden eine direkte Bedeutung in der Abwehr zukommt, die Protease-Inhibitoren α1-Antitrypsin, α1-Chymotrypsin und „tissue inhibitors of metalloproteinases“ (TIMP) sowie die Antioxidanzien Haptoglobin und Hämopexin. Das lipopolysaccharid-(LPS-)bindende Protein (LBP) bindet bakterielles LPS an CD14 und andere Serumproteine und führt auch zur Aktivierung von Makrophagen, die CD14 auf ihrer Membran exprimieren. Auch Interferon-γ stimuliert Makrophagen und erhöht somit die Phagozytose und intrazelluläre Abtötung von Bakterien.

Insbesondere die Zytokine IL-1, IL-6 und TNF-α haben eine besondere Bedeutung für die Aktivierung des natürlichen Immunsystems. Sie bilden gleichzeitig die Brücke zur spezifischen Immunität (Abb. 2).

Das unspezifische Immunsystem, welches nicht in der Lage ist, zwischen „Selbst“ und „Nichtselbst“ zu unterscheiden, ist bei zahlreichen chronisch entzündlichen Erkrankungen aktiviert, so auch bei der rheumatoiden Arthritis. Die prolongierte Aktivierung ist wahrscheinlich verantwortlich für die Mehrzahl der Beschwerden und Zerstörungen der Gewebe. Die akute Aktivierung des unspezifischen Immunsystems, so z. B. durch bakterielle Endotoxine mit der konsekutiven massiven Ausschüttung von TNF, IL-1 und anderen proinflammatorischen Zytokinen, führt zu Gefäßkollaps, Blutdruckabfall, Schock und verläuft nicht selten letal.

Auswirkungen der prolongierten Einwirkung der proinflammatorischen Zytokine IL-1, IL-6 und TNF-α auf verschiedene Organe sind bekannt. Fieber, Bewusstseinsstörungen, Anstieg von Katecholaminen, Corticosteroidausschüttung, Verminderung der Sekretion von Insulin-like growth factor 1 (IGF-1), erhöhte Vasopressinsekretion, erhöhte Glukagonsekretion und Insulinresistenz sowie Drosselung des Appetits sind Beispiele für neuroendokrine Störungen. Aktivierung und Freisetzung von neutrophilen Granulozyten, Verlängerung der Lebenszeit durch Hemmung der Apoptose von Granulozyten, Induktion von Apoptose in Lymphozyten, Thrombozytose und Entzündungsanämie zeigen die Beeinflussung des hämatopoetischen Systems. Metabolische Auswirkungen sind die Induktion einer Katabolie mit Proteolyse und Abbau von Muskelgewebe sowie Hypoalbuminämie, vermehrter Aminosäureanfall und Glukoneogenese, Lipolyse im Fettgewebe und schließlich die Entwicklung einer Kachexie, der TNF-α initial auch den Namen „Kachektin“ verdankt hatte. Für IL-1 sind zudem aktivierende Wirkungen auf Osteoklasten und supprimierende Einflüsse auf Osteoblasten bekannt, wodurch in Summe ein Knochenabbau bis hin zur Entwicklung einer Osteoporose resultiert.

Während die natürliche unspezifische Immunität ein starres System darstellt, ist die erworbene spezifische Immunität fein gesteuert und in der Lage, sehr flexibel auf eine Aktivierung zu reagieren. Zahlreiche Zytokine sind an der Aktivierung der spezifischen Immunität und an der Feinregulierung beteiligt. Das spezifische Immunsystem reagiert differenziert auf unterschiedliche Pathogene. Die Immunantwort gegen eindringende Bakterien, z. B. Pneumokokken, unterscheidet sich von der Abwehr gegen Mykobakterien, virale Infektionen, Pilze oder Parasiten. Das spezifische Immunsystem wird getragen

Naive T-Zellen, geprägt während ihrer Reifung im Thymus, sind langlebige, in einem Arreststadium befindliche Zellen, die nach spezifischer Stimulation aktiviert werden und zu Effektorzellen ausdifferenzieren. Für Aktivierung und Proliferation von T-Zellen ist vorwiegend das Zytokin IL-2 von Bedeutung. Die Differenzierung von T-Helferzellen in zwei hauptsächliche Effektorzellgruppen, den T-Helfer-1-Zellen (Th1-Zellen) und T-Helfer-2-Zellen (Th2-Zellen), wird dabei beeinflusst vom Profil der bei der Aktivierung der naiven T-Zelle vorhandenen Zytokine (Abb. 3). Dies ist entscheidend dafür, ob eine Immunantwort von einer Makrophagenaktivierung und einer zellulär vermittelten Immunantwort (Th1) oder von einer humoralen Immunantwort (Th2) dominiert wird. Th1-Effektorzellen haben ihre Bedeutung in der akuten Abwehr, in der Induktion einer zellulären Immunantwort gegen Viren und Pilze sowie in der Verstärkung der intrazellulären Abtötung von Bakterien. Th2-Effektorzellen haben ihre Bedeutung in der Induktion einer humoralen Immunität, also in der T-Zell-Hilfe für die Aktivierung und Differenzierung von B-Zellen.

Werden T-Zellen in Gegenwart von IFN-γ und IL-12 stimuliert, so differenzieren sie zu Th1-Effektorzellen. Die Generierung von Th2-Effektorzellen wird dagegen durch IFN-γ inhibiert. Die Produktion von IFN-γ wird v. a. durch die strukturell verwandten Zytokine IL-1 und IL-18 und durch TNF-α stimuliert, sämtlich auch von durch Monozyten/Makrophagen und dendritische Zellen produzierte Zytokine, wodurch sich die notwendige Verbindung zwischen unspezifischer angeborener und spezifischer erworbener Immunität schließt.

Werden naive T-Zellen dagegen in Abwesenheit von IFN-γ, aber unter Einfluss der Zytokine IL-4, IL-6 und IL-10 stimuliert, so entwickeln sich Th2-Effektorzellen, während die Entwicklung von Th1-Effektorzellen durch IL-4 und IL-10 gehemmt wird. Das Zytokin IL-6 (früher B-cell stimulatory factor genannt) nimmt auch eine Rolle bei der Induktion der humoralen Immunantwort ein.

Das Zytokinnetzwerk mit den in Opposition stehenden Zytokingruppen IFN-γ, IL-1, IL-12, IL-18 und auf der anderen Seite IL-4, IL6 und IL-10 mit gegenseitiger Inhibierung ermöglicht somit eine Balance mit Ausschlag mal in die eine, mal in die andere Richtung, je nach Erfordernis. Eine Steuerung erfolgt möglicherweise durch sogenannte regulatorische T-Zellen (T_reg), die durch die Sekretion von TGF-β, aber auch von IL-10 gekennzeichnet sind. Die gestörte Balance wird bei zahlreichen Autoimmunerkrankungen (Th1-Prädominanz bei der rheumatoiden Arthritis, Th2-Prädominanz beim systemischen Lupus erythematodes [SLE]) sowie bei den Allergien und den atopischen Erkrankungen, Asthma, atopischer Dermatitis oder Rhinokonjunktivitis als pathogenetisch relevant betrachtet.

Die Entdeckung von Interleukin-17-produzierenden Th17-Zellen als potente proinflammatorische T-Zellen erweitert das Verständnis pathophysiologischer Vorgänge, und hilft eine ganze Reihe experimentelle Befunde zu erklären, die nicht in das oben genannte dichotome Th1-Th2-Muster passen. Th17-Zellen sind in Tiermodellen experimenteller Autoimmunerkrankungen potenter als z. B. Th1-Zellen. Th17-Zellen sind offenbar v. a. bei der Initiierung der Erkrankung wie bei der frühen rheumatoiden Arthritis von Bedeutung (Raza et al. 2005). So produzieren Zellen von RA-Patienten in vitro IL-17 und das Molekül lässt sich in der Synovialflüssigkeit nachweisen. Dies scheint auch bei der juvenilen idiopathischen Arthritis nicht anders zu sein (Agarwal et al. 2008). Hypothetisch unterhält das Übergewicht von Th17-Zellen gegenüber den regulatorischen T-Zellen (T_reg) die chronische Entzündung, in der Remission wird dieses Gleichgewicht wiederhergestellt.

Die Bezeichnung „Interleukin“ suggeriert eine Bedeutung der so benannten Moleküle für die Kommunikation zwischen Leukozyten, doch darf dies nicht so eng interpretiert werden. Zahlreiche Zytokine haben pleiotrope Wirkungen auch auf andere Zellen oder Organsysteme. Dies ist für IL-1 und IL-6 bereits beispielhaft dargestellt worden. Der „B-cell stimulatory factor“ erhielt deshalb zu Recht den Namen Interleukin-6, da seine Funktion weit über die der B-Zell-Stimulation hinausgeht. In gleicher Weise wurde der IFN-γ induzierende Faktor zuletzt IL-18 genannt. Daneben wurden zahlreiche weitere Zytokine nicht als Interleukin bezeichnet, sondern behielten ihre deskriptiven Namen. Chemokine, die auch für die Chemotaxis von Bedeutung sind, stellen eine Gruppe von Zytokinen dar, wobei ein Chemokin, IL-8, mit Bedeutung als chemotaktischer Faktor für Granulozyten und wichtiges proinflammatorisches Zytokin in die Gruppe der Interleukine eingereiht wurde. Nachfolgend sollen einige Interleukine beschreiben werden. Auf IL-3, einen wesentlichen hämatopoetischen Wachstumsfaktor, auf IL-5, ein Th2-Zytokin mit Bedeutung für die Stimulation von eosinophilen Granulozyten, sowie auf IL-11, IL-13 und IL-14 wird dabei nicht weiter eingegangen.

Tumornekrosefaktor-α (TNF-α) wird von zahlreichen Zellen wie B-Zellen, T-Zellen, NK-Zellen, Monozyten, Makrophagen, dendritischen Zellen, Eosinophilen, Mastzellen, Neutrophilen, Fibroblasten, Astrozyten, Gliazellen, Keratinozyten, Osteoblasten und glatten Muskelzellen produziert und gehört zu einer großen Familie von membranständigen und löslichen Proteinen. Weitere Mitglieder sind beispielsweise Lymphotoxin-α (TNF-β), CD40-Ligand, Fas-Ligand, Nervenwachstumsfaktor (NGF, nerve growth factor), RANK-Ligand (receptor activator of NFκB ligand), TRAIL (TNF-related apoptosis inducing ligand), BAFF (B-cell activating factor belonging to the TNF family). Sie sind funktionell an der Proliferation und der Apoptose von Zellen beteiligt.

TNF-α, ein Homotrimer, ist ein proinflammatorisches Zytokin, das im Unterschied zu anderen Mitgliedern der Familie hauptsächlich sezerniert wird, aber durch die Fähigkeit zur juxtrakrinen Stimulation (membranständiges TNF-α stimuliert Nachbarzelle) die Gemeinsamkeit bewahrt.

Den Namen erhielt TNF-α früh aufgrund der Beobachtung, dass Tumoren von Patienten, denen bakterielle Präparationen appliziert wurden, nekrotische Areale aufwiesen. Weitere klinische Effekte sind aus der Applikation von LPS bekannt: Fieber, Malaise, Blutdruckabfall bis hin zum Schock. Eine sich klinisch entwickelnde Kachexie führte historisch zur Benennung dieses Proteins als Kachektin. TNF-α wird als pro-TNF-α (26-kDa-Protein) synthetisiert und vom TNF-α-converting enzyme (TACE) zu einem 17 kDa großen, 157 Aminosäuren enthaltenden Protein gespalten, das sezerniert wird und zu einem Trimer mit 3 Rezeptorbindungsstellen polymerisiert. Auch membranständiges einkettiges TNF ist biologisch aktiv (juxtrakrine Aktivität).

TNF-α ist sowohl bei der Aktivierung der angeborenen unspezifischen Immunität als auch der erworbenen spezifischen Immunität von Bedeutung. Makrophagen produzieren TNF-α bei Exposition mit Bakterien, Viren, Parasiten, Tumorzellen, Komplement, zahlreichen Zytokinen (v. a. IFN-γ, M-CSF und auch TNF-α selbst), Ischämie, Trauma oder Bestrahlung. Werden T-Zellen antigenabhängig über ihren T-Zell-Rezeptor stimuliert oder B-Zellen über membranständige Immunglobuline, so sezernieren diese TNF-α. Die TNF-α-Genexpression zählt zu den frühen Reaktionen. Innerhalb von 15–30 min kommt es zur mRNA-Synthese und zur Proteinsynthese, gefolgt von einer raschen Degradierung der mRNA (Caput et al. 1986). Eine solch schnelle Kinetik ist aufgrund der zum Teil deletären Wirkungen des Zytokins notwendig. An dieser schnellen Herunterregulation beteiligt ist auch die durch TNF-α induzierte gesteigerte Cortisolsekretion, die die TNF-α-Genexpression im Sinne eines negativen Feedbacks vermindert.

Die zahlreichen biologischen Effekte von TNF-α sind in Tab. 2 aufgeführt. Neben der namensgebenden Induktion des Zelltodes (richtiger als Nekrose wäre Apoptose!) sind immunologische und nichtimmunologische Funktionen zu unterscheiden. Immunologisch ist TNF-α ein ausgesprochen proinflammatorisches Zytokin. Es induziert wiederum die Produktion weiterer proinflammatorischer, aber auch antiinflammatorischer Zytokine (IL-1, IL-2, IL-4, IL-6, IL-10, IL-12, IL-18, IL-1RA, IFN-γ, TGF-β, leukocytosis inducing factor [LIF], migration inhibiting factor [MIF]). Es steigert die Sekretion von Hormonen (Cortisol, Adrenalin, Noradrenalin, Glukagon, Insulin) sowie von Akute-Phase-Proteinen, Leukotrienen und freien Sauerstoffradikalen. Die gesteigerte Produktion von IL-12 und IL-18 und die hierdurch induzierte IFN-γ-Produktion macht TNF-α zu einem Induktor der Th1-Immunreaktion. Über eine gesteigerte Proliferation und Aktivierung von T-Zellen und eine gesteigerte IFN-γ-Produktion folgt eine weitere Aktivierung von Makrophagen mit konsekutiver TNF-α-Sekretion. Dieser Kreis verdeutlicht die über TNF-α gesteuerte Entzündungsreaktion.

Die biologischen Effekte von TNF-α werden über die Bindung an zwei verschiedene Rezeptoren, TNF-Rezeptor I (p55-TNF-RI) und TNF-Rezeptor II (p75-TNF-RII) vermittelt (Abb. 6). Beide sind transmembranöse Glykoproteine, die auf nahezu allen Zellen vorkommen. TNF-RI wird dabei konstitutionell exprimiert, TNF-RII ist induzierbar. Beide Rezeptoren können von Metalloproteinasen proteolytisch abgespalten werden und sind dann als lösliche Rezeptoren durch Neutralisierung von TNF-α an der Regulation beteiligt. Bei chronisch entzündlichen Erkrankungen lassen sich erhöhte Serumspiegel löslicher TNF-Rezeptoren nachweisen, was die Hypothese des Versuchs einer autologen Gegenregulation unterstützt (TNF-α induziert Metalloproteinasen, diese spalten membranständige TNF-Rezeptoren und vermindern so die Stimulierbarkeit der Targetzellen, lösliche Rezeptoren neutralisieren zudem überschüssiges TNF-α).

Chemokine sind eine große Gruppe von bislang 40 verschiedenen „chemoattractant proteins“ mit einem relativ niedrigen Molekulargewicht von 6–14 kDa (Ward und Westwick 1998). Ihre hauptsächliche Bedeutung liegt wahrscheinlich in der Chemotaxis (Baggiolini 1998). Bei der HIV-Infektion haben Chemokine und ihre Rezeptoren eine wichtige Rolle. In der Nosologie ist die Präsenz von zwei nebeneinander gelegenen Cysteinen (CC-Familie) bzw. zwei getrennten Cysteinen (CXC-Familie) bedeutsam. Chemokine wirken über spezifische Rezeptoren. Die Signalübertragung erfolgt über sogenannte G-Proteine. IL-8 ist das am besten untersuchte Chemokin. Es wirkt stark chemotaktisch auf neutrophile Granulozyten und führt gleichzeitig zu deren Aktivierung mit vermehrter Degranulation und Freisetzung von Myeloperoxidase, Elastase, Glukuronidase, zu gesteigerter Adhärenz an Endothelzellen und Matrixproteinen. Auf Lymphozyten und Basophile wirkt IL-8 nur schwach chemotaktisch.

In der Pathogenese der rheumatoiden Arthritis scheinen aus der CC-Familie v. a. MCP-1 (CCL2), MIP-1α (CCL3), MIP-1β (CCL4) und RANTES (CCL5) von Bedeutung zu sein und aus der CXC-Familie IL-8 (CXCL8), das Epithelien-Neutrophilen-aktivierende Protein (ENA-78, CXCL5), das „growth-related gene product α“ (GROα, CXCL1) und das „connective tissue activating peptid III“ (CTAP-III, CXCL7) (Szekanecz et al. 1998). Diese Proteine konnten in synovialen Geweben mit erhöhter Expression nachgewiesen werden. RANTES und MIP-1α sind wahrscheinlich verantwortlich für die Akkumulierung von Th1-Zellen im entzündlichen Gewebe. IL-8, produziert von aktivierten Makrophagen und Fibroblasten, ist chemotaktisch für neutrophile Granulozyten, führt aber auch selbst zur Proliferation von synovialen Deckzellen. Die Applikation von Anti-TNF-Antikörpern (Infliximab) bei Patienten mit rheumatoider Arthritis vermindert die IL-8 und MIP-1α-Konzentration im Synovium und die Plasmaspiegel verschiedener Chemokine (Taylor et al. 2000). Chemokine sind über ihre chemotaktischen Eigenschaften hinaus auch als Angiogenesefaktoren beschrieben, ein Effekt, der bei der Entzündung ebenfalls von Bedeutung zu sein scheint.

Die Expression von Chemokinen kann durch Glucocorticoide gehemmt werden, nicht jedoch durch nichtsteroidale Antirheumatika. Im Tiermodell kann die Blockade einzelner Chemokine oder ihrer Rezeptoren die Entzündung zwar mildern, aber nicht verhindern.

Für die Erkennung von Autoantigenen und für die Induktion von Autoimmunerkrankungen sind T-Zellen und B-Zellen von großer Bedeutung. Dies trifft in weiten Teilen auch für die rheumatoide Arthritis zu. Nach Erkennung des Antigenpeptids, präsentiert von HLA-Klasse-II-exprimierenden antigenpräsentierenden Zellen, werden CD4-positive T-Helferzellen aktiviert und zeigen einen steilen Anstieg in der Produktion von Zytokinen, insbesondere von IL-2, das Wachstum und Aktivierung der T-Zelle induziert, und Zytokinrezeptoren (Abb. 7). Die produzierten proinflammatorischen Zytokine sind dann aber bereits nichtspezifisch wirksam. Die Proliferation autoreaktiver T-Zellen in der ständigen Gegenwart von Autoantigenen scheint die fortlaufende, nichtremittierende Entzündungsreaktion zu erklären. Auf welchem Wege CD4⁺-T-Zellen ihre Toleranz gegenüber Autoantigenen bei der rheumatoiden Arthritis verlieren, ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Als Hypothesen seien hier molekulare Mimikry, peripherer Toleranzverlust und die aberrante Expression von HLA-Klasse-II-Antigenen genannt. Die Bedeutung verschiedener Proteine als Autoantigene wurde bereits beschrieben, dies gilt für Kollagene, Hitzeschockproteine, und auch citrullinierte Proteine. Die Eliminierung von CD4⁺-T-Zellen hat dabei im Tiermodell eine profunde Auswirkung auf die induzierte Autoimmunreaktion. Bei der rheumatoiden Arthritis hat die alleinige Eliminierung von CD4⁺-T-Zellen (z. B. durch Therapie mit Anti-CD4-Antikörpern) keine konsistente Wirkung. Die Produktion von Zytokinen durch Zellen der unspezifischen Immunität (Monozyten/Makrophagen, Fibroblasten) wäre hierfür eine Erklärung. Im Synovium werden v. a. Th1-Effektorzellen, weniger Th2-Effektorzellen gefunden (Kotake et al. 1997). Diese produzieren nach Aktivierung der T-Zellen z. B. IFN-γ, das Monozyten und Makrophagen wiederum zur gesteigerten Sekretion von IL-1, IL-12 und IL-18, aber auch TNF-α stimuliert. IL-1 und TNF-α sind schließlich Induktoren von zahlreichen Entzündungsreaktionen (Abb. 8).

Bei Patienten mit einer rheumatoiden Arthritis konnte gezeigt werden, dass T-Zellen aus dem Synovium häufiger einen Th1-Effektortyp zeigen als T-Zellen aus dem peripheren Blut desselben Patienten (Morita et al. 1998). Dagegen finden sich Th2-Zytokine, IL-4 und IL-10 im Synovium in verminderter Menge, sodass wichtige antiinflammatorische Mediatoren fehlen, die eine einmal angelaufene Entzündungsreaktion terminieren könnten. T-Zellen aus der synovialen Flüssigkeit von Patienten mit rheumatoider Arthritis zeigen etwa 4-mal häufiger einen Th1- als einen Th2-Effektortyp (Yin et al. 1999). Das Th1/Th2-Verhältnis von 1,2 bei reaktiver Arthritis ist dagegen nahezu ausgeglichen, als Hinweis darauf, dass hier ausreichend antiinflammatorische Zytokine vorliegen, um die Entzündungsreaktion zu kontrollieren. Auch die relativ neu entdeckten Th17-Zellen, charakterisiert durch die Produktion von Interleukin-17, gelten als proinflammatorisch, induzieren weitere proinflammatorsiche Zytokine (IL-1, IL-6) und das auf neutrophile Granulozyten chemotaktisch wirksame IL-8. Zudem werden destruierende Enzyme, Metalloproteinasen, aktiviert.

Die Verdickung der synovialen Membran, charakterisiert auch durch die Proliferation von synovialen Deckzellen, und die Pannusbildung mit proliferierenden Fibroblasten sind wichtige Merkmale der rheumatoiden Arthritis, führen sie doch zur Gelenkdestruktion und tragen somit zur dauerhaften Krankheitslast bei (Abb. 7, Abb. 8).