Functional interactions between iron metabolism, nitric oxide pathway and cellular immune effector function

Frühere Arbeiten aus unserer Arbeitsgruppe haben eine enge funktionelle Verknüpfung zwischen Eisenstoffwechsel und zellulärer Immuneffektorfunktion nahe gelegt (als Übersicht siehe Weiss et al. Immunology Today 16:495; 1995). Dabei konnten wir einerseits zeigen, daß vermehrte Eisenbeladung von Makrophagen durch Blockade der Interferon-gamma Wirkung deren Immuneffektorfunktion schwächt, andererseits konnte ein funktioneller Feedback Mechanismus aufgeklärt werden, der die Regulation des zellulären Eisenmetabolismus (auf posttranskriptionalerranslationaler Ebene über Interaktion von "iron regulatory proteins" mit RNA-Schleifen Strukturen "iron-responsive elements`), mit der Effektivität de zellulären Immunantwort koordiert (über die Freisetzung von Stickstoffmonoxid, des Synthese durch NO Synthase wiederum einer transkriptionellen regulation durch Eisen unterliegt). Dieser Mechanismus durfte von zentraler Bedeutung für die Entwicklung der Anämie chronischer Erkrankungen und darüber hinaus für die Koordination der Immunantwort gegenüber eingewanderten Mikroorganismen und Tumorzellen sein. Im nunmehr beantragten Projekt soll untersucht werden, welche Bedeutung diese in-vitro Regulationssysteme in vivo haben (iNOS knock out Maus) und welchen Einfluß diese auf den Verlauf von Infektionen wie zerebrale Malaria, Tuberkulose und Hepatitis C ausüben. Erste vielversprechende Befunde aus unserer Arbeitsgruppe (Weiss et al. J. Infect. Dis. 1996 in press; Thuma et al. A. J. Trop. Med. Hyg. 54:164; 1996) zeigen fundamentale Einflüsse von Eisenperturbationen auf die TH-1 vermittelte Immunantwort und damit verbunden auf den Fortgang der Erkrankungen, was zur Etablierung verbesserter Therapiekonzepte bei schweren, therapierefraktären Infektionen beitragen dürfte. Darüber hinaus wollen wir die genauen funktionellen Mechanismen und regulatorischen Faktoren analysieren, die der transkriptionellen Immunregulation durch Eisen zugrunde liegen (transiente Transfektion von Zellen mit Plasmid-Konstrukten, die den iNOS Promotor beinhalten, Deletions- und Mutationsanalysen, Electromobitily Shift Assays, Supershifts, DNA-Footprinting). Darauf aufbauend, sollen in einem ZelLkulturmodell die Einflüsse von eisenvermittelter Geneexpressionskontrolle auf Tumorwachstum sowie Immunantwort gegenüber Tumorzellen untersucht werden (Deletionsanalysen, stabile Transfektionen, Co-Kulturen, Transkriptionsfaktormutationen etc). Letztendlich wollen wir noch den Einfluß von anti-inflammatorischen Zytokinen (IL-4,IL-13) auf die Regulation der Eisenhomöostase untersuchen und die Bedeutung dieser Veränderungen auf das Zusammenwirken von Th-1 und Th-2 Effekten gegenüber aktivierten Makrophagen und damit der unspezifischen zellulären Immunantwort. Unserer Arbeiten sollen Aufschluß über die komplexen biochemischen und immunologischen Regulationsmechismen zwischen Eisenmetabolismus und zellulärer Immuneffektorfunktion und deren Bedeutung (auch in therapeutischer Hinsicht) für die Pathogenese und den Verlauf von Infektionskrankheiten (fr vivo) und Tumoren (in vitro) geben.

Das im November abgeschlossen FWF-Projekt 12186 beschäftigte sich im wesentlichen mit drei Fragestellungen: 1. Den Mechanismen der regulatorischen Wechselwirkungen zwischen Eisenstoffwechsel und Immunantwort: Dabei konnten wir aufzeigen, daß Eisen in Makrophagen ("Körperfresszellen") die Bildung von Stickstoffmonoxid (NO) reduziert, einem kurzlebigen Radikal, das von Immunzellen zur Abwehr gegenüber Infektionen und Tumoren gebildet wird. Wir haben den zugrundeliegenden Mechanismus untersucht und fanden heraus, daß das Metall Eisen das Ablesen der für die NO-Bildung verantwortlichen Gens, induzierbare NO-Synthase, reduziert. Das ist wiederum darauf zurückzuführen, daß das Metall direkt in die Genregulation eingreift und die NO-Bildung stimulierende Faktoren lahmlegt. Regulatorische Wechselwirkungen zwischen Eisenstoffwechsel und Immunantwort spielen, wie wir auch zeigen konnten, eine wesentliche Rolle in der Entstehung der Anämie chronischer Erkrankungen, einer Blutarmut die sich häufig bei Patienten findet, die an Infektionen , Tumoren oder Autoimmunerkrankungen leiden. 2. Aufgrund unserer oben kurz angeführten Untersuchungen, die zeigen, daß Eisen die Effektivität der Immunabwehr hemmt, haben wir des Weiteren untersucht, welchen Einfluß Veränderungen im Eisenstoffwechsel auf den Verlauf von Infektionen haben. Bei Malaria tropica, eine durch Plasmodium falciparum hervorgerufene schwere Infektionskrankheit an der weltweit jährlich ca. 2 Millionen Menschen versterben, konnten wir zeigen, daß der Entzug von Eisen die Immunabwehr gegen diese Erreger verbessert, was zu einem günstigeren klinischen Verlauf der Erkrankung führt. In einem weiterführenden Projekt haben wir verschiedene neue-synthetisierte eisenbindende Substanzen auf deren Fähigkeit hin untersucht, das Wachstum von Pl. falciparum zu hemmen bzw. den Parasiten abzutöten. Aufgrund dieser Experimente konnten wir einige erfolgversprechende Substanzen identifizieren, die nunmehr weiter auf deren Fähigkeit, Malaria zu behandeln, untersucht werden. Bei Hepatits C, eine Virusinfektionen , die häufig zu Leberzirrhose und Lebertumoren führt und gegen die es bisher keine Impfung gibt, konnten wir ebenfalls zeigen, daß eine Eisenüberladung mit einer schlechten Immunantwort und einem rascheren Verlauf der Erkrankung einher geht. Auch hier scheint der Entzug von Eisen (durch Aderlässe) oder der Einsatz von eisenbindenden Medikamenten potentielle Vorteile zu bringen. 3. Schließlich beschäftigen wir uns auch noch mit den Mechanismen, die zu einer abnormen Eisenaufnahme bei genetischer Hämochromatose führen. Genetetische Hämochromaotse ist eine der häufigsten, autosomal-rezessiv weitergegebenen Erbkrankheiten in Mittel- und Nordeuropa. Ungefähr einer von 11 Mitbürgern trägt das defekte Gen in sich und ca. einer von ca. 250 bis 400 Österreichern ist an Hämochromatose erkrankt (in Summe ca. 30000!). Bei genetischer Hämochromatose kommt es trotz voller Eisenspeicher zu einer massiven Aufnahme von Eisen in den Körper. Da Eisen nicht ausgeschieden werden kann, wird es in parenchymatösen Organen wie der Leber, dem Herzen, oder der Bauchspeicheldrüse gespeichert, wo es zu langsam fortschreitender Gewebezerstörung führt. Die Patienten haben bis ins mittlerer Lebensalter oft keine Beschwerden, dann treten jedoch die Folgen der Eisenüberladung in Form eines fortschreitenden Leberversagens, einer massiven Herzschwäche oder einer Zuckerkrankheit zu Tage. Zwar konnte das defekte Gen für Hämochromatose identifiziert werden, die pathophysiologischen Mechanismen blieben aber bis jetzt großteils ungeklärt. In dieser vom FWF geförderten Arbeit konnten wir zeigen, daß bei Patienten, die an genetischer Hämochromatose leiden, ein Eisentransporter im Darm (DMT-1) vermehrt vorhanden ist, was zu einer überhöhten Eisenaufnahme führt, eine Situation, wie man sie sonst nur bei massivem Eisenmangel sieht. Die Ursache dafür ist, daß aufgrund des genetischen Defektes die Darmzellen (Enterozyten) aus dem Blut nur wenig Eisen aufnehmen können. Dadurch wird ihnen fälschlicherweise ein Eisenmangel signalisiert, obwohl genügend Eisen vorhanden wäre. Das führt zur vermehrten Bildung von DMT-1 und gesteigerter Eisenaufnahme aus dem Darm. Unser Ziel ist es nunmehr, spezifische Hemmer von DMT-1 zu finden, um so eine neue Therapie der genetischen Hämochromatose zu ermöglichen. Insgesamt wurden im Rahmen dieses Projektes 24 wissenschaftliche Arbeiten in "Peer reviewed" internationalen Zeitschriften veröffentlicht. Dazu kommen über 40 Vorträge sowie die Zuerkennung sehr renommierter und prestigeträchtiger wissenschaftlicher Preise (z.B. Novartis-Preis für Medizin 1998, Kraupp- Preis für die beste medizinische Habilitation in Österreich 1999....).