Regulation der parazellulären Durchlässigkeit durch Zytokine

Hintergrund: Die Durchlässigkeit von epithelialen Barrieren wird durch die "junctional complexes" der Schlussleisten reguliert. Diese werden durch Multiproteinkomplexe gebildet, die an den Kontaktstellen zwischen benachbarten Zellen lokalisiert sind. Verschiedene Medikamente und Toxine verursachen eine Erhöhung der parazellulären Durchlässigkeit, was unerwünschte Nebenwirkung auslösen kann. Zudem wird eine Veränderung der epithelialen Durchlässigkeit bei akuten und chronischen Erkrankungen beobachtet. Vielfach sind Zytokine die Auslöser dieser Effekte. Die genauen intrazellulären Vorgänge und molekularen Mechanismen, die der Regulation der parazellulären Durchlässigkeit zugrunde liegen, sind aber noch weitgehend unbekannt. Ziele: Wir planen deshalb, die intrazellulären Signalwege zu untersuchen, die durch Zytokine aktiviert werden und die parazelluläre Durchlässigkeit regulieren. Aus unseren Voruntersuchungen ist bekannt, dass der sogenannte "mitogen activated protein kinase (MAPK)" Signalweg in der Vermittlung des IFNalpha -Signals zu den Proteinkomplexen der Schlussleisten eine Schlüsselrolle spielt. Ausgehend von diesem Befund haben wir das vorliegende Projekt auf drei Kernfragen aufgebaut, deren Beantwortung wir als Voraussetzung für das Verständnis der Regulation der parazellulären Durchlässigkeit von Epithelien ansehen: 1. Wie kann ein universell benutzter Signalweg wie der MAPK -Weg eine spezifische zelluläre Antwort bewirken, d.h. wie unterscheidet die Zelle zwischen MAPK nach IFNalpha -Stimulation und MAPK, die nach Stimulation mit Wachstumsfaktoren aktiv ist und die Zelle dazu bringt, sich zu teilen? 2. Wie wirkt das MAPK -Signal auf die Proteinkomplexe der "junctional complexes" (Schlussleisten)? 3. Wird der MAPK -Weg nur von IFNalpha zur Signaltransduktion zu den "junctional complexes" (Schlussleisten) benutzt oder hat der gefundene Mechanismus eine generelle Bedeutung für die Regulation der parazellulären Permeabilität von Epithelien? Methodologie: Unsere Modellsysteme sind Zellkulturen, die mit den Zytokinen IFNalpha IFNgamma and TNFalpha behandelt werden. Diese in vitro -Systeme sind geeignet, um die intrazellulären Signalwege zu untersuchen (mit Hilfe von Immunofluoreszenz, konfokaler Mikroskopie, Elektronenmikroskopie, subzellulärer Fraktionierung, Immunprezipitationen, Western blotting, in vitro kinase-Assays). Implikationen: Das Verständnis der Zytokin-vermittelten Regulation der parazellulären Durchlässigkeit kann die Entwicklung neuer Strategien zur Therapie von bislang unzureichend behandelbaren Krankheiten erleichtern, z.B. chronische entzündliche Erkrankungen oder Bildung von Tumormetastasen.

Typ I Interferone, wie IFNalpha, sind zentrale Elemente des Immunsystems. Sie werden von aktivierten Immunzellen freigesetzt und sind nicht nur für die Immunabwehr von Bedeutung, sondern beeinflussen auch normale Gewebsfunktionen. Unsere in vitro Studien haben gezeigt, dass IFNalpha die Barrierefunktion von renalen Epithelien beeinträchtigt. Gleichzeitig löste die IFNalpha-Behandlung eine erhöhte Zelltodrate durch Apoptose aus (Lechner et al., Am J Physiol Cell Physiol 294, C153-60, 2008). Die erhöhte Apoptoserate war aber nicht die Ursache für die Destabilisierung der Barrierefunktion durch IFNalpha. Eine Blockierung des ERK1/2 abhängigen MAP-Kinase Signalweges, hingegen, konnte die Wirkung von IFNalpha auf die Barrierefunktion erheblich reduzieren. Behandlung mit EGF, einem Wachstumsfaktor, zeigte ebenfalls Auswirkungen auf die Barrierefunktion, allerdings in entgegengesetzter Richtung: die epitheliale Barriere wurde dichter. Deshalb stellten wir die Frage, ob die Barrierestabilisierung durch EGF die Wirkung von IFNalpha aufheben könnte. EGF konnte die Barrieredestabilisierung durch IFNalpha aber nicht verhindern, sondern erhöhte die Durchlässigkeit noch. Wir konnten herausfinden, dass der ERK1/2-Signalweg dafür verantwortlich war und dass der Effekt mit einer Erhöhung der Proliferationsrate korrelierte. Im Gegensatz dazu bewirkte EGF in der Erholungsphase nach Ende der IFNalpha-Behandlung eine Beschleunigung der Barrierereparatur. Diese Wirkung war nicht von einer erhöhten Zellproliferationsrate abhängig, sondern korrelierte mit einer beschleunigten Abschaltung von Apoptose- vermittelnden Signalwegen. Wir zogen aus diesen Resultaten die Schlussfolgerung, dass der Zeitpunkt der EGF Aktivierung darüber bestimmt, ob EGF die Schädigung intensiviert oder repariert. Folglich hängt das Ausmaß von Gewebeschädigungen entscheidend davon ab, wann Reparaturfaktoren freigesetzt werden (Lechner et al., Am J Physiol Cell Physiol 293, C1843-50, 2007). Solche Vorgänge könnten in vivo eine Rolle bei Entzündungsprozessen spielen, wenn epitheliale Gewebe hohen lokalen Konzentrationen von Zytokinen ausgesetzt sind. Wenn Reparaturprozesse zu früh aktiviert werden, könnte eine weitere Intensivierung der Gewebeschädigung erfolgen. Die betroffenen Stellen wären dann aufgrund der erhöhten proliferativen Stimulation mögliche Ausgangspunkte für fibrotische Gewebeveränderungen und Tumorentstehung. Eine gestörte Barrierefunktion könnte darüber hinaus die metastatische Verbreitung von Tumorzellen fördern. Diese Zusammenhänge bedeuten, dass unsere Projektergebnisse nicht nur das Wissen über Zytokinwirkungen erweitert haben, sondern darüber hinaus in Zukunft Verbesserungen in der Diagnose, Prognose und Therapie von entzündlichen Erkrankungen, toxischem Organversagen und Tumorerkrankungen ermöglichen könnten.