Immunpathologie und Artherosklerose

Forschungsprojekt P 14741 Immunpathologie der Atherosklerose Georg WICK 27.11.2000 Während der letzten Jahre haben wir, basierend auf tierexperimentellen Daten und Ergebnissen von Untersuchungen bei Menschen und in Versuchstieren, ein neues "autoimmunologisches" Konzept für die Entstehung der Atherosklerose entwickelt. Im Prinzip besagt dieses Konzept, dass es im Fall des Einwirkens von klassischen Atherosklerose-Risikofaktoren auf das arterielle Endothel zur Expression des Stressproteins Hitzeschockprotein 60 (HSP60) kommt, und dass dann präexistente humorale und zelluläre Immunreaktionen gegen mikrobielles HSP60 mit humanem HSP60 kreuzreagieren. Auf diese Weise kommt es über sogenanntes "antigenes Mimikry" zu einer Art "Verwechslungsreaktion", einer Autoimmunreaktion, die zum frühesten entzündlichem Stadium der Atherosklerose führt. Hitzeschockproteine mit einem Molekulargewicht von 60 kD sind phylogenetisch hoch konserviert, d.h. es besteht beispielsweise zwischen dem HSP65 von Mycobacterium tuberculosis und menschlichem HSP60 eine ca. 55%ige Homologie auf DNA- und Proteinebene. Nach unserem Konzept müssen wir also für die Einwirkung von Stressfaktoren (hoher Blutdruck, Inhaltsstoffe des Zigarettenrauchs, hoher Serumcholesterinspiegel, mikrobielle Toxine, etc.), die zur Expression von HSP60 in Endothelzellen führen, insofern durch die Gefahr einer Kreuzreaktion "bezahlen", als sich unsere schützende Immunität gegen mikrobielles HSP60, nun auch gegen das Endothel unserer eigenen, gestressten Arterien, richtet. Wir konnten zeigen, dass an jenen Stellen des arteriellen Gefässbaums, die einem besonders starken hämodynamischen (turbulenten) Stress ausgesetzt sind (z.B. Aortenbogen oder Verzweigung gr6sserer Gefdsse) schon bei Kindern in der Intima Infiltrate von mononukledren Zellen geftmden werden k6nnen, die wir als vaskulär assoziiertes lymphatisches Gewebe (VALT) bezeichnet haben. An jenen Stellen kommt es - wie wir zeigen konnten aufgrund der Vorbelastung durch die erwähnten mechanischen Stressfaktoren in Form des arteriellen Blutdrucks - zuerst zu entzündlichen Reaktionen im innersten Abschnitt der Arterien, der Intima. Beim Versuchstier konnten wir zeigen, dass die Lymphozyten in derartigen frühen atherosklerotischen Läsionen vorzugsweise mit HSP60 reagieren. Zusätzlich kommt es in der Zirkulation zum Auftreten von anti-HSP60 Antikörpern. Eine Immunisierung von Kaninchen oder Mäusen mit bakteriellem HSP60 führt zum Auftreten atherosklerotischer Läsionen bei diesen Tieren, die durch eine zusätzliche Erhöhung des Cholesterinspiegels im Blut noch signifikant verstärkt werden können. Im Rahmen der Mitarbeit bei einer nun schon seit zehn Jahren laufenden longitudinalen Atherosklerose-Präventionsstudie beim Menschen (der sogenannten "Bruneck Studie") fanden wir, dass die Titer von Antikörpern gegen bakterielles HSP60 signifikant mit dem Vorhandensein von sonographisch nachweisbaren atherosklerotischen Läsionen in der Halsschlagader assoziiert sind. Wir fanden weiters, dass die Immunreaktion gegen HSP60 wahrscheinlich der gemeinsame Denominator für die zahlreichen im Zusammenhang mit der Atherosklerose in der Literatur erwähnten Infektionserreger (z.B. Chlamydien) darstellt. Dafür sprechen auch unsere jüngsten Daten, die zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit, eine Atherosklerose zu entwickeln, mit der gesamten "infektiösen Belastung" eines Menschen zunimmt. Zusammenfassend kommt es bei der Entstehung der Atherosklerose also zunächst zum Auftreten eines frühen entzündlichen Infiltrats, wem bereits präexistenten humoralen oder zellulären Immunreaktionen gegen mikrobielles HSP60 das entsprechende menschliche HSP60 an der Oberfläche von gestressten Endothelzellen in geeigneter Weise präsentiert wird. Das vorliegende Projekt soll nun folgende Hauptfragen k1ären: 1. Untersuchungen beim Versuchstier: Mittels unseres immunologischen Modells für die Entstehung der Atherosklerose, das inzwischen auch bei der Maus etabliert werden konnte, soll die Frage geklärt werden, ob HSP60-reaktive T Zellen oder Antikörper die Erkrankung in Gang setzen. Es soll weiters untersucht werden, ob die Atherosklerose durch immunsuppressive Mechanismen oder die Induktion einer Immuntoleranz gegen HSP60 verhindert bzw. verbessert werden kann. 2. Untersuchungen beim Menschen: Nachdem eine Assoziation der Atherosklerose mit humoralen Antikörpern gegen HSP60 bereits gezeigt worden ist, soll in den jetzigen Untersuchungen das Schwergewicht auf die Erforschung der zellulären Immunreaktion gegen dieses Antigen im Rahmen der "Bruneck Studie" gelegt werden. 3. Untersuchungen in Zellkulturen: Ein wesentlicher Faktor der Entstehung der Atherosklerose ist die Tatsache, dass Arterien höherem Blutdruck als Venen ausgesetzt sind. Wir werden daher die "Sensoren" von Endothelzellen für mechanischen (Scher-) Stress sowie die so ingang gesetzten Signaltransduktionsmechanismen identifizieren.

Atherosklerose ist in den industrialisierten Ländern - und so auch in Österreich - bekanntlich die Todesursache Nummer eins. Die Krankheit manifestiert sich in einer Verdickung und Verhärtung (Sklerose) der Arterien, im Auftreten von fettreichen Vorwölbungen an deren Innenwand (Fettstreifen, Engl. fatty streaks) und schließlich noch weiter fortgeschrittenen, oft geschwürartig aufgebrochenen und sogar verkalkten Herden, sog. atherosklerotischen Plaques. Die Folge dieser Veränderungen sind Gefäßverengungen mit Anlagerung von Blutgerinnseln an die Gefäßwand und schließlich deren vollständigem Verschluss mit den bekannten Folgen, wie Herzinfarkt, Schlaganfall, Durchblutungsstörungen in den Beinen (sog. Schaufensterkrankheit), etc. Obwohl diese Veränderungen erst im späteren Lebensalter klinisch manifest werden und die Atherosklerose daher zu den altersabhängigen Krankheiten zählt, ist es seit vielen Jahren klar, dass die Erkrankung schon früh im Leben beginnt. Das Interesse der Arbeitsgruppe von G.Wick in der Sektion für Experimentelle Pathophysiologie und Immunologie an der Medizinischen Universität Innsbruck, Österreich, konzentriert sich in erster Linie auf diese frühesten Stadien der Atherosklerose. Das Ziel der Arbeitsgruppe ist es, herauszufinden, welches wirklich die ersten krankheitserzeugenden (pathogenetischen) Prozesse bei dieser Erkrankung sind. Während der letzten 20 Jahre wurde es klar, dass ganz am Anfang des Krankheitsprozesses in der Wand der betroffenen Arterien entzündliche, durch die Einwanderung von Zellen des Immunsystems bedingte Prozesse stehen. Das Hauptziel des vorliegenden Projekts war es, herauszufinden, warum und wann im Laufe des Lebens dieser Entzündungsprozess beginnt. Dabei konnte die unerwartete und alle bisherigen Dogmen bezüglich der Entstehung der Atherosklerose entkräftende Beobachtung gemacht werden, dass dieses erste Stadium der Erkrankung in einem Angriff des Immunsystems auf die körpereigenen, die Arterien auskleidenden Zellen (sogenannte Endothelzellen) besteht. Man bezeichnet solche Krankheiten als Selbstangriffskrankheiten oder Autoimmunerkrankungen. Wir konnten nachweisen, dass es durch den Kontakt von arteriellen Endothelzellen mit klassischen Atherosklerose- Risikofaktoren, wie hohem Blutdruck, hohem Blutcholesterinspiegel, Rauchen, etc. zu einer Produktion von sogenannten Stresseiweißstoffen (Stressproteinen) kommt, die auch an die Oberfläche dieser Zellen transportiert werden. Derartige Stressproteine wurden bei einfachen Organismen erstmals nach Behandlung mit Hitze nachgewiesen, und sie werden daher generell auch als Hitzeschockproteine (HSP) bezeichnet. Es gibt verschiedenste Familien von HSPs, wobei im vorliegenden Zusammenhang jene mit einem Molekulargewicht 60.000 (HSP60) besondere Bedeutung haben. Klassische Atherosklerose-Risikofaktoren führen in Endothelzellen zur Produktion von HSP60. Dies ist ein stammesgeschichtlich sehr altes Molekül und kommt in allen lebenden Organismen, von Bakterien bis zum Menschen, vor. Alle Menschen bauen schon kurz nach der Geburt eine Immunreaktion gegen mikrobielles HSP60 auf, die sie - zusammen mit anderen Immunreaktionen - vor Infektionen schützt. Da menschliches HSP60 dem HSP60 von Bakterien und Parasiten sehr ähnlich ist, "bezahlen" wir eine schlechte Behandlung unserer Arterien durch Atherosklerose-Risikofaktoren mit der Gefahr einer immunologischen "Verwechslungsreaktion" (sog. Kreuzreaktion). Das heißt, dass sich die im Prinzip schützende Immunreaktion gegen mikrobielles HSP60 gegen das auf unseren eigenen gestressten Endothelzellen aufscheinende HSP60 richtet. Wir konnten in der letzten Berichtsperiode dieses laufenden Forschungsprojekts in diesem Zusammenhang die folgenden weiteren interessanten Beobachtungen machen: (a) Zigarettenrauch fungiert ebenfalls als Stressfaktor und führt in Endothelzellen zuerst zur Produktion von HSP60. (b) Unter Verwendung einer Modifikation der sehr empfindlichen Atomic Force-Mikroskopie (AFM), die den Nachweis von einzelnen Molekülen an der Zelloberfläche erlaubt, konnten wir zeigen, dass klassische Atherosklerose-Risikofaktoren in Zellkultur wirklich zum Auftreten von HSP60 an der Oberfläche von menschlichen Endothelzellen führen. Diese HSP60 Moleküle sind nicht gleichmäßig verteilt, sondern lagern sich zu Molekülgruppen (Clusters) aneinander. (c) Damit eine Immunreaktion in Gang gesetzt und aufrecht erhalten werden kann, müssen den Zellen des Immunsystems die entsprechenden die Immunreaktion stimulierenden Stoffe (sog. Antigene) in geeigneter Form dargeboten (präsentiert) werden. Dazu ist das Vorhandensein einer speziellen weiteren Art von Zellen, der sogenannten Antigen-präsentierenden Zellen (auch dendritische Zellen genannt) notwendig. Wir konnten erstmals zeigen, dass überraschenderweise in der innersten Schicht unserer Arterien ein bisher nicht bekanntes kompliziertes Netzwerk solcher Antigen-präsentierender Zellen vorhanden ist, und damit die Voraussetzungen für das Ingangsetzen einer lokalen Immunreaktion gegen HSP60 gegeben sind. (d) Es ist seit langem bekannt, dass eine Arterie des menschlichen Körpers, die Arteria mammaria interna (AMI), keine Atherosklerose entwickelt, selbst wenn die Erkrankung in anderen arteriellen Versorgungsgebieten auftritt. Dies dürfte auf die besonderen Strömungsverhältnisse in der AMI zurückzuführen sein. Diese Beobachtung hat auch praktische Bedeutung, da die AMI vorzugsweise für Bypass-Operationen im Bereich der Herzkranzgefäße verwendet wird. Wir haben deshalb ein Kooperationsprojekt mit dem Kantonsspital Basel, Schweiz, begonnen, bei dem mittels der Gewebe-Mikronetzwerk (tissue microarray) - Methode am Beispiel der AMI der Alterungsprozess von Arterien untersucht wird, ohne dass dieser durch eine gleichzeitig ablaufende Gefäßerkrankung verfälscht wird. Bei der Tissue-Microarray-Methode werden kleinste mikroskopische Gewebsschnitte in vielfacher Ausfertigung - ähnlich einem elektronischen Mikrochip - auf Glasplättchen aufgebracht und in vergleichender Weise mit modernsten mikroskopischen Methoden untersucht. (e) In einer Studie an 17- bis 18-jährigen männlichen Stellungspflichtigen (Atherosclerosis Risk Factors in Male Youngsters - ARMY-Studie) konnten wir zeigen, dass bereits 28% dieser jungen, klinisch gesunden Kohorte an mindestens einer von acht mit Ultraschall gemessenen Stellen verdickte Arterienwände im Sinne einer beginnenden Atherosklerose aufweisen. Diese pathologischen Veränderungen korrelieren hochsignifikant mit dem Nachweis einer Immunreaktion gegen HSP60 im Blut. (f) In einer soeben begonnenen, aber noch nicht abgeschlossenen, analogen Studie bei jungen Frauen (Atherosclerosis Risk Factors in Female Youngsters - ARFY-Studie) scheinen sich diese bei jungen Männern erhobenen alarmierenden Befunde zu bestätigen.