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11,3G: Entzündung - Biologie

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Lernziele

  1. Beschreiben Sie die 4 Prozesse, die den Entzündungsmechanismus ausmachen.
  2. Beschreiben Sie kurz die verschiedenen positiven Wirkungen von Entzündungen, die mit Plasmalecks und mit Diapedese verbunden sind.
  3. Beschreiben Sie kurz den Prozess der Diapedese und geben Sie die Rolle von P-Selectinen, Integrinen und Adhäsionsmolekülen an.
  4. Beschreiben Sie kurz das Heilungsstadium der Entzündung.
  5. Beschreiben Sie kurz die Probleme, die sich aus einer chronischen Entzündung ergeben.

Die Entzündungsreaktion ist ein Versuch des Körpers, die Homöostase nach einer Verletzung wiederherzustellen und aufrechtzuerhalten, und ist ein wesentlicher Bestandteil der Körperabwehr. Die meisten Abwehrelemente des Körpers befinden sich im Blut und Entzündungen sind das Mittel, durch das Körperabwehrzellen und Abwehrchemikalien das Blut verlassen und in das Gewebe um die verletzte oder infizierte Stelle eindringen. Eine Entzündung ist im Wesentlichen von Vorteil, jedoch kann eine übermäßige oder anhaltende Entzündung Schaden anrichten.

Der Mechanismus der Entzündung

Im Wesentlichen bilden vier Prozesse den Entzündungsmechanismus:

A. Glatte Muskeln um größere Blutgefäße ziehen sich zusammen, um den Blutfluss durch die Kapillarbetten an der infizierten oder verletzten Stelle zu verlangsamen. Dies gibt den Leukozyten mehr Gelegenheit, an den Wänden der Kapillare zu haften und in das umgebende Gewebe auszupressen.

B. Die Endothelzellen, die die Wand der kleineren Blutgefäße bilden, ziehen sich zusammen. Dies vergrößert den Raum zwischen den Endothelzellen, was zu einer erhöhten Kapillarpermeabilität führt. Da diese Blutgefäße dadurch im Durchmesser größer werden, nennt man den Vorgang Vasodilatation (siehe Abbildung (PageIndex{1})).

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines Querschnitts einer Kapillare, die eine Endothelzelle und eine Kapillare mit einem roten Blutkörperchen zeigt; mit freundlicher Genehmigung von Dennis Kunkel's Microscopy).

C. Moleküle, die Selectine genannt werden, werden auf der Membran der Leukozyten produziert und können reversibel an entsprechende Selectin-Glykoprotein-Rezeptoren an der Innenwand der Venolen binden. Diese reversible Bindung ermöglicht es dem Leukozyten, entlang der Innenwand der Venule zu rollen. An der Oberfläche der Endothelzellen an der Innenwand der Kapillaren werden Adhäsionsmoleküle aktiviert. Entsprechende Moleküle auf der Oberfläche von Leukozyten, die als Integrine bezeichnet werden, heften sich an diese Adhäsionsmoleküle, wodurch sich die Leukozyten abflachen und durch den Raum zwischen den Endothelzellen quetschen können. Dieser Vorgang wird als Diapedese oder Extravasation bezeichnet.

D. Die Aktivierung des Gerinnungsweges bewirkt, dass Fibringerinnsel die infektiösen Mikroben physisch einfangen und ihr Eindringen in den Blutkreislauf verhindern. Dies löst auch die Blutgerinnung in den umgebenden kleinen Blutgefäßen aus, um sowohl die Blutung zu stoppen als auch das Eindringen der Mikroorganismen in den Blutkreislauf weiter zu verhindern.

YouTube-Film und Animation von Leukozyten-Extravasation (Diapedese)
von ImmuneDocumentary

3D-Animation, die illustriert, wie weiße Blutkörperchen die Kapillaren verlassen und in das Gewebe eindringen (Diapedese) sowie das Endomembransystem in den Leukozyten.
Von der Harvard University, Das innere Leben der Zelle. Das Laden dieser Animation dauert einige Zeit.

Diese vier Ereignisse werden durch eine Vielzahl chemischer Entzündungsmediatoren ausgelöst und verstärkt. Wir werden nun die Entzündungsreaktion in zwei Stadien einteilen: frühe Entzündung und späte Entzündung.

Frühe Entzündung und Diapedese

Die meisten Leukozyten-Diapedesen (Extravasationen) treten in postkapillären Venolen auf, da die hämodynamischen Scherkräfte in diesen Venolen geringer sind. Dadurch können sich Leukozyten leichter an die Innenwand des Gefäßes anlagern und zwischen den Endothelzellen herausquetschen. Wir werden uns diesen Prozess im Folgenden genauer ansehen.

  1. In den sehr frühen Stadien der Entzündung lösen Reize wie Verletzungen oder Infektionen die Freisetzung einer Vielzahl von Entzündungsmediatoren wie Leukotrienen, Prostaglandinen und Histamin aus. Die Bindung dieser Mediatoren an ihre Rezeptoren auf Endothelzellen führt zu Vasodilatation, Kontraktion von Endothelzellen und erhöhter Blutgefäßpermeabilität. Außerdem wird die die Kapillaren umgebende Basalmembran neu angeordnet, um die Migration von Leukozyten und die Bewegung von Plasma-Makromolekülen aus den Kapillaren in das umgebende Gewebe zu fördern. Mastzellen im Bindegewebe sowie Basophile, Neutrophile und Blutplättchen, die aus verletzten Kapillaren das Blut verlassen, setzen Vasodilatatoren wie Histamin, Leukotriene, Kinine und Prostaglandine frei oder stimulieren deren Synthese. Bestimmte Produkte der Komplementwege (C5a und C3a) können an Mastzellen binden und deren Freisetzung ihrer vasoaktiven Wirkstoffe auslösen. Darüber hinaus aktiviert eine Gewebeschädigung die Gerinnungskaskade und die Produktion von Entzündungsmediatoren wie Bradykininen.
  2. Die Bindung von Histamin an Histaminrezeptoren auf Endothelzellen löst eine Hochregulation von P-Selectin-Molekülen und Thrombozyten-aktivierendem Faktor oder PAF auf den Endothelzellen aus, die die Venolen auskleiden.
  3. Die P-Selectine sind dann in der Lage, reversibel an entsprechende P-Selectin-Glycoproteinliganden (PSGL-1) auf Leukozyten zu binden. Diese reversible Bindung ermöglicht es dem Leukozyten, nun entlang der Innenwand der Venule zu rollen.
  4. Die Bindung von PAF an seinen entsprechenden Rezeptor PAF-R auf dem Leukozyten reguliert die Oberflächenexpression eines Integrins namens Leukozytenfunktions-assoziiertes Molekül-1 (LFA-1) auf der Oberfläche des Leukozyten.
  5. Die LFA-1-Moleküle auf den rollenden Leukozyten können nun fest an ein Adhäsionsmolekül namens interzelluläres Adhäsionsmolekül-1 (ICAM-1) binden, das sich auf der Oberfläche der Endothelzellen befindet, die die Innenwand des Blutgefäßes bilden (siehe Abbildung ( PageIndex{4})).
  6. Die Leukozyten glätten sich, quetschen sich zwischen die verengten Endothelzellen und bauen mit Enzymen die Matrix auf, die die Basalmembran um das Blutgefäß bildet. Die Leukozyten wandern dann zu chemotaktischen Wirkstoffen wie dem Komplementprotein C5a und Leukotrien B4 von Zellen an der Infektions- oder Verletzungsstelle erzeugt (siehe Abbildung (PageIndex{5})).

Späte Entzündung und Diapedese

1) In der Regel innerhalb von zwei bis vier Stunden nach den frühen Stadien der Entzündung setzen aktivierte Makrophagen und vaskuläre Endothelzellen entzündliche Zytokine wie TNF und IL-1 frei, wenn ihre Toll-like-Rezeptoren pathogenassoziierte molekulare Muster binden – molekulare Komponenten, die mit Mikroorganismen assoziiert sind, aber nicht als Teil von eukaryotischen Zellen gefunden. Dies ermöglicht es vaskulären Endothelzellen benachbarter Venolen, ihre Expression von Adhäsionsmolekülen wie P-Selectinen, E-Selectinen, interzellulären Adhäsionsmolekülen (ICAMs) und Chemokinen zu erhöhen.

2) Die Bindung von TNF und IL-1 an Rezeptoren auf Endothelzellen löst und erhält die Entzündungsreaktion durch Hochregulierung der Produktion des Adhäsionsmoleküls E-Selectin und Aufrechterhaltung der P-Selectin-Expression auf den Endothelzellen, die die Venolen auskleiden, aufrecht.

3). Die E-Selectine auf der inneren Oberfläche der Endothelzellen können nun fest an ihr entsprechendes Integrin E-Selectin Ligand-1 (ESL-1) auf Leukozyten binden (siehe Abbildung (PageIndex{4})).

4) Die Leukozyten glätten sich, quetschen sich zwischen die verengten Endothelzellen und bewegen sich durch die Basalmembran, während sie von Chemokinen wie Interleukin-8 (IL-8) und Monozyten-chemotaktisches Protein-1 (MCP-1) angezogen werden, das von Zellen an der Infektions- oder Verletzungsstelle (siehe Abbildung (PageIndex{5})). Das Austreten von Fibrinogen und Plasmafibronectin bildet dann ein molekulares Gerüst, das die Migration und Retention von Leukozyten an der infizierten Stelle fördert.

Vorteile von Entzündungen

Als Ergebnis dieser erhöhten Durchlässigkeit:

A. Plasma fließt aus dem Blut in das Gewebe.

Zu den nützlichen Molekülen im Plasma (siehe Abbildung (PageIndex{2})) gehören:

1. Gerinnungsfaktoren. Gewebeschäden aktivieren die Gerinnungskaskade, wodurch sich Fibringerinnsel bilden, um die Infektion zu lokalisieren, die Blutung zu stoppen und Fresszellen chemotaktisch anzuziehen.

2. Antikörper. Diese helfen, die Wirkung von Mikroben durch eine Vielzahl von Methoden zu entfernen oder zu blockieren, die in Einheit 6 erklärt werden.

3. Proteine ​​der Komplementwege. Diese wiederum: 1) stimulieren mehr Entzündungen (C5a, C3a und C4a), 2) kleben Mikroorganismen an Fresszellen (C3b und C4b), 3) ziehen Fresszellen chemotaktisch an (C5a) und 4) lysieren membrangebundene Zellen, die Fremdkörper zeigen Antigene (Membranangriffskomplex oder MAC).

4. Nährstoffe. Diese ernähren die Zellen des entzündeten Gewebes.

5. Lysozym, Cathelicidine, Phospholipase A2und menschliche Defensine. Lysozym baut Peptidoglycan ab. Cathelicidine werden in zwei Peptide gespalten, die für Mikroben direkt toxisch sind und LPS aus der gramnegativen Bakterienzellwand neutralisieren können. Phospholipase A2 hydrolysiert die Phospholipide in der bakteriellen Zytoplasmamembran. Menschliche Defensine legen Poren in die Zytoplasmamembranen vieler Bakterien. Defensine aktivieren auch Zellen, die an der Entzündungsreaktion beteiligt sind.

6. Transferrin.Transferrin entzieht Mikroben das benötigte Eisen.

B. Leukozyten dringen in das Gewebe durch einen Prozess ein, der als Diapedese oder Extravasation bezeichnet wird und oben unter frühe Entzündung und späte Entzündung diskutiert wurde.

Zu den Vorteilen der Diapedese gehören (siehe Abbildung (PageIndex{2})):

1. Erhöhte Phagozytose. Neutrophile, Monozyten, die sich beim Eintritt in das Gewebe zu Makrophagen differenzieren, und Eosinophile sind phagozytische Leukozyten.

2. Mehr Vasodilatation. Basophile, Eosinophile, Neutrophile und Blutplättchen dringen in das Gewebe ein und setzen vasoaktive Mittel frei oder stimulieren deren Produktion, die Entzündungen fördern.

3. Zytotoxische T-Lymphozyten (CTLs), Effektor-T4-Zellen und NK-Zellen dringen in das Gewebe ein, um Zellen wie infizierte Zellen und Krebszellen abzutöten, die auf ihrer Oberfläche fremde Antigene aufweisen (diskutiert in Einheit 6).

Zytokine, die Chemokine genannt werden, sind in diesem Teil der Entzündungsreaktion besonders wichtig. Sie spielen eine Schlüsselrolle bei der Diapedese – sie ermöglichen es weißen Blutkörperchen, an der inneren Oberfläche von Blutgefäßen zu haften, aus den Blutgefäßen in das Gewebe zu wandern und chemotaktisch von der verletzten oder infizierten Stelle angezogen zu werden. Sie lösen auch extrazelluläre Abtötung durch Neutrophile aus.

Schließlich setzen Makrophagen innerhalb von 1 bis 3 Tagen die Zytokine Interleukin-1 (IL-1) und Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-a) frei. Diese Zytokine stimulieren NK-Zellen und T-Lymphozyten, das Zytokin Interferon-gamma zu produzieren. (WENN-?). Das WENN-? bindet dann an Rezeptoren auf Makrophagen, wodurch sie den Fibroblasten-Wachstumsfaktor und angiogenetische Faktoren für den Gewebeumbau produzieren. Mit der Vermehrung von Endothelzellen und Fibroblasten bilden Endothelzellen ein feines Netzwerk neuer Kapillaren in den verletzten Bereich, um das entzündete Gewebe mit Blut, Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. Die Fibroblasten lagern das Protein Kollagen im verletzten Bereich ab und bilden eine Brücke aus bindegewebigem Narbengewebe, um den offenen, freigelegten Bereich zu verschließen. Dies wird als Fibrose oder Narbenbildung bezeichnet und stellt die letzte Heilungsphase dar.

Entzündungen werden normalerweise sorgfältig durch Zytokine reguliert. Entzündliche Zytokine wie Interferon-gamma und Interleukin-12 verstärken die Entzündungsreaktion, während das Zytokin Interleukin-10 die Entzündung hemmt, indem es die Expression von Entzündungszytokinen verringert.

Wie man sieht, ist eine akute Entzündung für die Körperabwehr unerlässlich. Chronische Entzündungen können jedoch zu erheblichen Gewebeschäden und Narbenbildung führen. Bei längerer erhöhter Kapillarpermeabilität verlassen Neutrophile kontinuierlich das Blut und reichern sich im Gewebe an der infizierten oder verletzten Stelle an. Wenn sie ihren lysosomalen Inhalt und reaktive Sauerstoffspezies oder ROS abgeben, wird umliegendes Gewebe zerstört und schließlich durch Narbengewebe ersetzt. Möglicherweise müssen entzündungshemmende Mittel wie Antihistaminika oder Kortikosteroide verabreicht werden, um die Symptome zu lindern oder Gewebeschäden zu reduzieren.

Wie beispielsweise in Einheit 3 ​​gelernt wurde, werden bei schweren systemischen Infektionen mit einer großen Anzahl vorhandener Mikroorganismen hohe Mengen an Pathogen-assoziierten molekularen Mustern (PAMPs) freigesetzt, was zu einer übermäßigen Zytokinproduktion durch Makrophagen führt und den Körper schädigen kann. Darüber hinaus beginnen Neutrophile, ihre Proteasen und reaktiven Sauerstoffspezies freizusetzen, die nicht nur die Bakterien, sondern auch das umliegende Gewebe töten. Schädliche Wirkungen umfassen hohes Fieber, Hypotonie, Gewebezerstörung, Auszehrung, akutes Atemnotsyndrom oder ARDS, disseminierte intravaskuläre Gerinnung oder DIC, Schädigung des vaskulären Endothels, Hypovolämie und verminderte Durchblutung von Geweben und Organen, die zu Schock führen, Multisystemorgan Versagen (MOSF) und oft Tod. Diese übermäßige Entzündungsreaktion wird als systemisches Entzündungsreaktionssyndrom oder SIRS oder Schockkaskade bezeichnet.

Übung: Think-Pair-Share-Fragen

  1. Beschreiben Sie kurz die Mechanismen, die es ermöglichen, den Blutfluss an einer Infektionsstelle zu verlangsamen und Fresszellen, Komplementproteine ​​und Antikörper an die Infektionsstelle zu bringen.
  2. Warum ist es wichtig, Plasma an eine Infektionsstelle zu liefern?
  3. Warum ist es wichtig, dass während einer Entzündung eine Diapedese auftritt?

Chronische Entzündungen tragen auch zu Herzerkrankungen, Alzheimer, Diabetes und Krebs bei.

  • Im Falle von Krebs wird vorgeschlagen, dass, wenn Makrophagen entzündliche Zytokine wie TNF-alpha produzieren, diese Zytokine einen Genschalter in der Krebszelle aktivieren, der die Synthese von Proteinen einschaltet, die die Zellreplikation und Entzündung fördern und gleichzeitig die Apoptose des Krebszelle.
  • Bei Herzerkrankungen wird angenommen, dass Makrophagen Lipoproteine ​​niedriger Dichte oder LDL, das schlechte Cholesterin, verdauen und dann in einer faserigen Kappe eingeschlossen sind, die arterielle Plaque bildet.
  • Bei Diabetes wird angenommen, dass der metabolische Stress der Fettleibigkeit Zellen des angeborenen Immunsystems und Fettzellen dazu anregt, Zytokine wie TNF-alpha zu produzieren, die die normale Funktion des Insulins beeinträchtigen können.
  • Bei der Alzheimer-Krankheit interagieren Mikrogliazellen, Makrophagen-ähnliche Zellen im Gehirn, mit den Beta-Amyloid-Proteinen, die sich in Neuronen von Alzheimer-Kranken aufbauen und anschließend entzündliche Zytokine und freie Radikale produzieren, die die Neuronen zerstören.

Zusammenfassung

  1. Die meisten Abwehrelemente des Körpers befinden sich im Blut und Entzündungen sind das Mittel, durch das Körperabwehrzellen und Abwehrchemikalien das Blut verlassen und in das Gewebe um die verletzte oder infizierte Stelle eindringen.
  2. Als Teil des Entzündungsmechanismus ziehen sich glatte Muskeln um größere Blutgefäße herum zusammen, um den Blutfluss durch die Kapillarbetten an der infizierten oder verletzten Stelle zu verlangsamen. Dies gibt den Leukozyten mehr Gelegenheit, an den Wänden der Kapillare zu haften und in das umgebende Gewebe auszupressen.
  3. Als Teil des Entzündungsmechanismus ziehen sich die Endothelzellen, die die Wand der kleineren Blutgefäße bilden, zusammen. Dies vergrößert den Raum zwischen den Endothelzellen, was zu einer erhöhten Kapillarpermeabilität führt.
  4. Als Teil des Entzündungsmechanismus werden Adhäsionsmoleküle auf der Oberfläche der Endothelzellen an der Innenwand der Kapillaren aktiviert und entsprechende Moleküle auf der Oberfläche von Leukozyten, die Integrine genannt werden, heften sich an diese Adhäsionsmoleküle, sodass sich die Leukozyten abflachen und durch die Raum zwischen den Endothelzellen. Dieser Vorgang wird als Diapedese oder Extravasation bezeichnet.
  5. Als Teil des Entzündungsmechanismus bewirkt die Aktivierung des Gerinnungswegs, dass Fibringerinnsel die infektiösen Mikroben physisch einfangen und ihr Eindringen in den Blutkreislauf verhindern.
  6. Akute Entzündungen sind wichtig für die Abwehr des Körpers.
  7. Als Ergebnis dieser erhöhten Permeabilität fließt Plasma aus dem Blut in das Gewebe und liefert Gerinnungsfaktoren, Antikörpermoleküle, Proteine ​​des Komplementweges, Nährstoffe, antibakterielle Enzyme und Peptide sowie Transferrin für die angeborene Körperabwehr.
  8. Als Ergebnis dieser erhöhten Permeabilität dringen Leukozyten in das Gewebe ein und liefern phagozytische Zellen, entzündungsauslösende Zellen, zytotoxische T-Lymphozyten, Effektor-T4-Lymphozyten und NK-Zellen.
  9. Entzündliche Zytokine ermöglichen es auch Endothelzellen, ein feines Netzwerk neuer Kapillaren in den verletzten Bereich zu bilden, um das entzündete Gewebe mit Blut, Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen, und ermöglichen es Fibroblasten, das Protein Kollagen im verletzten Bereich abzulagern und eine Brücke aus Bindenarben zu bilden Gewebe, um den offenen, exponierten Bereich zu verschließen.
  10. Chronische Entzündungen können zu erheblichen Gewebeschäden und Narbenbildung führen, vor allem zur extrazellulären Abtötung durch Fresszellen und Minderdurchblutung.
  11. Es wird angenommen, dass chronische Entzündungen auch zu Herzerkrankungen, Alzheimer, Diabetes und Krebs beitragen.

Entzündungen können entweder kurzlebig sein (akut) oder langlebig (chronisch). Akute Entzündungen verschwinden innerhalb von Stunden oder Tagen. Chronische Entzündungen können Monate oder Jahre andauern, selbst nachdem der erste Auslöser verschwunden ist. Zu den mit chronischer Entzündung verbundenen Zuständen gehören:

Einige Arten von Arthritis sind das Ergebnis einer Entzündung, wie zum Beispiel:

Andere schmerzhafte Erkrankungen der Gelenke und des Bewegungsapparates, die möglicherweise nicht mit einer Entzündung zusammenhängen, sind Osteoarthritis, Fibromyalgie, muskuläre Rückenschmerzen und muskuläre Nackenschmerzen.


Scott Brakenridge, M.D., MSCS

Scott Brakenridge, M.D., MSCS., ist Assistenzprofessor für Chirurgie im Akutchirurgieteam von UF Health. Dr. Brakenridge kam 2013 zur UF-Fakultät, um mit dem multidisziplinären Forschungsteam zusammenzuarbeiten, das das anhaltende Entzündungs-/Immunsuppressions- und Katabolismus-Syndrom (PICS) untersucht, das nach einer chirurgischen Sepsis auftritt. Derzeit ist er einer der Hauptprüfer für einen vom NIH finanzierten P50-Zentrumszuschuss für das UF Sepsis and Critical Illness Research Center zur Untersuchung des anhaltenden Entzündungs-, Immunsuppressions- und Katabolismus-Syndroms (PICS) nach Sepsis bei Patienten auf chirurgischen Intensivstationen. Zu seinen aktuellen Forschungsprojekten gehören:

Persistierendes Entzündungs-/Immunsuppressions- und Katabolismussyndrom (PICS) – Fortschritte in der Intensivmedizin in den letzten zwei Jahrzehnten haben die Krankenhaussterblichkeit nach Sepsis bei chirurgischen und traumatisierten Patienten signifikant gesenkt. Anstatt jedoch an septischem Schock und plötzlichem Multiorganversagen zu sterben, überleben Patienten mit einem längeren Verlauf einer chronischen kritischen Krankheit. Als wir die Epidemiologie dieser Patienten untersuchten, stellten wir fest, dass viele der Überlebenden mit beherrschbaren Organdysfunktionen auf der Intensivstation blieben.Ihr klinischer Verlauf ist gekennzeichnet durch rezidivierende entzündliche Insulte (z. B. Wiederholungsoperationen und nosokomiale Infektionen, die aus einem Krankenhaus stammen), eine anhaltende Akut-Phase-Reaktion mit anhaltendem Verlust an fettfreier Körpermasse trotz optimaler Ernährungsunterstützung, schlechter Wundheilung und Dekubitus. Diese Patienten (insbesondere ältere Menschen) werden häufig mit erheblichen kognitiven und funktionellen Beeinträchtigungen in Langzeit-Akutpflegeeinrichtungen und qualifizierte Pflegeeinrichtungen entlassen, von denen sie sich selten vollständig erholen. Nur wenige kehren jemals zu einer unabhängigen Funktion zurück und mehr als 60 Prozent dieser Patienten sind innerhalb von zwei Jahren tot. Die Forscher im Labor für Entzündungsbiologie und chirurgische Wissenschaft von UF Health stellen die Hypothese auf, dass chronische kritische Erkrankungen, die durch PICS ausgelöst werden und durch morbide Langzeitergebnisse gekennzeichnet sind, heute die vorherrschende klinische Entwicklung bei Überlebenden einer Sepsis auf chirurgischen Intensivstationen darstellen.


Der endotheliale C3a-Rezeptor vermittelt vaskuläre Entzündungen und die Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke während des Alterns

2 Huffington Center on Aging, Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA.

3 Institut für systemische Entzündungsforschung, Zentrum für Infektiologie und Entzündungsforschung Lübeck, Universität zu Lübeck, Lübeck, Deutschland.

4 Abteilung für Molekulare und Humangenetik, Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA.

Schreiben Sie die Korrespondenz an: Hui Zheng, Huffington Center on Aging, Baylor College of Medicine, One Baylor Plaza, Houston, Texas 77030, USA. Telefon: 713.798.1568 E-Mail: [email protected] Aktuelle Adresse von AL: Department of Neurology, Washington University School of Medicine in St. Louis, St. Louis, Missouri, USA.

Artikel von Propson, N. finden in: JCI | PubMed | Google Scholar | />

1 Institut für Molekular- und Zellbiologie und

2 Huffington Center on Aging, Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA.

3 Institut für systemische Entzündungsforschung, Zentrum für Infektiologie und Entzündungsforschung Lübeck, Universität zu Lübeck, Lübeck, Deutschland.

4 Abteilung für Molekulare und Humangenetik, Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA.

Schreiben Sie die Korrespondenz an: Hui Zheng, Huffington Center on Aging, Baylor College of Medicine, One Baylor Plaza, Houston, Texas 77030, USA. Telefon: 713.798.1568 E-Mail: [email protected] Aktuelle Adresse von AL: Department of Neurology, Washington University School of Medicine in St. Louis, St. Louis, Missouri, USA.

Artikel von Roy, E. finden in: JCI | PubMed | Google Scholar | />

1 Institut für Molekular- und Zellbiologie und

2 Huffington Center on Aging, Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA.

3 Institut für systemische Entzündungsforschung, Zentrum für Infektiologie und Entzündungsforschung Lübeck, Universität zu Lübeck, Lübeck, Deutschland.

4 Abteilung für Molekulare und Humangenetik, Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA.

Schreiben Sie die Korrespondenz an: Hui Zheng, Huffington Center on Aging, Baylor College of Medicine, One Baylor Plaza, Houston, Texas 77030, USA. Telefon: 713.798.1568 E-Mail: [email protected] Aktuelle Adresse von AL: Department of Neurology, Washington University School of Medicine in St. Louis, St. Louis, Missouri, USA.

Artikel von Litvinchuk, A. finden in: JCI | PubMed | Google Scholar

1 Institut für Molekular- und Zellbiologie und

2 Huffington Center on Aging, Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA.

3 Institut für systemische Entzündungsforschung, Zentrum für Infektiologie und Entzündungsforschung Lübeck, Universität zu Lübeck, Lübeck, Deutschland.

4 Abteilung für Molekulare und Humangenetik, Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA.

Schreiben Sie die Korrespondenz an: Hui Zheng, Huffington Center on Aging, Baylor College of Medicine, One Baylor Plaza, Houston, Texas 77030, USA. Telefon: 713.798.1568 E-Mail: [email protected] Aktuelle Adresse von AL: Department of Neurology, Washington University School of Medicine in St. Louis, St. Louis, Missouri, USA.

1 Institut für Molekular- und Zellbiologie und

2 Huffington Center on Aging, Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA.

3 Institut für systemische Entzündungsforschung, Zentrum für Infektiologie und Entzündungsforschung Lübeck, Universität zu Lübeck, Lübeck, Deutschland.

4 Abteilung für Molekulare und Humangenetik, Baylor College of Medicine, Houston, Texas, USA.

Schreiben Sie die Korrespondenz an: Hui Zheng, Huffington Center on Aging, Baylor College of Medicine, One Baylor Plaza, Houston, Texas 77030, USA. Telefon: 713.798.1568 E-Mail: [email protected] Aktuelle Adresse von AL: Department of Neurology, Washington University School of Medicine in St. Louis, St. Louis, Missouri, USA.

Artikel von Zheng, H. finden in: JCI | PubMed | Google Scholar | />

Veröffentlicht 29. September 2020 - Mehr Infos

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Abstrakt

Eine vaskuläre Dysfunktion, die zu einer beeinträchtigten Integrität der Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​führt, zeigt sich im Alter und bei Krankheiten. Obwohl die Komplement-C3a/C3a-Rezeptor (C3a/C3aR)-Achse die normale Gehirnalterung und das Fortschreiten der Krankheit beeinflusst, sind die Mechanismen, die die endotheliale C3aR-vermittelte neurovaskuläre Entzündung und die BHS-Permeabilität steuern, noch unerforscht. In dieser Ausgabe des JCI beschreiben Propson et al. untersuchten die endotheliale C3a/C3aR-Signalgebung in normalen, gealterten und neurodegenerativen Mausmodellen. Endotheliale C3aR-Signalgebung modulierte altersabhängige Erhöhungen von VCAM1, initiierte die Infiltration peripherer Lymphozyten und verstärkte die Mikroglia-Aktivität. Erhöhte Calciumfreisetzung stromabwärts der C3aR-Signalgebung unterbrach die vaskulären endothelialen Cadherin-(VE-Cadherin)-Verbindungen, erhöhte die BHS-Permeabilität und verschlechterte die Gefäßstruktur und -funktion. Mäuse ohne C3aR (C3ar1–/–) und Mäuse, die mit einem C3aR-Antagonisten behandelt wurden, zeigten eine abgeschwächte altersbedingte Mikrogliareaktivität und Neurodegeneration. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die komplementvermittelte Signalübertragung die Gefäßgesundheit und die BHS-Funktion bei normalem Altern und neurodegenerativen Erkrankungen beeinflusst, was darauf hindeutet, dass Komplementinhibitoren eine therapeutische Option für zerebrale mikrovaskuläre Dysfunktion darstellen.

Autoren

Kanchan Bhatia, Saif Ahmad, Adam Kindelin, Andrew F. Ducruet

Funktionsstörungen des Immun- und Gefäßsystems wurden mit dem Altern und der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht, ihre Wechselbeziehungen sind jedoch noch wenig verstanden. Der Komplementweg ist ein gut etablierter Regulator der angeborenen Immunität im Gehirn. Hier berichten wir über einen robusten altersabhängigen Anstieg der vaskulären Entzündung, der peripheren Lymphozyteninfiltration und der Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke (BBB). Diese Phänotypen wurden durch globale Inaktivierung und durch endothelzellspezifische Ablation von C3ar1. Mithilfe eines in vitro-Modells der BHS identifizierten wir intrazelluläres Ca 2+ als nachgeschalteten Effektor der C3a/C3aR-Signaltransduktion und als funktionellen Mediator der vaskulären endothelialen Cadherin-Verbindung und Barriereintegrität. Endothelial C3ar1 Die Inaktivierung dämpfte auch die Mikroglia-Reaktivität und verbesserte das Hippocampus- und Kortikalvolumen im alternden Gehirn, was ein Crosstalk zwischen der Dysfunktion der Hirngefäße und der Aktivierung von Immunzellen und Neurodegeneration demonstriert. Darüber hinaus wurde auch in einem tau-transgenen Mausmodell eine prominente C3aR-abhängige Gefäßentzündung beobachtet. Unsere Studien legen nahe, dass eine erhöhte C3a/C3aR-Signalgebung durch Endothelzellen Gefäßentzündungen und BHS-Dysfunktion fördert und zur allgemeinen Neuroinflammation bei Alterung und neurodegenerativen Erkrankungen beiträgt.

Der natürliche Alterungsprozess umfasst funktionelle und strukturelle Veränderungen im Gehirn (1, 2), und diese Veränderungen spielen nachweislich eine Rolle bei einer verminderten Fitness neuraler Stammzellen, einer veränderten Kognition und einer erhöhten Anfälligkeit für neurodegenerative Erkrankungen (1, 3, 4 .). ). Eine solche altersabhängige Veränderung mit potenziell kausalem Zusammenhang sowohl mit normalem Rückgang als auch mit Krankheit ist die Dysfunktion der Blut-Hirn-Schranke (BBB). Die BHS besteht aus Endothelzellen, Astrozyten und Perizyten, und eine intakte BHS ist für die Gesundheit des Gehirns unerlässlich (5). Es wird angenommen, dass der Verlust der Gefäßintegrität eine BHS-Dysfunktion antreibt und bei zahlreichen neurologischen Erkrankungen, insbesondere Schädel-Hirn-Trauma (6) und Schlaganfall (7), und oft komorbid bei Neurodegeneration (8), zu finden ist. Die Mechanismen, die Veränderungen der Hirngefäße und ihre Folgen für die ZNS-Funktion, insbesondere während des Alterns, steuern, bleiben jedoch unklar.

Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass altersbedingte Veränderungen im Gehirn, eine Verschlechterung der Kognition und eventuelle Demenz eine vaskuläre Komponente aufweisen (9, 10). Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass eine vaskuläre Entzündung, die durch eine erhöhte endotheliale Expression des vaskulären Zelladhäsionsmoleküls VCAM1 gekennzeichnet ist, die ZNS-Alterung durch eine Verringerung der neuralen Stammzellzahl und eine Erhöhung der Mikrogliareaktivität fördert (11). Es wurde auch festgestellt, dass erhöhte VCAM1-Spiegel mit der Schwere der Parkinson-Krankheit korrelieren (12), und kürzlich wurden Lymphozyten, von denen bekannt ist, dass sie VCAM1 im Gehirngefäßsystem binden, bei älteren Patienten und den Gehirnen von Patienten mit Alzheimer-Krankheit gefunden (13, 14). Eine Einzelzell-Transkriptomanalyse von Hirnendothelzellen des Hippocampus hat gezeigt, dass altersbedingte Veränderungen in diesen Zellen auf Reaktionen auf angeborene Entzündungssignale, hypoxische Reize und oxidativen Stress zurückzuführen sind (15). Zusammengenommen legen diese Studien einen signifikanten entzündlichen Übergang in den Hirngefäßen mit dem Alter und das Potenzial für einen kausalen Zusammenhang mit ZNS-Erkrankungen nahe.

Einige Studien zu Blutplasmakomponenten haben zirkulierende Faktoren bei der Aufrechterhaltung oder Verringerung der Gehirngesundheit während des Alterns impliziert (16), und andere, die lokale Entzündungssignale im ZNS untersuchten, haben die inhärente Fähigkeit von Glia zur Modulation von Neuroinflammation hervorgehoben (17). Einer der primären Signalmechanismen des angeborenen Immunsystems, die an der Neuroinflammation beteiligt sind, ist der Komplementweg. Komplementkomponenten werden von Zellen des ZNS exprimiert und sollen die ZNS-Alterung und das Fortschreiten der neurodegenerativen Erkrankung beeinflussen (18). Insbesondere die Komplementkomponente C3 ist in der Lage, altersbedingte und neurodegenerative Veränderungen im ZNS zu potenzieren (19 – 22). Das aktive Signalpeptid von C3, C3a, wird durch Spaltung durch das extrazelluläre Enzym C3-Konvertase freigesetzt. Nach der Spaltung signalisiert C3a über seinen verwandten Rezeptor C3aR, der auf Mikroglia ( 23 ), Aderhaut-Plexus-Epithel ( 24 ) und vaskulären Endothelzellen ( 25 ) im Gehirn nachgewiesen wurde. C3 wird in Astrozyten während des Alterns und bei Krankheit hochreguliert (22, 26), und die enge Beziehung von Astrozyten mit der BHS unterstützt die Annahme, dass C3, das von diesen Zellen produziert wird, eine direkte Rolle bei altersbedingten Veränderungen der Hirngefäße spielen kann.

Mit In-vivo- und In-vitro-Modellen haben wir einen Mechanismus identifiziert, durch den die C3a/C3aR-Signalachse die VCAM1-Expression moduliert, die Infiltration von peripheren Immunzellen beeinflusst, die Gefäßmorphologie verändert, die BHS-Permeabilität erhöht und die Mikrogliareaktivität und Neurodegeneration bei alten Mäusen potenziert. Wir zeigten ferner, dass dieser C3aR-abhängige endotheliale Phänotyp in PS19-tau-transgenen Mäusen verschlimmert wurde, einem Modell, in dem gezeigt wurde, dass eine erhöhte C3/C3aR-Signalgebung die ZNS-Entzündung und die Tau-Pathologie moduliert ( 22 ). Diese Studie identifizierte die Komplement-Signalgebung als einen Schlüsselmediator der vaskulären Dysfunktion bei der Alterung und Erkrankung des Gehirns.

Der C3a/C3aR-Signalweg reguliert die altersbedingte endotheliale VCAM1-Expression und die Infiltration von Immunzellen. C3 Es wurde gezeigt, dass mRNA in gealterten Astrozyten hochreguliert wird (20, 26). Um diesen Befund zu bestätigen, haben wir das C3-Protein in Lysaten von Mausgehirnen im Alter von 2, 12 und 20 Monaten durch ELISA gemessen. Wir stellten einen signifikanten Anstieg nach 12 Monaten fest, mit einem weiteren Anstieg nach 20 Monaten, über den bei den jungen Mäusen nachgewiesenen Werten (Abbildung 1A). In Übereinstimmung mit unseren früheren Berichten in Krankheitsmodellen ( 21 , 22 ) zeigte die Coimmunfluoreszenz-Markierung des Hippocampus, dass die C3-Expression hauptsächlich in GFAP + -Astrozyten kolokalisiert war, wo ihre Spiegel während des Alterns erhöht waren (Abbildung 1, B und C und ergänzende Abbildung 1A ergänzendes Material online verfügbar mit diesem Artikel https://doi.org/10.1172/JCI140966DS1). Erhöht C3 mRNA wurde in FACS-sortierten gealterten Astrozyten unter Verwendung unserer zuvor veröffentlichten Methode (27) weiter validiert (Ergänzende Abbildung 1B). Um die Expression von C3aR in Hirngefäßen zu untersuchen, isolierten wir Gefäße aus WT und C3ar1 –/– Mausgehirne ( 28 ) und immungefärbt sie mit Antikörpern gegen GFAP, VE-Cadherin und C3aR. Positive C3aR-Färbung konnte in VE-Cadherin + Gehirn-Endothelzellen in WT leicht nachgewiesen werden, aber nicht C3ar1 –/– Gefäße (Abbildung 1D). Hochauflösende konfokale Bildgebungsanalyse von CD31, Glut1 und C3aR auf Mausgehirngefäßen ergab eine stärkere Polarisation von C3aR in Richtung der basolateralen Oberfläche, während Glut1 hauptsächlich in Richtung des Gefäßlumens lokalisiert war (Abbildung 1E und ergänzende Abbildung 1C). Im Gegensatz zur endothelialen Expression zeigte das Costaining für C3aR und den Perizytenmarker PDGFR-&bgr; keine nennenswerte Kolokalisation ( 1E ). Die durchflusszytometrische Analyse von menschlichen mikrovaskulären Endothelzellen (HBMECs) des Gehirns zeigte erwartungsgemäß hohe Positivität für VE-Cadherin (80,9 %) und Glut1 (94,2 %), und diese Positivität wurde auch für C3aR beobachtet, wenn auch in geringerem Maße ( 34,3%) (Ergänzende Abbildung 1D). Zusammen etablierten diese Ergebnisse die C3aR-Expression in vaskulären Endothelzellen des Gehirns und unterstützten eine Signalachse, die astrogliales C3 und endotheliales C3aR an der BBB umfasst.

Die C3a/C3aR-Signalgebung reguliert die altersbedingte endotheliale VCAM1-Expression. (EIN) ELISA-Messung der C3-Spiegel in Gehirnlysaten von WT-Mäusen nach 2, 12 und 20 Monaten (n = 8/Gruppe). (B) Immunfluoreszenzfärbung mit Anti-GFAP- und Anti-C3-Antikörpern zeigte die Lokalisierung von C3 an Astrozyten. (C) Quantifizierung, die eine erhöhte C3-Färbung innerhalb von GFAP + Astrozyten im Hippocampus mit zunehmendem Alter bestätigt (n = 5/Alter). (D) Dreifache Immunfärbung von isolierten Gefäßen aus WT und C3ar1 –/– Gehirne mit Anti-GFAP-, Anti-VE-Cadherin- und Anti-C3aR-Antikörpern mit positiver C3aR-Färbung entlang der Endothelzelloberfläche, die in nicht vorhanden war C3ar1 –/– Schiffe. (E) Dreifache Immunfärbung von Hirngewebe mit Anti-Glut1, Anti-C3aR und Anti-CD31 oder Anti-PDGFR-β, Anti-C3aR und Anti-Col IV, die die Expression von C3aR auf Hirn-Endothelzellen, jedoch nicht auf Perizyten, zeigt. (F und g) Immunfluoreszenzfärbung und Quantifizierung mit Anti-CD31- und Anti-VCAM1-Antikörpern von WT oder C3ar1 –/– Mäusekortizes nach 2, 12 und 20 Monaten zeigten bei WT-Mäusen eine Zunahme von VCAM1 mit dem Alter, aber VCAM1 wurde in Abwesenheit von C3aR gerettet. Alle Daten repräsentieren den Mittelwert ± SEM. Die Signifikanz wurde mit 1-Weg-ANOVA mit Tukeys Post-hoc-Test berechnet (*P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001). Maßstabsbalken: 20 μm (B), 10 μm (D), 15 μm (E) und 50 μm (F).

Um die funktionelle Rolle dieses Signalwegs zu beurteilen, analysierten wir zuerst die Expression von VCAM1, da es mit der Komplement-vermittelten Aktivierung von Hirn-Endothelzellen in LPS-induzierten Neuroinflammation (29) und Ischämiemodellen (30) in Verbindung gebracht wurde. Die Coimmunfluoreszenz-Markierung des kortikalen Gefäßsystems des Gehirns zeigte, dass die VCAM1-Expression auf das CD31 + -Gefäßsystem beschränkt war, wo seine Spiegel bei WT-Mäusen mit zunehmendem Alter, jedoch nicht bei C3ar1-null-Mäuse (Abbildung 1, F und G). Eine ähnliche Reduktion des vaskulären VCAM1 wurde auch nach der Behandlung von 2, 12 und 20 Monate alten Mäusen mit dem C3aR-Antagonisten (C3aRA) SB290157 (ergänzende Abbildung 2, A und B) beobachtet, was unsere genetische Studie weiter bestätigt und die hemmende Wirkung von C3aRA. Das gleiche galt, wenn Hippocampus-Proben analysiert wurden (Ergänzende Abbildung 2C). Wir haben dann eine tiefere Analyse durchgeführt, indem wir gemessen haben Vcam1 mRNA-Spiegel in FACS-sortierten Maus-Hirn-Endothelzellen aus 2, 12 und 20 Monate alten Kohorten, die mit Vehikel oder C3aRA behandelt wurden, zeigten erhöhte Vcam1 Expression mit dem Alter in mit Vehikel behandelten Proben, aber abgestumpfte Expression mit C3aRA-Behandlung (Ergänzende Abbildung 2D).

Um diesen Signalweg in menschlichen Zellen zu belegen und eine direkte Wirkung des C3a/C3aR-Signalwegs zu testen, behandelten wir primäre HBMECs mit rekombinantem humanem C3a, mit oder ohne C3aRA, und fanden einen robusten Anstieg der Vcam1 Expression durch C3a-Behandlung, die in Gegenwart von C3aRA unterdrückt wurde (ergänzende Abbildung 2E). Interessanterweise sind andere Adhäsionsmoleküle, nämlich Sele und Icam1, wurden durch diese Behandlung nicht signifikant verändert (Ergänzende Abbildung 2, F und G). Darüber hinaus sind ähnliche ICAM1-Immunintensitäten (Ergänzende Abbildung 2, H–J) und Icam1 mRNA-Spiegel (Ergänzende Abbildung 2K) wurden in 2 und 20 Monate alten Mäusegehirnen nachgewiesen. Zusammen stützen diese Daten sowohl die Notwendigkeit als auch die Hinlänglichkeit der C3a-Signalgebung bei der Modulation der VCAM1-Expression in Hirn-Endothelzellen.

Als nächstes untersuchten wir die funktionelle Konsequenz der C3-vermittelten VCAM1-Hochregulation. Es wurde bereits gezeigt, dass im gealterten Gehirn vermehrt periphere Lymphozyten gefunden werden ( 31 ) und sich in der neuralen Stammzellnische der subventrikulären Zone befinden ( 13 ). Da Adhäsionsmoleküle den Prozess der rollenden Adhäsion und Extravasation von Immunzellen regulieren, stellten wir die Hypothese auf, dass eine erhöhte VCAM1-Expression des Gehirns im Gefäßsystem während des Alterns mit einer erhöhten Infiltration von peripheren Immunzellen verbunden sein kann. Unter Verwendung von FACS zur Unterscheidung von CD45 hi /CD11b – Lymphozyten von CD45 hi/mid /CD11b + Monozyten und Mikroglia in dissoziierten Hirngeweben fanden wir steigende Anteile von CD45 hi /CD11b – Infiltraten nach 12 und 20 Monaten im Vergleich zu 2 Monate alten Kontrollen (Abbildung 2, A und B). Im Gegensatz dazu wurden Monozyten mit dem Alter nicht signifikant verändert (Ergänzende Abbildung 3A). Als nächstes fragten wir, ob die Blockierung des C3aR-Signalwegs zusätzlich zur Reduzierung der VCAM1-Expression die altersbedingte Lymphozyteninfiltration reduzieren könnte. Durchflusszytometrie-Analyse von 12 bis 14 Monate alten Kindern C3ar1 –/– Mäuse zeigten eine Verringerung des Gesamtprozentsatzes von CD45 hi /CD11b – -infiltrierenden Lymphozyten im Gehirn im Vergleich zu WT-Kontrollen (Abbildung 2, C und D), während Monozyten nicht betroffen waren (Ergänzende Abbildung 3B). Ähnliche Reduktionen der CD45 hi /CD11b – -infiltrierenden Lymphozyten, jedoch nicht der Monozyten, wurden nach der Behandlung von 20 Monate alten WT-Mäusen mit C3aRA beobachtet (Ergänzende Abbildung 3, C–E).

Die C3aR/VCAM1-Achse fördert die Infiltration peripherer Lymphozyten während des Alterns. (EIN) Repräsentative CD45- und CD11b-Durchflusszytometrie-Plots und Gating-Strategie des dissoziierten Mausgehirns nach 2 Monaten, 12 Monaten und 20 Monaten. LY, Lymphozyten MN, Monozyten MG, Mikroglia DN, doppelnegativ. (B) Durchflusszytometrische Analyse und Quantifizierung des Prozentsatzes der infiltrierenden Lymphozyten (2 Monate n = 12, 12 Monate n = 7, 20 Monate n = 12) zeigte eine altersbedingte Zunahme. (C und D) Durchflusszytometrie-Analyse und Quantifizierung von Hirnlymphozyten bei 12–14 Monate alten WT (n = 9) und C3ar1 –/– (n = 10) Mäuse zeigten eine Verringerung des Alters C3ar1 –/– Mäuse. Alle Daten repräsentieren den Mittelwert ± SEM. Die Signifikanz wurde mit 1-Weg-ANOVA mit Tukeys Post-hoc-Test berechnet (**P < 0,01, ***P < 0,001).

Angesichts der Tatsache, dass eine akute Neuroinflammation die Infiltration peripherer Immunzellen induziert (29), testeten wir die Rolle von C3aR bei der Rekrutierung dieser Zellen nach i.c.v. Verabreichung von LPS bei 3 bis 4 Monate alten WT und C3ar1 –/– Mäuse (Ergänzende Abbildung 4A). Wie erwartet führte die LPS-Herausforderung zu einer erhöhten Lymphozyten- (ergänzende Abbildung 4B) und Monozyten- (ergänzende Abbildung 4C) Infiltration in die Gehirne von WT-Mäusen. Im Gegensatz dazu ist die genetische Ablation von C3ar1 schwächte die Infiltration von CD45 hi /CD11b – periphere Lymphozyten ab (Ergänzende Abbildung 4B), während die Monozyten-Zellzahlen nur marginal beeinflusst wurden (Ergänzende Abbildung 4C). In Übereinstimmung mit der spezifischen Regulation von VCAM1 durch C3a/C3aR-Signalgebung, Deletion von C3ar1 deutlich unterdrückt Vcam1 Genexpression durch LPS induziert, ohne zu beeinflussen Sele und Icam1 in FACS-sortierten Gehirn-Endothelzellen (Ergänzende Abbildung 4D).

Um zu beurteilen, ob die LPS-induzierte akute Neuroinflammation die BHS-Permeabilität beeinflusst, analysierten wir jede Gruppe mit einer Schwanzveneninjektion eines undurchdringlichen TRITC-Dextran-Farbstoffs (65–85 kDa) in die BHS. Interessanterweise gab es keinen signifikanten Anstieg der BHS-Permeabilität unter akuten neuroinflammatorischen Reizen, die zu diesem Infiltrationsereignis beitrugen (ergänzende Abbildung 4E). Um die Induktion von Neuroinflammation durch LPS zu bestätigen, analysierten wir sortierte Mikroglia von den Vehikel- und LPS-behandelten Tieren und fanden konsistente Mikroglia-Genantwortsignaturen, wie wir zuvor berichtet haben ( 27 ) (Ergänzende Abbildung 4F).

Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass C3a über endotheliales C3aR wirkt, um die VCAM1-Expression zu fördern, und dass dieser Weg sowohl während des Alterns als auch bei akuter Neuroinflammation eine Rolle bei der selektiven Infiltration von Lymphozyten in das Gehirn spielt.

CD8 + T-Zellen infiltrieren bevorzugt das gealterte Gehirn. Als nächstes untersuchten wir die Lymphozyten-Subtypen, die das gealterte Gehirn infiltrieren, und verglichen diese mit den Zellen der gealterten Milz, um die globalen Veränderungen der Lymphozyten-Zusammensetzung in gealterten Geweben besser zu verstehen. Dissoziierte Zellen aus dem Gehirn oder der Milz von 20 Monate alten WT-Mäusen wurden unter Verwendung von Anti-CD45-, Anti-CD11b-, Anti-CD3ε-, Anti-CD19-, Anti-CD8a- und Anti-CD4-Antikörpern immungefärbt. Nach der Antikörperfärbung wurden die Zellen durch Durchflusszytometrie analysiert, um Monozyten, Mikroglia und Lymphozyten zu differenzieren (Abbildung 3A, linke Felder). Eine weitere Subtypisierung wurde durchgeführt, um die Zusammensetzung von T-Lymphozyten gegenüber B-Lymphozyten zu analysieren ( 3A , mittlere Felder) und eine T-Lymphozyten-Subtypisierung, um CD8 + gegen CD4 + T-Zellen zu unterscheiden ( 3A , rechte Felder). Bei 20 Monate alten WT-Mäusen fanden wir, dass infiltrierende Lymphozyten überwiegend CD3 + (75%) gegenüber CD19 + (10%) waren und die Analyse der passenden Milz zeigte signifikant mehr CD19 + (65 %) Zellen gegenüber CD3 + (25 %-Zellen (Abbildung 3B), was darauf hindeutet, dass das gealterte Gehirn im Vergleich zur gealterten Milz bevorzugt CD3 + T-Zellen rekrutiert. Eine weitere Analyse der CD3 + T-Zellen des Gehirns zeigte, dass die Mehrheit CD8 + T-Zellen (75%) anstelle von CD4 + T-Zellen (15 %) waren, was auch umgekehrt mit dem peripheren Milzgewebe korrelierte, wo CD4 + T-Zellen signifikant mehr waren reichlich vorhanden als CD8 + T-Zellen (Abbildung 3C). Diese Daten legen nahe, dass CD8 + T-Zellen im Vergleich zu anderen Lymphozyten-Untergruppen bevorzugt in das gealterte Gehirn rekrutiert wurden.

CD8 + T-Zellen werden bevorzugt rekrutiert und infiltrieren das gealterte Gehirn. (EIN) Schema für die Durchflusszytometrie-Analyse dissoziierter infiltrierender Zellen im 20 Monate alten Gehirn oder der Milz unter Verwendung von Antikörperfärbung gegen CD45, CD11b, CD3ε, CD19, CD8a und CD4. TC, T-Zellen BC, B-Zellen. (B) Die Quantifizierung der durchflusszytometrischen Analyse zeigte überwiegend CD3 + T-Zellen im Gehirn im Vergleich zur Milz, die überwiegend CD19 + B-Zellen aufwies (n = 7/Gruppe). (C) Die Quantifizierung von T-Zellen zeigte, dass der vorherrschende Subtyp, der im Gehirn angereichert war, CD8 + T-Zellen waren, verglichen mit CD4 + T-Zellen in der Milz (n = 7/Gruppe). (D) Repräsentative Immunfärbung von 2 Monate altem und 20 Monate altem Hirngewebe mit Anti-CD8a und Anti-Col IV zur Bestimmung der regionalen Immunzellinfiltration im Gehirn. (E) Vergrößertes Bild von D Hervorhebung der infiltrierten Zelltypen, die für die Analyse gezählt wurden. (F) Quantifizierung der regionalen Verteilung von CD8 + T-Zell-Infiltraten in 4 Haupthirnregionen (n = 4/Gruppe, 2 Gewebeschnitte pro Maus). CTX, Cortex THAL, Thalamus CPu, Caudate Putamen HPC, Hippocampus. (g) Repräsentative Bilder von 3 unterschiedlichen Stadien der Infiltration, die in allen Hirnregionen beobachtet wurden: perivaskuläre Verweildauer (linke Tafel), Extravasation (mittlere Tafel) und Parenchymüberwachung (rechte Tafel). Daten in B und C repräsentieren den Mittelwert ± SEM. Die Analyse erfolgte mit 1-Weg-ANOVA mit Tukeys Post-hoc-Test (***P < 0,001). Daten in F sind Violinplots, die Mediane und Quartilbereiche anzeigen. Die Analyse erfolgte mittels 2-Wege-ANOVA mit Holm-Sidak Post-hoc-Test (*P < 0,05, ***P < 0,001). Maßstabsbalken: 100 μm (D), 50 μm (E), 10 μm (g).

Um weiter zu bewerten, ob diese altersabhängige Veränderung spezifisch für das Hirnparenchym war, was eine potenzielle Infiltration darstellt, isolierten wir das Choroid Plexus-Gewebe aus Hirnventrikeln von 2 und 20 Monate alten Mäusen vor der Dissoziation und führten ähnliche Analysen wie oben beschrieben durch, unter Verwendung von die Milz als Kontrolle. Mit der gleichen Durchflusszytometrie-Gating-Strategie sahen wir eine erhöhte Anzahl von CD3 + und CD8 + -Lymphozyten nur in gealterten Gehirnen, aber nicht in gealtertem Choroid Plexusgewebe (Ergänzende Abbildung 5, A–C) oder der Milz (Ergänzende Abbildung 5, D– F). Diese Daten legen nahe, dass die altersbedingte CD8 + -Lymphozyteninfiltration spezifisch für das Hirnparenchym war und in anderen immunzellreichen Regionen des Gehirns oder peripheren Geweben nicht vorhanden war.

Um zu bestätigen, dass periphere Zellen rekrutiert werden, um das gealterte Gehirn zu infiltrieren, verwendeten wir ein mT/mG-Reporter-Mausmodell, das tdTomato unter ROSA26 Ort ( 32 ). Wenn sie mit Mx1-Cre-Mäusen gekreuzt und durch periphere Poly-I:C-Behandlung (Polyinosin:Polycytidylsäure) aktiviert wurden, rekombinierten Cre-responsive Zellen in der Peripherie, um EGFP zu exprimieren, wodurch eine chimäre Maus (MXG) erzeugt wurde (Ergänzende Abbildung 6A). Die Analyse von PBMCs bestätigte, dass ungefähr 40 % der PBMCs in MXG-Mäusen umgewandelt wurden, um EGFP zu exprimieren (Ergänzende Abbildung 6, B–D). Um die Hirninfiltration von peripheren EGFP + -Zellen während des Alterns zu beurteilen, injizierten wir Mäusen im Alter von 2 Monaten Poly I:C und ließen die Mäuse bis zu 15 Monaten altern. Die Durchflusszytometrie-Analyse dissoziierter Gehirne zeigte, dass etwa die Hälfte der infiltrierenden CD45 hi /CD11b-Lymphozyten EGFP in 15 Monate alten MXG-Gehirnen exprimierten (Ergänzende Abbildung 6, E–G), was zeigt, dass Lymphozyten in gealterten Gehirnen peripher abgeleitet wurden. Konfokale Bildgebung des gealterten Hirngewebes bestätigte das Vorhandensein von EGFP + -infiltrierten peripheren Immunzellen entlang der basolateralen Oberfläche von tdTomato + EGFP – Hirngefäßen, was weiter auf den peripheren Ursprung der Zellen hinweist (Ergänzende Abbildung 6H).

Um die regionale Verteilung dieser CD8 + -Infiltrate besser zu verstehen, analysierten wir 2- und 20 Monate altes Gehirngewebe von Mäusen durch Immunfärbung mit Antikörpern gegen CD8 zur Markierung der interessierenden T-Zellen und Kollagen IV (Col IV) zur Markierung des Endothel-Grundgerüsts Membran (Abbildung 3, D und E). Neben der subventrikulären Zone, wie zuvor berichtet (13), war klar, dass CD8-T-Zellen auch in anderen Hirnregionen vorhanden waren. Bemerkenswerterweise wiesen Cortex, Thalamus, Putamen caudatus und der Hippocampus mit zunehmendem Alter eine signifikante Präsenz von CD8-T-Zellen auf (Abbildung 3F). Diese Zellen befanden sich entweder entlang der basolateralen Oberfläche mit kolokalisiertem Col IV (Abbildung 3G linkes Feld), extravasierten mit minimal kolokalisiertem Col IV (Abbildung 3G mittleres Feld) oder waren vollständig in das Gewebeparenchym extravasiert (Abbildung 3G rechtes Feld). Insgesamt zeigten diese Ergebnisse, dass während des Alterns peripher abgeleitete CD8 + T-Zellen bevorzugt in das Hirnparenchym in zahlreiche Geweberegionen einwanderten und dort ansiedelten.

Die Hemmung von C3aR rettet altersbedingte Veränderungen der Gefäßmorphologie und der BHS-Permeabilität. Als nächstes bestimmten wir die Wirkung der C3a/C3aR-Signalgebung auf die vaskuläre Morphologie des Gehirns in verschiedenen Altersstufen. Wir führten konfokale Bildgebung und 3D-Rekonstruktion des Gefäßsystems durch, visualisiert durch Col IV-Färbung, und maßen die durchschnittliche Querschnittsfläche der Hippocampuskapillaren, indem wir das Gesamtvolumen von Col IV + durch die Gesamtkapillarlänge in jedem rekonstruierten Bild dividierten. Kapillaren in jungen Mäusen zeigten eine durchschnittliche Querschnittsfläche von ungefähr 60 μm 2 , während Kapillaren in 12 und 20 Monate alten Mäusen durchschnittlich ungefähr 40 μm 2 betrugen (Abbildung 4A). Dieser Rückgang wurde bei 20 Monate alten Kindern teilweise, aber deutlich gerettet C3ar1 –/– Mäusen und bei mit C3aRA behandelten Mäusen (Fig. 4B). Die Analyse jeder Komponente dieser Messung zeigte eine Abnahme des gesamten Gefäßvolumens (ergänzende Abbildung 7A) und eine Zunahme der Gefäßlänge (ergänzende Abbildung 7B) während des Alterns, die beide zu einer verringerten durchschnittlichen Querschnittsfläche beitrugen. Darüber hinaus zeigten CD31 + -Gefße im gealterten Hippocampus einen höheren Grad an Tortuosität, wie zuvor durch ihre korkenzieherartige Morphologie definiert (33, 34) (Fig. 4C, durch Rechtecke markiert). Dieses Phänomen wurde mit einem verringerten hämodynamischen Fluss und einer Hypoxie in betroffenen Gehirnregionen in Verbindung gebracht (33, 34). Die Gesamtinzidenz von gewundenen Gefäßsegmenten war ungefähr um das 2- bzw. 4-Fache nach 12 bzw. 20 Monaten gegenüber der bei 2 Monate alten Mäusen beobachteten erhöht (Abbildung 4, C und D). Dieser vaskuläre Phänotyp wurde sowohl durch genetische Ablation von C3ar1 und C3aRA-Behandlung bei 20 Monate alten Mäusen (Abbildung 4, C und D). Somit verbesserte die Blockierung von C3aR die Gefäßmorphologie bei gealterten Mäusen signifikant.

Die Hemmung von C3aR rettet altersbedingte Veränderungen der Gefäßmorphologie und der BHS-Permeabilität. (EIN) Repräsentative Collagen IV + (Col IV)-Färbung und IMARIS-unterstützte 3D-Rekonstruktion des Gefäßsystems in Hippocampus-Schnitten von 2, 12 und 20 Monate alten WT-Mäusen 20 Monate alte WT-Mäuse, die mit C3aRA oder 20 Monate . behandelt wurden -alt C3ar1 –/– Mäuse. (B) Quantifizierung der durchschnittlichen Kapillarquerschnittsfläche in EIN (n = 5/Gruppe, 8 Bilder pro Maus). (C) Repräsentative CD31 + -Färbung und 3D-Rekonstruktion des Hippocampus-Gefäßsystems bei 2, 12 und 20 Monate alten WT-Mäusen 20 Monate alte WT-Mäuse, die mit C3aRA behandelt wurden, oder 20 Monate alte C3ar1 –/– Mäuse. Repräsentative gewundene Gefäße sind durch Rechtecke gekennzeichnet. (D) Quantifizierung der Anzahl der gewundenen Gefäße pro Hippocampusbereich (n = 5/Gruppe, 8 Bilder pro Maus). (E) Repräsentatives Lectin- und TRITC-Dextran-Colabeling in 2 und 20 Monate alten Hippocampi. (F) Quantifizierung von TRITC-Dextran-MFI aus Hirnlysaten von 2 Monate alten (n = 13), 12 Monate alt (n = 10) und 20 Monate alt (n = 14) Mäuse. (g) Quantifizierung des TRITC-Dextran-MFI von 20 Monate alten Mäusen, die mit Vehikel oder C3aRA (n = 4/Gruppe). (h) Repräsentatives Bild von Gefäßen, die aus 2 und 12 Monate alten Mäusen oder 20 Monate alten Mäusen isoliert wurden, die mit Vehikel oder C3aRA behandelt und mit Anti-VE-Cadherin gefärbt wurden. (ich) Die Quantifizierung der VE-Cadherin-Färbung zeigte eine reduzierte VE-Cadherin-Expression bei 12 und 20 Monate alten Mäusen, die bei 20 Monate alten Mäusen, die mit C3aRA behandelt wurden, teilweise gerettet wurde (n = 5/Gruppe, 5 Gefäßfragmente/Maus). Alle Daten repräsentieren den Mittelwert ± SEM. Die Signifikanz wurde mit 1-Weg-ANOVA mit Tukeys Post-hoc-Test berechnet (*P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001). N-Skala-Balken: 20 μm (EIN und C) 50 μm (E).

Angesichts der beobachteten altersbedingten Veränderungen der Lymphozyteninfiltration und der Gefäßmorphologie testeten wir, ob die BHS-Integrität durch die C3a/C3aR-Signalgebung beeinflusst wurde. Wir verwendeten eine zuvor berichtete Methode, die den Nachweis von peripher verabreichten fluoreszierenden Dextran-Leckagen in das Gehirn ermöglicht (35) (Abbildung 4E). Nach 2 Monaten gab es fast keinen Nachweis von fluoreszierendem Dextran in Hirngeweben, während es in 20 Monate alten Gehirnen einen robusten Anstieg des Fluoreszenzsignals gab, lokalisiert um das Lectin + Gefäßsystem ( 4E ). Die Quantifizierung der Dextranspiegel in Hirnhomogenaten von 2, 12 und 20 Monate alten Mäusen zeigte nach 12 Monaten eine altersabhängige Tracer-Leckage in das Gehirn (

3-fach) (Abbildung 4F). Die Behandlung von 20 Monate alten Mäusen mit C3aRA bescheiden, aber deutlich reduzierte Tracer-Leckage (Abbildung 4G).

Um die altersbedingten Veränderungen der BHS-Integrität weiter zu charakterisieren, untersuchten wir VE-Cadherin + interzelluläre Verbindungen durch konfokale Mikroskopie in Gefäßen, die aus 2, 12 und 20 Monate alten Mäusegehirnen ( 28 ) mit oder ohne C3aRA-Behandlung isoliert wurden (Abbildung .). 4H und ergänzende Abbildung 7C). Die Quantifizierung der Immunreaktivität in großen Gefäßen (Abbildung 4I) und Kapillaren (ergänzende Abbildung 7D) zeigte eine altersbedingte Herunterregulierung von VE-Cadherin mit einer bescheidenen, aber signifikanten Rettung durch C3aRA-Behandlung. In Übereinstimmung damit zeigte die Genexpressionsanalyse von FACS-sortierten Gehirn-Endothelzellen eine altersabhängige Reduktion von Cdh5 (kodiert VE-Cadherin) nach 12 und 20 Monaten, zusammen mit Reduktionen in Okkln, Tjp1, und Cldn5 mRNAs (Ergänzende Abbildung 7E), die eine beeinträchtigte Expression von Verbindungskomponenten widerspiegeln. Diese altersabhängigen Reduktionen waren entweder im Trend oder wurden mit der C3aRA-Behandlung signifikant wiederhergestellt (ergänzende Abbildung 7E). Zusammengenommen legen diese Daten nahe, dass die C3aR-Hemmung die BHS-Integrität in gealterten Gehirnen teilweise wieder herstellte.

Die C3a-vermittelte Barrierestörung umfasst die Ca 2+ -Mobilisierung, die Zytoskelettaktivierung und die VE-Cadherin-Störung. Um den Mechanismus der C3a-vermittelten BHS-Permeabilität in vitro aufzuklären, verwendeten wir die Messung des transendothelialen elektrischen Widerstands (TEER). Mit Essstäbchen-Elektroden und einem EVOM2-Ohmmeter zur Messung des Widerstands des elektrischen Stroms in einem isolierten System konnten wir die Wirkung verschiedener Moleküle direkt in einem In-vitro-Barrieremodell testen (Abbildung 5A). Unser Modell enthielt eine Kokultur primärer humaner Astrozyten, die vor der Zugabe von HBMECs für 2 Tage auf der abluminalen Oberfläche einer semipermeablen Membran kultiviert wurden, die weitere 4 Tage auf der luminalen Oberfläche kultiviert wurden, während TEER vor Beginn auf optimale Resistenz überwacht wurde Behandlung. Wir haben zuerst die Fähigkeit dieses Systems validiert, eine reproduzierbare Barriere zu erzeugen. Unter Verwendung des TEER als Ablesung verglichen wir die Resistenz einer zellfreien Membran mit Barrieren, die von primären Astrozyten oder Endothelzellen gebildet werden, oder von Endothelzellen, die mit HeLa-Zellen oder primären Astrozyten kokultiviert wurden. Wir fanden, dass Endothelzellen, die mit Astrozyten kokultiviert wurden, aber nicht mit HeLa-Zellen, die TEER signifikant erhöhten (Ergänzende Abbildung 8, A und B), was zeigt, dass Astrozyten die BHS-Integrität in vitro förderten.

Die C3a-vermittelte Barriereunterbrechung ist von der Ca 2+ -Mobilisierung abhängig und verändert VE-Cadherin durch Aktivierung des Zytoskeletts. (EIN) Schema einer TEER-Analyse unter Verwendung einer Kokultur von Astrozyten und Endothelzellen. (B) TEER-Werte in Kokulturen, die mit Vehikel, C3a, C3a mit C3aRA oder IL-1β für 0, 1, 4, 12 und 24 Stunden behandelt wurden. (C) Quantifizierung der prozentualen Reduzierung des TEER nach 24 Stunden nach Behandlungen, die in aufgezeichnet wurden B. (D) TEER-Werte in Kokulturen, die mit Vehikel, C3a oder C3a mit C3aRA oder BAPTA-AM über 24 Stunden behandelt wurden. (E) Quantifizierung des prozentualen Rückgangs der TEER 24 Stunden nach den Behandlungen in D. Alle TEER-Experimente wurden zweimal mit Duplikaten durchgeführt und auf Kontroll-Wells von zellfreien Membranen zum Zeitpunkt normalisiert. (F) Repräsentative Immunfluoreszenzbilder von menschlichen mikrovaskulären Endothelzellen (HBMECs) des Gehirns, die mit Vehikel, C3a oder einer Kombination von C3a plus C3aRA (C3a/C3aRA), BAPTA-AM (C3a/BAPTA) oder W7 (C3a/W7) für 2 . behandelt wurden Stunden und gefärbt mit Anti-pMLC- und Anti-VE-Cadherin-Antikörpern. (g) Die Quantifizierung von pMLC oder VE-Cadherin MFI zeigte einen Anstieg von pMLC, aber nicht von VE-Cadherin (n = 7 Bereiche aus 3 Replikaten von 250–300 Zellen/Zustand). (h) Repräsentative Immunfluoreszenzbilder von HBMECs, die wie in beschrieben behandelt wurden F unter Verwendung von Anti-pMLC- und Anti-VE-Cadherin-Antikörpern 24 Stunden nach der Behandlung. (K) Die Quantifizierung von pMLC oder VE-Cadherin MFI zeigte normalisierte pMLC-Spiegel, aber verringerte VE-Cadherin (n = 7 Bereiche aus 3 Replikaten von 250–300 Zellen/Zustand). Alle Daten repräsentieren den Mittelwert ± SEM. Die Analyse wurde für die durchschnittliche prozentuale Abnahme des TEER unter Verwendung einer 1-Weg-ANOVA mit Tukeys Post-hoc-Test (*P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001). Maßstabsbalken: 10 μm.

Um die Wirkung der C3aR-Signalgebung zu testen, behandelten wir humane Endothelzellen-Astrozyten-Kokulturen mit rekombinantem humanem C3a und verwendeten eine IL-1β-Behandlung, von der bekannt ist, dass sie die Barriereintegrität stört, als Positivkontrolle (36). Nach einer 24-stündigen Behandlung stellten wir fest, dass die C3a-Behandlung zu einer signifikanten Reduktion von TEER führte, ähnlich wie bei IL-1β (Abbildung 5, B und C). Die C5a-Behandlung hatte einen marginalen, aber nicht statistisch signifikanten Effekt (Ergänzende Abbildung 8, C und D). Eine C3a-induzierte Barrieredysfunktion wurde blockiert, wenn Kulturen mit C3aRA gemeinsam behandelt wurden (Abbildung 5, B und C).

Um den Mechanismus der C3aR-vermittelten BHS-Permeabilität weiter aufzuklären, befragten wir intrazelluläres Ca 2+ als potentiellen zweiten Messenger, da frühere Berichte vorliegen, dass die Aktivierung von C3aR die Ca 2+ -Freisetzung auslöst (37). Die Behandlung der Cokulturen mit Ionomycin führte zu einer drastischen Verringerung des TEER (Ergänzung zu Abbildung 8, E und F), was darauf hindeutet, dass die Ca 2+ -Freisetzung ausreichend war, um die Barrierepermeabilität zu erhöhen. Die gleichzeitige Behandlung mit C3a und dem Calciumchelatbildner BAPTA-AM zur Blockierung der Ca 2+ -Signalübertragung führte zu einer Rettung der C3a-vermittelten TEER-Reduktion auf das Niveau, das bei der C3aRA-Intervention beobachtet wurde (Abbildung 5, D und E), was darauf hindeutet, dass die Calciumfreisetzung die primärer Mechanismus der Barrierepermeabilität stromabwärts der C3a/C3aR-Signalgebung.

Als nächstes wollten wir den Zusammenhang zwischen Veränderungen von VE-Cadherin und Ca 2+ analysieren, die zu einer erhöhten Barrierepermeabilität stromabwärts der C3aR-Aktivierung führen können. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass verschiedene Endothelzelllinien auf C3a reagieren, indem sie Aktin-Stressfasern innerhalb der Zelle bilden (25).Nach Aktivierung der Calcium-abhängigen Kinase Calmodulin ist die Myosin-Leichtketten-Kinase (MLC) in der Lage, das MLC-Motorprotein bei Ser19 (pMLC) zu phosphorylieren, was zur Bildung von Stressfasern führt (38). Es ist bekannt, dass die Aktivierung dieses Weges einen physikalischen Zugstress an der Zellmembran auslöst, der die VE-Cadherin + -Verbindungen und die BHS-Integrität stört ( 39 ). Daher stellten wir die Hypothese auf, dass C3a die Calciumfreisetzung auslösen könnte, die erforderlich ist, um die VE-Cadherin + -Verbindungen zu unterbrechen, was zu einer BHS-Permeabilität führt.

Um diese Hypothese zu testen, behandelten wir Endothelzellmonolayer mit C3a allein oder zusammen mit C3aRA, BAPTA-AM oder Calmodulin-Inhibitor W7. Immunfluoreszenzfärbung von Zellen, die 2 Stunden lang mit C3a allein behandelt wurden, zeigte einen robusten Anstieg sowohl der Phalloidin + F-Aktin-Stressfasern als auch des überlappenden pMLC-Signals (ergänzende Abbildung 9A). Um die Dynamik dieser zellulären Reaktion zu quantifizieren, analysierten wir Veränderungen nach 2 Stunden während des Abwärtsanstiegs der Barriereintegrität, gemessen durch TEER-Analyse, nach C3a-Stimulation. Wir sahen einen starken Anstieg des pMLC sowohl durch Immunfluoreszenz (Abbildung 5, F und G) als auch durch Immunblotting (ergänzende Abbildung 9, B und C), die beide durch C3aRA-, BAPTA- oder W7-Behandlung blockiert wurden. Bei der Analyse der Wirkung auf VE-Cadherin konnten wir unter allen Bedingungen weder durch Immunfluoreszenz (Abbildung 5, F und G) noch durch Immunblotting (ergänzende Abbildungen 9, B und D) sichtbare Veränderungen feststellen, was darauf hindeutet, dass F-Aktin die Faserbildung stresst und die Aktivierung von pMLC, aber nicht der Veränderung des VE-Cadherin-Proteins, war an der frühen Phase der C3a/C3aR-Signalübertragung beteiligt. Nach 24 Stunden C3a-Behandlung normalisierten sich die pMLC-Spiegel jedoch, aber die VE-Cadherin-Spiegel wurden sowohl durch Immunfluoreszenzfärbung (Abbildung 5, H und I) als auch durch Immunblotting (ergänzende Abbildung 9, E und G) signifikant reduziert. Die gleichzeitige Behandlung mit C3aRA, BAPTA oder W7 normalisierte VE-Cadherin, ohne pMLC zu beeinflussen (Abbildung 5I und ergänzende Abbildung 9, E–G).

Insgesamt etablierten diese Daten intrazelluläres Ca 2+ als sekundären Botenstoff stromabwärts des C3a/C3aR-Signalwegs, um die pMLC-Aktivität und die VE-Cadherin-Homöostase in Endothelzellen zu vermitteln. Diese Ergebnisse legen nahe, dass es 2 Phasen der endothelialen Reaktion auf C3a gibt. Zuerst eine vorübergehende Phase (2 Stunden), in der Endothelzellen schnell und schnell auf die C3a-Signalgebung durch Bildung von Stressfasern reagieren, gefolgt von einer fehlenden Fähigkeit, den VE-Cadherin-Proteinspiegel aufrechtzuerhalten, was zu einer Barrierepermeabilität führt (24 Stunden).

Die endothelzellspezifische Deletion von C3ar1 rettet vaskuläre Phänotypen, reduziert die Mikrogliareaktivität und korrigiert altersbedingte Neurodegeneration. Weil C3ar1 genetische Ablation und pharmakologische C3aR-Hemmung altersbedingte Veränderungen der Hirngefäße retten konnten, stellten wir die Hypothese auf, dass eine spezifische Endothelablation ähnliche Effekte wie globales Targeting zeigen würde und dass eine solche Manipulation die altersbedingte Neuroinflammation insgesamt beeinflussen würde. Die obigen In-vitro-Studien unterstützen eine Rolle des endothelialen C3aR bei der Vermittlung der Barrierepermeabilität. Um diese Hypothese direkt zu testen, haben wir Mäuse mit bedingter Deletion von hergestellt C3ar1 in Endothelzellen durch Kreuzung von a C3ar1-floxed Allel ( 40 ) mit dem Tie2-Cre ( 41 ) Mäuse zum Generieren C3ar1 fl/fl Tie2-Cre (T2KO) Mäuse. Wurfkamerad C3ar1 +/+ und C3ar1 fl/fl Mäuse wurden als Kontrollen verwendet. Der zelltypspezifische Knockout wurde durch Immunfluoreszenz-Bildgebung bestätigt (ergänzende Abbildung 10A).

Die Coimmunfluoreszenz-Färbung von Kontroll- und T2KO-Mäusen im Alter von 3 und 12–14 Monaten mit Anti-VCAM1- und Anti-CD31-Antikörpern zeigte signifikante Anstiege des kortikalen vaskulären VCAM1-Signals im Alter von 12–14 Monaten in der Kontrollgruppe (Abbildung 6A). Ähnlich wie bei der Keimbahndeletion wurde die altersbedingte Erhöhung der VCAM1-Expression bei den T2KO-Mäusen (Abbildung 6, A und B) fast vollständig abgeschwächt, was auch im Hippocampus zu sehen war (Ergänzende Abbildungen 10, B und C). Die Analyse der Gefäßmorphologie durch CD31-Färbung und 3D-Rekonstruktion zeigte eine signifikante Verringerung der Gefäßquerschnittsfläche bei 12–14 Monate alten Kontrollmäusen im Vergleich zu 3 Monate alten Mäusen (Abbildung 6, C und D). In Übereinstimmung mit der VCAM1-Färbung, endotheliale Deletion von C3ar1 war ausreichend, um die altersbedingten Veränderungen der Gefäßmorphologie zu retten (Abbildung 6, C und D). Diese Daten zeigten, dass speziell abgetragene C3ar1 in Endothelzellen retteten altersbedingte Veränderungen der Hirngefäße, ähnlich der globalen Ablation und pharmakologischen Inaktivierung. Somit spielte endothelialer C3aR eine zellautonome Rolle bei der Vermittlung altersabhängiger Veränderungen der vaskulären Entzündung und Morphologie.

Bedingter Knockout von C3ar1 in Endothelzellen des Gehirns rettet altersbedingte vaskuläre Phänotypen. (EIN) Repräsentative VCAM1- und CD31-Doppelfärbungsbilder von 3 Monate alten und 12 bis 14 Monate alten Endothelzellen C3ar1 Conditional Knockout (T2KO)-Mäuse und Wurfgeschwister-Kontrollen (CTRL) zeigten bei CTRL-Mäusen mit zunehmendem Alter eine erhöhte VCAM1-Expression, jedoch eine unterdrückte Expression bei T2KO. (B) Quantifizierung der VCAM1-Intensität von EIN. (C) Repräsentative CD31-Färbung und 3D-Rekonstruktion von 3 Monate alten und 12 bis 14 Monate alten CTRL- und T2KO-Mäusen. (D) Quantifizierung der durchschnittlichen CD31 + -Querschnittsflächen. Alle Daten repräsentieren den Mittelwert ± SEM von n = 4/Gruppe. Analyse für EINF wurde mit 1-Weg-ANOVA mit Tukeys Post-hoc-Test durchgeführt (**P < 0,01, ***P < 0,001). Maßstabsbalken: 50 μm.

Es wurde zuvor berichtet, dass eine Verringerung der VCAM1-Expression in Endothelzellen die Gehirnfunktion verbessern kann (11). Daher testeten wir, ob die Hemmung der C3aR/VCAM1-Achse an den Endothelzellen die mikrogliale Reaktivität beeinflussen könnte. Koimmunfärbung von 2 und 12 Monate alten WT und C3ar1 –/– Mäuse mit dem Mikroglia-Marker IBA1 und einem Marker für phagozytische Mikroglia, CD68, gefolgt von einer Kolokalisationsanalyse identifizierten bei 12 Monate alten WT-Mäusen einen höheren Prozentsatz des mit IBA1 kolokalisierten CD68-Signals, der durch die globale C3aR-Inaktivierung vollständig normalisiert wurde (Abbildung 7, A und B). Die Analyse von T2KO-Mäusen und ihren Wurfgeschwister-Kontrollen nach 12–14 Monaten zeigte eine teilweise, aber signifikante Reduktion der CD68-Immunreaktivität (Abbildung 7, C und D). Dieses Ergebnis legt nahe, dass C3aR, obwohl es in anderen Zelltypen, insbesondere Mikroglia, exprimiert wird, auch eine Rolle bei der Vermittlung von Neuroinflammation im Gehirn spielt, indem es die endotheliale C3aR/VCAM1-Achse moduliert und die Interaktion der peripheren Immunzellen im Gehirngefäßsystem fördert.

Keimbahn und bedingter Knockout von C3ar1 rettet altersbedingte Mikrogliareaktivität und neurodegenerative Phänotypen. (EIN) Repräsentative IBA1 und CD68 Doppelimmunfärbung in WT und C3ar1 –/– Hippocampus mit 2 und 12 Monaten. (B) Quantifizierung der CD68-Immunreaktivität innerhalb von IBA1 + Mikroglia (n = 4/Gruppe). (C) Repräsentative IBA1- und CD68-Doppelimmunfärbung im CTRL- und T2KO-Hippocampus nach 3 Monaten und 12–14 Monaten. (D) Quantifizierung der CD68-Immunreaktivität innerhalb von IBA1 + Mikroglia (n = 4/Gruppe). (E) Quantifizierung des Hippocampusvolumens durch koronale, seriell geschnittene Gewebeproben (n = 7–9/Gruppe, 9 Abschnitte/Tier quantifiziert). (F) Quantifizierung des entorhinalen Kortexvolumens durch koronale, seriell geschnittene Gewebeproben (n = 7–9/Gruppe, 9 Abschnitte/Tier quantifiziert). Daten für B und E stellen den Mittelwert ± SEM dar, und die Analyse wurde unter Verwendung einer 1-Weg-ANOVA mit Tukeys Post-hoc-Test (*P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001). Daten für D stellen den Mittelwert ± SEM dar, und die Analyse wurde mit einem 2-tailed Student's . durchgeführt T Prüfung (**P < 0,01). Daten für F stellen den Mittelwert ± SEM dar und die Analyse wurde unter Verwendung einer 1-Weg-ANOVA mit Holm-Sidak-Post-hoc-Test (*P < 0,05, **P < 0,01). Maßstabsbalken: 50 μm (EIN und C).

Um festzustellen, ob die Veränderungen der Immunzellen, die im mittleren Alter (12–14 Monate) entdeckt wurden, im späteren Leben zu neuronalen Verlusten führen können, führten wir eine Nissl-Färbung von Gehirnschnitten von jungen (3 Monate) und alten (20 Monate) WT-Kontrollmäusen durch und 20 Monate alt C3ar1 –/– und T2KO-Mäuse (ergänzende Abbildung 11) und quantifizierte Hippocampus- und piriforme/entorhinale kortikale Volumina (Abbildung 7, E und F). Bei den Kontrolltieren fanden wir eine leichte, aber signifikante Abnahme des Gewebevolumens mit dem Alter. Interessanterweise führte die globale und endothelzellspezifische Ablation von C3aR zu einem vergleichbaren Grad an Rettung (Abbildung 7, E und F). Zusammengenommen legen diese Daten nahe, dass die Blockierung der endothelialen C3aR/VCAM1-Achse und die Wiederherstellung der endothelialen Gefäßmorphologie die Mikrogliafunktion und die Gesundheit des Gehirns während des Alterns wiederherstellen könnten.

C3aR moduliert vaskuläre Veränderungen in PS19-tau-transgenen Mäusen. Unsere vorherige Analyse des weit verbreiteten PS19-Tau-transgenen Mausmodells zeigte eine erhöhte C3/C3aR-Signalgebung im Zusammenhang mit einer hyperphosphorylierten Tau-Pathologie, so dass eine genetische Deletion von C3ar1 reduzierte effektiv Tau-Pathologie und Neuroinflammation (22). Untersuchung der zuvor berichteten Hirntranskriptome von PS19 und PS19 C3ar1 –/– Mäuse ( 22 ) zeigten eindeutig die Fähigkeit von C3aR, die angeborene Immunantwort zu modulieren. Darüber hinaus ergab eine Überrepräsentationsanalyse dieser Genexpressionsdaten, dass KEGG- und Reactome-Pfade in PS19 hochreguliert und in PS19 . herunterreguliert sind C3ar1 –/– , konsistent mit Zytokinaktivierung, Leukozytenaktivierung und -migration, Zelladhäsionsmolekülinteraktionen und Regulierung oder Aktivierung des Zytoskeletts, die alle mit Endothelreaktionen auf C3a übereinstimmen ( 8A ). Zusätzlich zu den Leukozyten-Transkripten in unserer Pathway-Analyse können spezifische Transkripte, die die Infiltration peripherer Immunzellen (Vcam1, Ptpn22, Cd3e, und Cd8a) waren auch in PS19-Gehirnen signifikant erhöht ( 8A und ergänzende 12 ).

Gefäßanomalien bei PS19-tau-transgenen Mäusen und C3aR-Abhängigkeit. (EIN) RNA-Seq-Analyse zeigte signifikant überrepräsentierte Signalwege in den differentiell exprimierten Genen (DEGs), die bei 9 Monate alten PS19 im Vergleich zu WT-Tieren (rot) erhöht und bei PS19 . verringert waren C3ar1 –/– im Vergleich zu PS19-Tieren (blau). Die Begriffe wurden aus den Ergebnissen basierend auf ihrer Beteiligung an der Gefäßbiologie und der Infiltration von Immunzellen ausgewählt und aufgetragen durch P Wertrepräsentative gerettete Gene, die zu den Begriffen beitragen, sind aufgelistet (rechts). (B) Kortikale Färbung von 9 Monate alten WT, C3ar1 –/– , PS19 und PS19 C3ar1 –/– Hippocampus-Gefäßsystem mit CD31 und VCAM1 zeigte einen signifikanten Anstieg der VCAM1-Expression bei PS19-Mäusen und eine Rettung dieses Phänotyps bei PS19-Mäusen, die die C3ar1 Streichung. (C) Quantifizierung der VCAM1-Immunintensität. (D) CD31-Färbung und IMARIS-gestützte 3D-Rekonstruktion von 9 Monate alten WT, C3ar1 –/– , PS19 und PS19 C3ar1 –/– Hippocampus-Gefäß. (E) Quantifizierung der durchschnittlichen Gefäßquerschnittsfläche. Alle Daten repräsentieren den Mittelwert ± SEM von n = 5/Gruppe. Die Analyse aller Ergebnisse wurde unter Verwendung einer 1-Weg-ANOVA mit Tukeys Post-hoc-Test (*P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001). Maßstabsbalken: 50 μm.

Angesichts der Veränderungen der endothelialen Prozesse, zusätzlich zur peripheren Immunzellantwort, stellten wir die Hypothese auf, dass der erhöhte C3a/C3aR/VCAM1-Weg zu vaskulären Veränderungen bei PS19-Mäusen beiträgt. Tatsächlich zeigte eine Coimmunfluoreszenzanalyse des kortikalen Gefäßsystems von 9 Monate alten PS19-Mäusen, die mit CD31 und VCAM1 markiert waren, einen signifikanten Anstieg der VCAM1-Expression, die mit CD31 + -Gefßen kolokalisiert war, und dieser Phänotyp wurde durch Ablation auf Kontrollniveaus gerettet C3ar1 (Abbildung 8, B und C). Eine erhöhte VCAM1-Expression in PS19-Mäusen wurde von einer drastischen Verringerung der durchschnittlichen Querschnittsfläche der kortikalen Hirngefäße begleitet ( 8 D und E). In Übereinstimmung mit der Alterungsanalyse, C3ar1 Ablation bei PS19-Tieren verbesserte die Gefäßmorphologie signifikant ( 8 , D und E). Diese Daten zeigten einen vaskulären Phänotyp, der mit der Tau-Pathologie assoziiert ist und legen nahe, dass die endotheliale C3aR/VCAM1-Achse zur vaskulären Dysfunktion bei Tauopathie beiträgt.

Unsere Daten lieferten den Beweis, dass die aktivierte C3a/C3aR-Signalgebung in Hirn-Endothelzellen einen Anstieg des Zelladhäsionsmoleküls VCAM1 auslöste und einen entzündlichen Übergang initiierte, der die Hirngefäßstruktur und -funktion während des Alterns beeinflusste. Dies war mit einer Lymphozyteninfiltration, einer veränderten Gefäßmorphologie, einer erhöhten BHS-Permeabilität und letztendlich einer altersbedingten Neurodegeneration verbunden. Genetische oder pharmakologische C3aR-Hemmung rettete diese altersassoziierten Phänotypen. Unser In-vitro-BHS-Modell impliziert endotheliales C3aR an der Barrierestörung und legt die stromabwärts gelegenen intrazellulären Ca 2+ -Signalwege und die VE-Cadherin-Lokalisierung und -Expression als zugrunde liegende Mechanismen nahe. Ein zellautonomer Effekt von endothelialem C3aR wurde weiter durch unseren Nachweis bestätigt, dass die endothelzellspezifische Ablation von C3ar1 phänokopierte Keimbahndeletion im Hinblick auf vaskuläre Phänotypen. Analyse der Endothelzell-spezifisch C3ar1-Knockout-Mäuse unterstützt auch die Vorstellung, dass morphologische und funktionelle Veränderungen im Gefäßsystem zur Mikrogliareaktivität und altersbedingten Neurodegeneration beitragen. Schließlich dokumentierten wir, dass bei PS19-tau-transgenen Mäusen ähnliche vaskuläre Phänotypen und ihre C3aR-Abhängigkeit beobachtet wurden, was einen gemeinsamen C3a/C3aR/VCAM1-Signalweg bei der Vermittlung von Neuroinflammation bei Alterung und neurodegenerativen Erkrankungen unterstützt.

Um die funktionelle Konsequenz der aktivierten endothelialen C3a/C3aR-Achse während des Alterns zu bestimmen, analysierten wir die VCAM1-Expression und die Infiltration peripherer Immunzellen im Gehirn und fanden eine erhebliche Zunahme von CD8 + T-Zellen, während eine genetische und pharmakologische Hemmung des C3a/C3aR-Signalwegs diese Phänotypen reduziert. Dies geschah wahrscheinlich durch einen VCAM1-regulierten Prozess, da die Wechselwirkung zwischen vaskulärem VCAM1 und seinem Lymphozyten-exprimierten Liganden VLA-4 gut etabliert ist (42). Diese Ergebnisse deuten auf eine starke Verschiebung hin zu vaskulären Entzündungen in Gehirn-Endothelzellen während des Alterns hin.

Ein kürzlich erschienener Bericht von Yousef et al. schlossen, dass eine erhöhte VCAM1-Expression im Gehirn Mikroglia aktiviert und die Anzahl neuraler Stammzellen bei alten Mäusen verringert (11). Sie adressierten auch den Beitrag der peripheren Immunzellen durch die Verwendung von αVLA-4-blockierenden Antikörpern bei 16 Monate alten Mäusen, was eine Rettung dieser Phänotypen zeigte. Arbeiten von Dulken et al. schlugen auch vor, dass eine erhöhte Prävalenz von klonal expandierten CD8 + T-Zellen im Gehirn von 28 bis 29 Monate alten Mäusen die Fitness der neuralen Stammzellen in der subventrikulären Zone signifikant behinderte (13). Diese Ergebnisse, zusammen mit unseren, unterstützen ein Modell der periodischen Infiltration von Immunzellen und einer eventuellen klonalen Expansion während des Alterns. Unsere C3aR-Hemmstudien und die von Yousef et al. legen nahe, dass die Blockierung der Rekrutierung peripherer Immunzellen während des Alterns die mikrogliale Reaktivität reduzieren und die aktivierte neuroimmune Umgebung dämpfen kann, während dies bei alten Mäusen zu einer weiteren CD8 + -T-Zell-Infiltration und klonalen Expansion (sowohl bei frühen als auch bei späten Rekruten) führt. Die teilweise Rettung der Infiltration in unserem 20 Monate alten pharmakologischen Hemmungsmodell unterstützt diese Annahme periodischer, altersabhängiger Infiltrationswellen. Obwohl sich unsere Studie nicht mit der Fitness oder dem Schicksal von neuralen Stammzellen befasste, zeigten wir einen C3aR-abhängigen Effekt auf die altersbedingte Neurodegeneration in unseren C3ar1-Null- und T2KO-Mausmodelle. Zusammengenommen legen die aktuellen Ergebnisse nahe, dass die altersbedingte Neurodegeneration teilweise durch die Interaktion peripherer Immunzellen mit oder Signalübertragung an Mikroglia hervorgerufen werden könnte. Zukünftige Studien sollten weitere Zeitpunkte speziell in einem späteren Lebensstadium analysieren, um die genauen Infiltrationsfenster, die die Gehirnfunktion beeinflussen, zu bestimmen und die Rolle dieser CD8 + T-Zell-Infiltrate eindeutig zu identifizieren. Neuere Arbeiten von Kolev et al. zeigten, dass periphere Immunzellen die intrinsische C3-Produktion nach Diapedese in peripheres Gewebe erhöhen (43). Sie schlagen eine herausragende Rolle für die CD4 + T-Zell-Interaktion (über LFA-1) mit Endothelien (über ICAM1) vor, identifizieren aber auch einen ähnlichen Effekt bei CD8 + T-Zellen, die mit VCAM1 stimuliert wurden, was eine intrinsische Hochregulation von IFN-γ und C3 ( 43). Eine weitere Analyse dieses Mechanismus in Bezug auf CD8 + T-Zellen und VCAM1 könnte Aufschluss über potenzielle Feed-Forward-Mechanismen geben, die die Mikrogliareaktivität während des Alterns beeinflussen.

Wir analysierten auch strukturelle und morphologische Merkmale der Hirngefäße im Hippocampus, da zuvor berichtet wurde, dass diese Region eine altersbedingte Gefäßdysfunktion in Form einer BHS-Störung und einer reduzierten zerebralen Durchblutung aufweist (44, 45). Wir fanden heraus, dass die C3a/C3aR-Signalgebung strukturelle Veränderungen im Gefäßsystem induzierte, die die Gefäßquerschnittsfläche und die Gefäßtortuosität beeinflussten, Merkmale, die zuvor mit einer beeinträchtigten zerebralen Durchblutung und einer abnormalen Angiogenese in Verbindung gebracht wurden (34). Weitere Arbeiten sind erforderlich, um den genauen Einfluss von C3a auf die Hämodynamik zu verstehen. Die Arbeit der Zlokovic-Gruppe hat gezeigt, dass die BBB im Hippocampus vor der Erkrankung eine altersbedingte Permeabilität erfährt (10, 44 – 46). Wir fanden heraus, dass gealterte Gehirngefäße von Mäusen für einen BHS-undurchlässigen Tracer-Farbstoff durchlässiger waren und bestätigten den Verlust der Barriereintegrität durch die Analyse von FACS-isolierten Endothelzellen, die eine beeinträchtigte Genexpression kritischer BHS-Gene zeigten (Cdh5, Okkln, Tjp1, und Cldn5). Unsere Daten zeigten, dass die C3a/C3aR-Signalgebung teilweise für diese strukturellen und funktionellen Veränderungen der BHS-Integrität während des Alterns verantwortlich ist.

Unsere Daten mit Dextran zeigten, dass die Immunzellinfiltration durch eine akute LPS-Behandlung ein aktiver Prozess war und nicht das Ergebnis einer geschwächten BHS. Diese Interpretation unterscheidet sich von einem früheren Bericht mit schweren Isotopen und radioaktiv markierten Proteinen, der eine erhöhte BHS-Permeabilität durch LPS-Induktion zeigte ( 47 ). Obwohl die genaue Ursache für diese Diskrepanz nicht klar ist, identifizierten jüngste Arbeiten des Wyss-Coray-Labors potenziell neue, altersbedingte, rezeptorvermittelte Transzytosemechanismen für den Proteintransfer über die BHS (48). Es ist möglich, dass ein ähnlicher Transzytosemechanismus dem Vorhandensein schwerer isotopen- oder radioaktiv markierter Proteine ​​im Gehirn in akuten neuroinflammatorischen Modellen zugrunde liegt. Angesichts dieser neuen Entwicklung sollten weitere Arbeiten unternommen werden, um die BHS-Permeabilität bei akuter Neuroinflammation besser zu verstehen.

Die mechanistische Analyse des Endothel-Barriere-Phänotyps legt eine Rolle für die Calcium-vermittelte Signalübertragung in einem In-vitro-Modell der BHS nahe. Weitere Analysen identifizierten eine potenzielle Phasenantwort, bei der eine anfängliche Calcium-vermittelte Signalgebung die Phosphorylierung des MLC-Proteins induzierte, was zu einem VE-Cadherin-Proteinverlust an den interzellulären Verbindungen führte.Diese Effekte wurden durch die Hemmung von C3aR oder Calmodulin in Endothelzellkulturen gerettet, was einen starken Zusammenhang zwischen der C3a/C3aR-Aktivierung und Calcium-vermittelten Effekten in Hirn-Endothelzellen herstellt. Zusammen zeigten diese Ergebnisse, dass Veränderungen der Hirngefäßstruktur, der Hämodynamik und der BHS-Permeabilität direkt durch die Gliareaktivität und andere komplementbezogene Veränderungen, die in gealterten Gehirnen beobachtet werden, moduliert werden können.

Der Schwerpunkt dieser Studie liegt auf der Rolle von altersbedingten Gefäßveränderungen aufgrund der C3a/C3aR-Signalgebung, jedoch beobachteten wir eine ähnliche Aktivierung im PS19-Modell der Tauopathie. In unserer vorherigen Studie zu diesem Modell ( 22 ) identifizierten wir ein wichtiges C3aR-abhängiges Mikroglia-Aktivierungsnetzwerk und zeigten, dass die Blockierung von C3aR die Mikroglia-Aktivierung und andere transkriptionelle Veränderungen korrigiert. Die Aktivierung des C3a/C3aR-Netzwerks beeinflusste auch die Genexpressionssignaturen, die mit der Aktivierung peripherer Immunzellen übereinstimmen, ein Phänomen, über das zuvor in anderen Mausmodellen der Alzheimer-Krankheit berichtet wurde (49, 50). Vor diesem Hintergrund kamen wir zu dem Schluss, dass eine gestörte Gefäß- und Endothelzellantwort teilweise für das Vorhandensein von Signaturen von peripheren Immunzellen verantwortlich sein könnte. Tatsächlich zeigte die RNA-Seq-Analyse erhöhte Konzentrationen von Vcam1, Cd3e, Cd8a, und Ptpn22 Gene in PS19 Hippocampi, und die Histologie zeigte eine stark veränderte Gefäßmorphologie. Frühere Arbeiten von Faraco et al. zeigten eine Rolle von Bluthochdruck bei der Potenzierung der Akkumulation von hyperphosphoryliertem Tau, ein Befund, der unsere Annahme bestätigt, dass die endotheliale Struktur und Funktion die Krankheitspathogenese beeinflussen können (51). Die Studie von Laurent et al. eine CD3 + T-Zell-Depletion-Strategie verwendet, die zeigt, dass Clec7a, Itgax, Cd68, und sogar astrozytär Gfap mRNA-Spiegel werden durch die Abreicherung von T-Zellen reduziert (50). Obwohl unsere aktuelle Studie die nachgelagerten Auswirkungen dieser vaskulären Veränderungen in Bezug auf das Fortschreiten der Krankheit nicht untersucht, unterstreicht sie eine mögliche Rolle von Endothelzellen bei der Potenzierung der Mikrogliareaktivität durch Gefäßfunktion und Wechselwirkungen mit peripheren Immunzellen. Zusammen positionieren diese Studien Endothelzellen als Torwächter für das Fortschreiten der Krankheit über die C3a/C3aR/VCAM1-Achse.

Zusammenfassend identifiziert unsere Arbeit eine potenziell neue Komplement-Regulationsachse an der BHS durch endotheliale C3aR. Es impliziert eine kritische Rolle für einen C3aR-abhängigen endothelialen Entzündungsübergang, der zu einer erhöhten VCAM1-Expression im gealterten Gehirn führt. Unsere Daten deuten darauf hin, dass die Blockierung komplementvermittelter Wirkungen einen erheblichen Einfluss auf die Verbesserung der Gefäßgesundheit, die Rettung der BHS-Permeabilität und die Verringerung der Neuroinflammation bei Alterung und Neurodegeneration haben kann. Da der Komplementweg sowohl bei akuten Entzündungszuständen wie Schlaganfall und Schädel-Hirn-Trauma als auch bei neurodegenerativen Erkrankungen, insbesondere der Alzheimer-Krankheit, deren Alter der größte Risikofaktor ist, hochreguliert ist, haben unsere Ergebnisse direkte Auswirkungen auf die Pathogenese und therapeutische Ausrichtung dieser altersbedingten Erkrankungen des Gehirns.

Weitere Details finden Sie unter Ergänzende Methoden.

Mäuse und Behandlung. Die gealterten C57BL/6J-Mäuse wurden von der alternden Nagetierkolonie des NIH National Institute on Aging erhalten. C3ar1-defiziente Mäuse (C3ar1 –/– ) Mäuse wurden vom Jackson Laboratory erhalten und für 5 Generationen mit C57BL/6J rückgekreuzt. Mäuse wurden 2–4 pro Käfig in einer pathogenfreien Mausanlage mit ad libitum Zugang zu Futter und Wasser in einem 12-Stunden-Licht-/12-Stunden-Dunkelzyklus gehalten. Mäuse für die konditionalen Knockout-Studien wurden aus einem gemischten Hintergrund von Tie2-cre-Mäusen (C57BL/6J) und . gezüchtet C3ar1 fl/+ Mäuse (BALB/c) (40). Das Zuchtschema für PS19-Studien wurde zuvor von Litvinchuk et al. veröffentlicht ( 22 ). Für alle Experimente wurden Männchen und Weibchen in ungefähr gleicher Anzahl verwendet.

Vehikel (0,5% DMSO) oder C3aR-Antagonist (C3aRA 1 mg/kg) wurden i.p. 4 Wochen lang jeden zweiten Tag gespritzt. Für i.c.v. Verabreichung von LPS wurden Mäuse in ein Kopf stereotaxisches Instrument gesetzt und Glasnadeln wurden durch Bohrlöcher unter Verwendung von Koordinaten eingeführt, um die seitlichen Ventrikel anzuvisieren (–0,4 mm anteroposterior, ± 1,0 mm mediolateral und –2,0 mm dorsoventral von der Schädeloberfläche bei Bregma). LPS (2 µg/ml) oder Vehikel (PBS) wurde beidseitig verabreicht (2 µl pro Seite).

Die BBB-Analyse wurde wie zuvor beschrieben verfolgt (35). Kurz gesagt wurden Mäusen über die Schwanzvene 100 &mgr;l 10 mg/ml Stamm-TRITC-Dextran (MG 65–85 kDa Sigma-Aldrich, T1162) injiziert. Der Farbstoff wurde 2 Stunden lang natürlich perfundiert und wurde dann mit PBS perfundiert. Eine Hemisphäre wurde verwendet, um das TRITC-Fluoreszenzsignal in Gewebehomogenaten zu bestimmen (Anregung λ 550 nm, Emission λ 580 nm) mit einem Plattenlesegerät (Molecular Devices Spectra Max i3x). Die andere Hemisphäre wurde in 4% PFA über Nacht bei 4°C fixiert und auf 30% Saccharose umgestellt. Sagittale Hirnschnitte (30 µm) wurden auf einem Gleitmikrotom geschnitten, in PBS gewaschen und mit Lektin-649 (Vector Labs, DL-1178) 30 Minuten bei Raumtemperatur in PBS mit 0,4% Triton X-100, 4% gefärbt. Eselserum und 1% BSA zur Markierung der Hirngefäße. Die Schnitte wurden auf einem konfokalen Lasermikroskop Leica TCS bei 40× unter Ölimmersion mit a Z-Schritt von 0,5 µm über einen Gesamtbereich von 30 µm.

Zellkultur. Primäre HBMECs wurden von Cell Systems (ACBRI 376) bezogen. Die Zellen wurden aufgetaut und in T75-Kolben zur Expansion in Lonza EGM2-MV-Medium (CC-3202) ausplattiert, um eine P4-Kultur zu erreichen. Die Zellen wurden bis zur Konfluenz subkultiviert, in einem Verhältnis von 1:4 in T75-Kolben für P5-Kulturen passagiert und vor dem Einfrieren bis zur Konfluenz expandieren gelassen (EGM2-MV plus 10% DMSO). Frische Fläschchen wurden aufgetaut, um P6-Kulturen zu erhalten, die für alle weiteren Experimente verwendet wurden.

Primäre menschliche Astrozyten wurden von ScienCell Research Laboratories (ScienCell, 1800) erhalten. Die Zellen wurden aufgetaut und in einen T75-Kolben zur Expansion in Astrozytenmedium (AM) (ScienCell, 1801) ausplattiert. Die Zellen wurden bis nahe der Konfluenz (80%–90%) subkultiviert, im Verhältnis 1:4 in T75-Flaschen passagiert und vor dem Einfrieren bis nahe der Konfluenz expandieren gelassen (AM plus 10% DMSO). Frische Fläschchen wurden aufgetaut und für alle weiteren Experimente verwendet.

Primäre Maus-Astrozytenkulturen wurden wie zuvor beschrieben (20) hergestellt und unter Verwendung einer negativen Selektion durch magnetische CD11b-Kügelchen (Miltenyi Biotec, 130-049-601) gereinigt. Primäre HBMECs wurden auf 100 µg/ml Fibronektin und Col IV-beschichteten 24-Well- oder 48-Well-Platten kultiviert. Zellen wurden mit einer Dichte von 2,5 × 10 5 Zellen/cm 2 ausgesät. Konfluente Zellen wurden mit IL-1β (10 ng/ml, R&D Systems, 201-LB-005), C3a (500 nM, R&D Systems, 3677-C3-025), C5a (250 nM, R&D Systems, 2037-C5 .) behandelt -025), Ionomycin (10 μM, Cayman Chemical, 10004974) oder in Kombination mit einem der Inhibitoren SB290157 (5 μM, Calbiochem, 559410), W7 (50 μM, Tocris, 0369) oder BAPTA-AM (1 μM, Tocris, 2787). Die Zellen wurden nach 2 Stunden oder 24 Stunden Behandlung analysiert.

Die TEER-Analyse wurde unter Verwendung von Kombinationen von primären HBMECs und primären menschlichen oder Maus-Astrozyten in einer Kokultur durchgeführt. Kurz gesagt wurden semipermeable Transwell-Inserts (Corning, 3470) mit 100 &mgr;g/ml Fibronectin und Col IV auf der luminalen Oberfläche 2 Stunden lang bei 37 °C in PBS beschichtet. Die restliche Beschichtungslösung wurde abgesaugt, und die Transwells wurden umgedreht und in 12-Well-Kulturplatten gegeben. Die abluminale Oberfläche wurde mit Poly-d-Lysin (PDL) bei 37ºC 2 Stunden lang beschichtet und die verbleibende Lösung wurde abgesaugt. Invertiert wurden primäre Astrozyten in einer Dichte von 1,5 × 10 5 Zellen/cm 2 auf die abluminale Oberfläche ausgesät und 4–6 Stunden bei 37 °C in 100 μL AM (ScienCell) anhaften gelassen. Die Membranen wurden dann in ihre ursprüngliche Kulturplatte in ihre normale Position zurückgebracht, und die Astrozyten wurden in AM kultiviert, das in die Gewebekulturplatte (abluminal) gelegt wurde. Die Zellen wurden 48 Stunden bei 37 °C kultiviert und Endothelzellen wurden in der luminalen Kammer mit einer Dichte von 1,5 × 10 5 Zellen/cm 2 in EGM2-MV ausgesät. Alle TEER-Messwerte wurden unter Verwendung von STX2-Eßstäbchen-Elektroden mit einem EVOM2-Volt/Ohm-Meter (World Precision Instruments) gemessen. Die Kulturen reiften über 3–4 Tage und als sich TEER stabilisierte (

160–180 Ω), Behandlungen wurden hinzugefügt und TEER wurde über 24 Stunden überwacht. Alle TEER-Messwerte wurden auf den durchschnittlichen Messwert von 2 zellfreien Einsätzen für jede Zeitpunktaufzeichnung vor der Normalisierung auf die Kontrollproben normalisiert.

Präparate der Hirngefäße. Die Isolierung von Mausgehirngefäßen wurde wie zuvor beschrieben (28) mit geringfügigen Modifikationen durchgeführt. Kurz gesagt, wurden Mäuse mit PBS perfundiert, Gehirne wurden entfernt und Kleinhirn-Geruchskolben und Hirnstamm wurden verworfen. Sie wurden von Dura und Hirnhaut befreit, vorsichtig mit einer Rasierklinge in Scheiben geschnitten und unter Verwendung eines Glas-Dounce-Homogenisators (Kontes Glass, 19) vorsichtig homogenisiert, alles auf Eis. Das Homogenisat wurde zentrifugiert, der Überstand wurde verworfen und das Pellet wurde in einer Dextranlösung resuspendiert, um Myelinbruchstücke zu entfernen. Das resultierende Pellet wurde dann über einen 40 µm Filter filtriert und Gefäßfragmente wurden im Filter zurückgehalten. Der Filter wurde dann umgedreht, auf ein konisches 50 ml-Röhrchen gelegt und gespült. Gefäßfragmente wurden bei 300 . pelletiertg für 5 Minuten und fixiert in 4% PFA für 30 Minuten auf Eis. Fixierte Fragmente wurden bei 300 . pelletiertg 5 Minuten lang gewaschen, mit PBS gewaschen und zum Färben auf manuell gerasterten Objektträgern aufgezogen. Die Gefäße wurden mit PBS, das 0,4% Triton X-100, 4% Eselserum und 1% BSA enthielt, für 30 Minuten blockiert und in Blockierungslösung mit primärem Antikörper über Nacht bei 4°C inkubiert. Je nach Experiment wurden primäre Antikörper wie folgt verwendet: Kaninchen-anti-GFAP (MilliporeSigma, G9269), Ratte-anti-C3aR (Hycult, 10130173) und Ziegen-anti-mVE-Cadherin (R&D Systems, AF1002). Die Bildgebung erfolgte auf einem Leica TCS konfokalen Lasermikroskop bei 63× unter Ölimmersion mit a Z-Schritt von 0,5 µm über einen Gesamtbereich von 10 µm.

Durchflusszytometrie-Analyse. Die Durchflusszytometrie-Analyse von gealterten Gehirn-Lymphozyten wurde unter Verwendung der CoBrA-Dissoziationsstrategie, wie zuvor beschrieben ( 27 ), mit leichten Modifikationen für die Myelin-/Debris-Entfernung, Antikörperfärbung und für die Dissoziation zu Subtyp-Lymphozytenmarkern durchgeführt. Kurz gesagt, erwachsene Mäuse wurden mit PBS perfundiert, Gehirngewebe wurde vorsichtig mit sterilen Rasierklingen zerkleinert, in Papain (Worthington Biochemical, LK003172) und DNase (Worthington Biochemical, LK003178) verdaut und dann 3–4 Mal mit einem feuerpolierten Glas zerrieben Pasteurpipette. Nach der Inkubation wurde der Papain-Verdau mit HBSS+ neutralisiert und die Suspension bei 310 . pelletiertg 5 Minuten bei 4°C. Das Pellet wurde in 1 ml HBSS+ resuspendiert, in ein eiskaltes 1,7 ml Eppendorf-Röhrchen überführt und dreimal weiter verrieben, und der Überstand wurde nach einer kurzen Zentrifugation bei niedriger Geschwindigkeit gesammelt. Der Überstand am Ende jeder kurzen Zentrifugation wurde durch ein vorbenetztes 40-μm-Zellsieb (BD Biosciences, 352340) in ein gekühltes konisches 50-ml-Röhrchen filtriert und bei 310 °C zentrifugiertg 5 Minuten bei 4°C. Das resultierende Pellet wurde von Myelin und anderen Trümmern unter Verwendung einer 20% isotonischen Percoll PLUS (MilliporeSigma, E0414-250ML)-Trennung abgereichert. Das resultierende Pellet enthielt dissoziierte Einzelzellen. Zur Unterscheidung zwischen Myeloid und Lymphoid wurden die Zellen in 500 μl HBSS+ inkubiert, das 1:100 Maus-BD-Fc-Block (BD Biosciences, 553141), 1:500 Ratten-Anti-CD45-BV421 (BD Biosciences, 563890) und 1:500 Ratten-Anti- . enthielt -CD11b-FITC (BD Biosciences, 553310) auf Eis für 15–20 Minuten. Zur Subtypisierung der Lymphozytenpopulationen wurde die Gewebedissoziationsstrategie unter Verwendung von Collagenase/Dispase (MilliporeSigma, 10269638001) anstelle von Papain geändert, um die Epitope für CD19, CD8a und CD4 zu erhalten. Alle anderen Schritte der Dissoziationsstrategie blieben gleich. Nach der Gewebedissoziation wurden die Zellen in 1:500 Ratten-Anti-CD45-BUV395 (BD Biosciences, 564279), 1:500 Ratten-Anti-CD11b-FITC (BD Biosciences, 553310), Hamster-Anti-CD3ε-BV650 (BD Biosciences, 564378), 1:500 Ratten-Anti-CD19-BV480 (BD Biosciences, 566167), 1:500 Ratten-Anti-CD4-PE (BD Biosciences, 553730) und 1:500 Ratten-Anti-CD8a-APC (BD, 553035) 15–20 Minuten auf Eis. Die Zellen wurden zweimal mit HBSS+ gewaschen und vor der Durchflusszytometrieanalyse in 500 &mgr;l HBSS+ resuspendiert. Die Flussanalyse wurde mit einem BD Biosciences LSR Fortessa durchgeführt, der mit 355 nm, 405 nm, 488 nm, 561 nm und 640 nm Lasern ausgestattet war, um die spektrale Überlappung zu minimieren.

Für FACS von Astrozyten und Endothelzellen siehe die Gewebepräparationsmethoden mit Papain. Nach der Gewebedissoziation wurden die Zellen in 500 μl HBSS+ inkubiert, das 1:100 Maus-BD-Fc-Block (BD Biosciences, 553141), LIVE/DEAD Fixable Blue Dead Cell (Thermo Fisher Scientific, L23105), 1:500 Ratten-Anti-CD45-BV421 . enthielt (BD Biosciences, 563890) und 1:500 Ratten-Anti-CD11b-FITC (BD Biosciences, 553310), 1:250 Anti-CD49a-VioBright PE (Miltenyi Biotec, 130-107-632) und 1:100 Anti- ACSA-2-APC (Miltenyi Biotec, 130-116-245) auf Eis für 15–20 Minuten. Endothelzellen wurden sortiert, indem zuerst CD45 + - und CD11b + -Zellen ausgeschlossen wurden und um CD49a + -Zellen herum gegatet wurde. Astrozyten wurden sortiert, indem die dreifache Negativität für die früheren Marker und schließlich die ACSA2 + -Zellen durchsucht wurde. Die Sortierung erfolgte mit einem BD Biosciences Aria II an der 100 µm Düse. Die Zellen wurden in 1,7-ml-Eppendorf-Röhrchen mit 200 μl HBSS+ sortiert, gefolgt von Zentrifugation und Lyse der Pellets in Qiagen RLT-Puffer, der 1% β-Mercaptoethanol enthielt.

Für die Durchflusszytometrie von HBMECs wurden Zellen mit Trypsin EDTA (Thermo Fisher Scientific, 25200056) für 5 Minuten vereinzelt und Trypsin wurde unter Verwendung von HBSS+ neutralisiert. Die Zellen wurden durch Zentrifugation bei 300 °C pelletiertg und dreimal mit HBSS+ gewaschen. Die Zellen wurden in 4% PFA für 20–30 Minuten bei 37 °C fixiert. Nach der Fixierung wurde HBSS+ vor der Zentrifugation in das Röhrchen gegeben, um den Zellverlust zu minimieren. Zellen wurden bei 300 zentrifugiertg und dreimal mit HBSS gewaschen. Die Antikörper wurden in HBSS+ verdünnt und die Zellen wurden entweder mit geeigneten IgG-Kontrollen oder einer Kombination aus Ratten-Anti-C3aR, 1:500 (R&D Systems, MAB10417), Maus-Anti-Glut1 1:1000 (Thermo Fisher Scientific, MA1-37783), und Ziegen-Anti-VE-Cadherin 1:1000 (R&D Systems, MAB9381). Die Zellen wurden in Antikörperlösung auf einem Tischrotator 30 Minuten inkubiert, dann dreimal mit HBSS+ gewaschen und in geeigneten Sekundärantikörpern 30 Minuten bei Raumtemperatur in einem Tischrotator inkubiert. Die Zellen wurden vor der Durchflusszytometrieanalyse dreimal in HBSS+ gewaschen.

Quantitative RT-PCR. RNA wurde aus Zellen unter Verwendung des RNeasy Micro-Kits (QIAGEN, 74004) extrahiert. Die reverse Transkription wurde mit dem iScript Reverse Transcription Supermix (Bio-Rad, 1708840) gemäß dem Protokoll des Herstellers durchgeführt. Die gesamte aus Zellpellets isolierte RNA wurde in cDNA umgewandelt. Quantitative RT-PCR wurde unter Verwendung von iTaq Universal SYBR Green Supermix (Bio-Rad, 172-5120) auf einem CFX384 Touch Real-Time PCR Detection System durchgeführt.

Immunfärbung und Bildanalyse. Kultivierte Zellen wurden mit 4% PFA für 20 Minuten bei 37°C fixiert. Die Proben wurden mit PBS gewaschen und dann blockiert und mit PBS, das 0,4% Triton X-100, 4% Eselserum und 1% BSA enthielt, für 30 Minuten permeabilisiert. Proben wurden in Blockierungslösung, die primären Antikörper enthielt, über Nacht bei 4 °C inkubiert. Je nach Experiment wurden Primärantikörper wie folgt verwendet: Kaninchen-anti-pMLC2 S19 (Cell Signaling Technology, 3671), Ziegen-anti-hVE-Cadherin (R&D Systems, AF938) oder Phalloidin CruzFluor 555 (Santa Cruz Biotechnology, sc-363794 .) ). Alle Bilder wurden mit einem konfokalen Lasermikroskop Leica TCS bei 40× oder 63× unter Ölimmersion aufgenommen, mit a Z-Schritt von 0,5 µm über einen Gesamtbereich von 5 µm. MFI wurde auf die Zellzahl pro Bild normalisiert, und jede Bedingung bestand aus 8–10 Bildern (n = 250–300 Zellen).

Für die Mausgehirnanalyse wurden die Mäuse mit 4% PFA perfundiert, gefolgt von einer Nachfixierung in 4% PFA über Nacht bei 4°C und dann bis zum Schneiden in eine 30%ige Saccharoselösung überführt. Sagittale Hirnschnitte (30 mm) wurden auf einem Gleitmikrotom geschnitten und bei –20°C in einem Kryoschutzmittel gelagert. Nach dem Waschen in PBS wurden die Schnitte mit PBS blockiert, das 0,4% Triton X-100, 4% Eselserum und 1% BSA enthielt, für 30 Minuten und dann in Blockierungslösung, die primären Antikörper enthielt, über Nacht bei 4°C inkubiert. Je nach Experiment wurden Primärantikörper wie folgt verwendet: Kaninchen anti-GFAP (MilliporeSigma, G9269), Ratte anti-C3 (Hycult, 10129042), Ratte anti-C3aR (Hycult, 10130173), anti-CD106 (BioLegend, 305802) , Ratte-Anti-CD31 (BD Biosciences, 550274), Ziege-Anti-mVE-Cadherin (AF1002), Ziege-Anti-PDGFR-β (R&D Systems, AF 1042), Maus-Anti-Glut1 (Thermo Fisher Scientific, MA1-37783), und Kaninchen-anti-Col IV (Abcam, ab6586). Nach der Primärantikörperfärbung wurden die Schnitte dreimal in 1 × PBS gewaschen und mit geeigneten Sekundärantikörpern für 1–2 Stunden gefärbt und vor dem Einbetten erneut gewaschen.

Zur Quantifizierung von VCAM1 im Mauskortex und Hippocampus wurden Schnitte mit CD31 und VCAM1 gefärbt, dann wurde das Fluoreszenzsignal unter Verwendung eines EVOS FL Auto-Systems bei 10× gescannt. Die Bilder wurden dann mit ImageJ (NIH) verarbeitet und der Hintergrund wurde vor der Quantifizierung abgezogen. Das gesamte VCAM1-positive Signal wurde als prozentuale Fläche für jede Region, Hippocampus oder Kortex, quantifiziert. Die Kolokalisation dieses Signals mit CD31 wurde für die Genauigkeit bestätigt.

Zur Quantifizierung der prozentualen Besetzung von C3 in Astrozyten, Z-Stapel (

30 µm dick mit 0,5 µm Schrittweite) wurden unter 40x Ölimmersion mit Kennzeichnung für C3 aufgenommen und mit der „Spots“-Funktion der IMARIS 9.2.1 Software analysiert. Spots wurden automatisch für die C3-Darstellung generiert. Anschließend, Z-Stapel wurden mit der „Co-loc“-Funktion analysiert, bei der das GFAP + -Signal verwendet wurde, um die Umrisse von Astrozyten und Schwellenwerte zu maskieren, die zum Entfernen des Hintergrunds angewendet wurden. Die Daten wurden dann als Prozentsatz der interessierenden Region (ROI) (GFAP + Signalmaske), die durch das C3-(Spots)-Signal belegt ist, aufgezeichnet. Acht Bilder von CA1-CA3 wurden bei 5 Mäusen pro Gruppe aufgenommen.

Zur Quantifizierung der durchschnittlichen Gefäßquerschnittsfläche Z-Stapel (

30 µm dick mit 0,5 µm Schrittweite) wurden unter 40-facher Ölimmersion mit Kennzeichnung für Col IV aufgenommen. Die Bilder wurden zunächst mit der Funktion „Oberflächen“ der Software IMARIS 9.2.1 analysiert, um eine 3D-Rekonstruktion des Gefäßes und eines Gesamtgefäßvolumens in µm 3 zu generieren. Anschließend wurde mit der Funktion „Filaments“ die Gesamtgefäßlänge pro Bild durch Berechnung einzelner Gefäßastmaße in µm abgeschätzt. Die durchschnittliche Querschnittsfläche wurde durch die proportionale Messung des Gesamtgefäßvolumens zur Gesamtgefäßlänge pro Bild bestimmt. Sechs Bilder von CA1-CA3 wurden bei 5 Mäusen pro Gruppe aufgenommen.

Zur Quantifizierung der gewundenen Gefäßmorphologie, Z-Stapel (

30 µm dick mit 0,5 µm Schrittweite) wurden unter 40x Ölimmersion mit Markierung für CD31 aufgenommen. Die Bilder wurden manuell quantifiziert, indem die Anzahl der Korkenziehergefäße in projizierten gezählt wurde Z-Stapelbilder. Die Bilder wurden in der Leica LAS X-Software projiziert und manuell durchgescrollt, um die Anzahl der Korkenziehermerkmale im Hippocampus-Gefäß zu zählen. Um diese Morphologie darzustellen, wurden repräsentative Bilder unter den gleichen Bildgebungsparametern, aber unter 63-facher Ölimmersion aufgenommen. Die Funktion „Oberflächen“ der Software IMARIS 9.2.1 wurde verwendet, um eine 3D-Rekonstruktion des Gefäßes CD31 zu erstellen, und die Registerkarte „Animation“ wurde verwendet, um Filme zu erstellen. Sechs Bilder von CA1-CA3 wurden bei 5 Mäusen pro Gruppe zur bildgebenden Quantifizierung aufgenommen.

Zur Quantifizierung der Mikrogliareaktivität wurde die CD68-Kolokalisation im Iba1-Signal quantifiziert mit Z-Stapel, die auf einem konfokalen Mikroskop von Leica mit 40-fach-Ölobjektiv, einem 1,0-Digital-Zoom, einer Gesamtdicke von 25 μm und einer Schrittweite von 1 μm abgebildet wurden. Die prozentuale Kolokalisation des CD68-Signals innerhalb des maskierten Iba1-ROI wurde unter Verwendung der „Co-loc“-Funktion in IMARIS berechnet und als fache Änderung dieses Prozentsatzes dargestellt.

Um das Volumen des Hippocampus und des entorhinalen Kortex zu quantifizieren, wurden gefrorene Hirngewebe der Maus seriell bei 50 &mgr;m geschnitten. Schnitte mit Hippocampus oder entorhinalem Kortex (jeder sechste Schnitt, 300 μm Abstand) zwischen Bregma +2,1 mm und Bregma –3,9 mm bis zum dorsalen Ende des Hippocampus oder entorhinalen Kortex wurden mit 0,25 % Kresylviolett-Lösung gefärbt, in Ethanol dehydriert, und dann montiert. Die Objektträger wurden mit dem Nanozoomer 2.0-HT-System (Hamamatsu) abgebildet und die interessierenden Bereiche wurden mit der NDP Viewer-Software verfolgt. Das Volumen der interessierenden Region wurde mit der folgenden Formel quantifiziert: Volumen = (Flächensumme) × 0,5 mm.

RNA-Seq-Analyse. RNA-Seq-Daten mit Faltungsänderungen und adjustiert P Werte aus unserer vorherigen Studie ( 22 ) wurden verwendet (GEO: GSE114910). Für Pathway-Analysen werden differenziell exprimierte Gene mit P (bereinigte) Werte von weniger als 0,05 wurden auf die InnateDB-Website hochgeladen, und eine Überrepräsentationsanalyse wurde verwendet, um signifikante Terme aus den KEGG- und REACTOME-Datenbanken zu berechnen. Ausgewählte signifikante Terme wurden gezeichnet von P Wert auf der Grundlage ihrer Beteiligung an der Gefäßbiologie und der Infiltration von Immunzellen, und repräsentative Gene, die zu den Treffern beitragen, wurden aufgelistet. Für einzelne Genplots wurden FPKM-Werte verwendet und die Signifikanz wurde mit 1-Weg-ANOVA berechnet.

Statistiken. Alle statistischen Analysen wurden unter Verwendung der GraphPad Prism Software, Version 8.0.2 (GraphPad Software) durchgeführt. Alle Daten sind als Mittelwert ± SEM dargestellt. Sofern nicht anders angegeben, wurden alle gruppierten Vergleiche durch 1-Weg-ANOVA mit Tukey-Korrektur und alle paarweisen Vergleiche durch 2-seitige Student's . durchgeführt T Tests, je nach Versuchsdesign. Für alle Prüfungen, P Werte von weniger als 0,05 wurden als signifikant und Werte über 0,05 als nicht signifikant angesehen.

Zulassung zum Studium. Alle tierexperimentellen Verfahren wurden in Übereinstimmung mit den NIH-Richtlinien und mit Genehmigung des Baylor College of Medicine IACUC durchgeführt.

NEP und HZ haben das Projekt konzipiert und die Experimente konzipiert. NEP führte alle Experimente und Datenanalysen durch, sofern nicht anders angegeben. ER lieferte Reagenzien und technische Unterstützung für die IMARIS-Bildgebungsanalyse, führte eine Pathway-Analyse durch und bearbeitete das Manuskript. AL stellte Proben und technische Unterstützung zur Verfügung und führte eine volumetrische Gewebeanalyse des Gehirns durch. JK lieferte die C3ar1-gefloxte Mäuse. NEP verfasste das Manuskript mit Input und Überarbeitung von HZ. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Wir danken D. Holtzman (Washington University) für die großzügige Unterstützung bei der volumetrischen Hirnanalyse. Wir sind dem National Institute on Aging sehr dankbar, dass es gealterte C57BL6/J-Mäuse anbietet, die diese Arbeit ermöglicht haben. Wir danken C. Beeton, J. Sederstrom und dem Baylor College of Medicine Cytometry and Cell Sorting Core, unterstützt durch den Zuschuss NCI-CA125123 für die FACS-Analyse. Wir danken N. Aithmitti und B. Contreras für fachkundige technische Unterstützung und den Mitgliedern des Zheng-Labors für anregende Diskussionen. Diese Studie wurde durch Zuschüsse des NIH (R01 NS093652, R01 AG020670, R01 AG057509, RF1 AG054111 und RF1 AG062257 an HZ) unterstützt.

Interessenkonflikt: Die Autoren haben erklärt, dass kein Interessenkonflikt besteht.


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DR. ANTHONY MELVIN CRASTO Ph.D

DR. ANTHONY MELVIN CRASTO, 1964 in Mumbai geboren und Absolvent der Mumbai University, promovierte 1991 am ICT in Matunga, Mumbai, Indien, in Organischer Chemie mit GLENMARK LIFE SCIENCES LTD, Research Center als Principal Scientist, Process Research (bulk actives) bei Mahape, Navi Mumbai, Indien. Gesamtindustrieerfahrung über 30 Jahre. Bevor er zu Glenmark kam, hat er mit großen multinationalen Unternehmen wie Hoechst Marion Roussel, jetzt Sanofi, Searle India Ltd, jetzt RPG Lifesciences usw. zusammengearbeitet. Er hat mit namhaften Wissenschaftlern wie Dr. K. Nagarajan, Dr. Ralph Stapel . zusammengearbeitet , Prof. S. Seshadri, Dr. TV Radhakrishnan und Dr. BK Kulkarni usw. Er hat in seiner Karriere kundenspezifische Synthesen für große multinationale Unternehmen wie BASF, Novartis, Sanofi usw. durchgeführt , Feinchemikalien, Neutraceuticals, GMP, Scaleups usw., er hilft jetzt Millionen, hat über 9 Millionen Treffer bei Google auf allen Websites der Organischen Chemie. Seine Freunde nennen ihn Open Superstar Worlddrugtracker. Seine New Drug Approvals, Green Chemistry International, All about Drugs, Eurekamoments, Organic Spectroscopy International, etc in Organic Chemistry sind einige der meistgelesenen Blogs 30 PLUS-jährige Amtszeit bis Juni 2021, Rund 35 plus Produkte in seiner Karriere. Er verfügt über gute Kenntnisse in IPM, GMP, regulatorischen Aspekten und hat mehrere internationale Patente weltweit veröffentlicht. Er hat gute Kenntnisse in Technologietransfer, Spektroskopie, Stereochemie, Synthese, Polymorphismus usw. Er erlitt einen paralytischen Schlaganfall / Akute transversale Mylitis im Dezember 2007 und ist zu 90 % gelähmt er, um Chemikern auf der ganzen Welt zu helfen, er ist aktiver als je zuvor und überschreitet Grenzen, Er hat mehr als 9 Millionen Zugriffe bei Google, 2,5 Lakh plus Verbindungen auf allen Netzwerkseiten, 90 Lakh plus Aufrufe auf über Dutzend Blogs, 233 Länder, 7 Kontinente, Er stellt sich allen zur Verfügung, kontaktieren Sie ihn unter +91 9323115463, E-Mail [email protected], Twitter, @amcrasto , Er lebt und wird für seine Familie sterben, 90% Lähmung kann seine Seele nicht töten., Insbesondere hat er 33 Lakhs plus Ansichten im New Drug Approvals Blog in 233 Ländern. https://newdrugapprovals.wordpress.com/ , Er schätzt die Hilfe, die er von allen bekommt, Freunden, Familie, Glenmark, Lesern, Gratulanten, Ärzten, Arzneimittelbehörden, seinen Kontakten, Physiotherapeuten usw.

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Danksagung

Wir danken Y. Pan (Vierte Militärische Medizinische Universität) für wertvolle Anregungen, S. Li (Huazhong Agricultural University) für Reagenzien und technische Hilfe und den Mitgliedern des Zhong-Labors und den Kerneinrichtungen des Medizinischen Forschungsinstituts für technische Hilfe. Diese Studie wurde durch Zuschüsse des National Key Research and Development Program of China (2018TFE0204500 und 2018YFC1004601), der Natural Science Foundation of China (31671454 und 31930040), des Fundamental Research Funds for Central Universities (2042020kf0207 und 2042020kf0042), der Natural Science Foundation of Hubei . unterstützt Provinz (2018CFA016) und Medical Science Advancement Program (Medical Basic Sciences) der Universität Wuhan (TFJC2018004).


Prostaglandine sind Lipid-Autacoide, die aus Arachidonsäure gewonnen werden. Beide erhalten homöostatische Funktionen und vermitteln pathogene Mechanismen, einschließlich der Entzündungsreaktion. Sie werden aus Arachidonat durch die Wirkung von Cyclooxygenase-Isoenzymen erzeugt, und ihre Biosynthese wird durch nichtsteroidale entzündungshemmende Medikamente blockiert, einschließlich solcher, die für die Hemmung von Cyclooxygenase-2 selektiv sind. Trotz der klinischen Wirksamkeit von nichtsteroidalen Antirheumatika können Prostaglandine sowohl bei der Förderung als auch bei der Auflösung von Entzündungen wirken. Dieser Review fasst Erkenntnisse über die Mechanismen der Prostaglandinbildung und die Rolle einzelner Mediatoren und ihrer Rezeptoren bei der Modulation der Entzündungsreaktion zusammen. Die Biologie von Prostaglandin hat potenzielle klinische Relevanz für Atherosklerose, die Reaktion auf Gefäßverletzungen und Aortenaneurysmen.

Entzündungen sind die Reaktion des Immunsystems auf Infektionen und Verletzungen und wurden mit der Pathogenese von Arthritis, Krebs und Schlaganfall sowie mit neurodegenerativen und kardiovaskulären Erkrankungen in Verbindung gebracht. Eine Entzündung ist ein an sich nützliches Ereignis, das zur Beseitigung störender Faktoren und zur Wiederherstellung der Gewebestruktur und physiologischen Funktion führt. Die akute Entzündungsphase ist durch den schnellen Einstrom von Blutgranulozyten, typischerweise Neutrophilen, gekennzeichnet, gefolgt von Monozyten, die schnell zu entzündlichen Makrophagen reifen, die sich anschließend vermehren und dadurch die Funktionen residenter Gewebemakrophagen beeinträchtigen. Dieser Prozess verursacht die Kardinalzeichen einer akuten Entzündung: Rubor (Rötung), Calor (Hitze), Tumor (Schwellung) und Dolor (Schmerz). Sobald der auslösende schädliche Reiz durch Phagozytose beseitigt ist, kann die Entzündungsreaktion abnehmen und verschwinden. Während die Entzündung zurückgeht, werden Granulozyten eliminiert und Makrophagen und Lymphozyten kehren zu normalen präinflammatorischen Zahlen und Phänotypen zurück. Das übliche Ergebnis des akuten Entzündungsprogramms ist eine erfolgreiche Auflösung und Reparatur von Gewebeschäden und nicht eine Persistenz und Dysfunktion der Entzündungsreaktion, die zu Narbenbildung und Verlust der Organfunktion führen kann. Es ist daher zu erwarten, dass das Versagen einer akuten Entzündung zu einer Prädisposition für Autoimmunität, chronische dysplastische Entzündung und übermäßige Gewebeschädigung führen kann. 1

Prostaglandine (PGs) spielen eine Schlüsselrolle bei der Erzeugung der Entzündungsreaktion. Ihre Biosynthese ist in entzündetem Gewebe deutlich gesteigert und sie tragen zur Entwicklung der Kardinalzeichen einer akuten Entzündung bei. Obwohl die proinflammatorischen Eigenschaften einzelner PGs während der akuten Entzündungsreaktion gut bekannt sind, ist ihre Rolle bei der Auflösung der Entzündung umstrittener.

In diesem Review diskutieren wir die Biosynthese und Reaktion auf PGs und die Pharmakologie ihrer Blockade bei der Orchestrierung der Entzündungsreaktion, insbesondere im Hinblick auf kardiovaskuläre Erkrankungen.

Biosynthese von PGs

PGs und Thromboxan A2 (TXA2), zusammenfassend als Prostanoide bezeichnet, werden gebildet, wenn Arachidonsäure (AA), eine ungesättigte Fettsäure mit 20 Kohlenstoffatomen, durch Phospholipasen aus der Plasmamembran freigesetzt und durch die sequentiellen Wirkungen der PGG/H-Synthase oder der Cyclooxygenase (COX) und deren jeweiligen Synthasen.

Es gibt 4 hauptsächliche bioaktive PGs, die in vivo erzeugt werden: Prostaglandin E2 (PGE2), Prostacyclin (g.g.A.)2), Prostaglandin D2 (PGD)2) und Prostaglandin F (PGF).

Sie werden ubiquitär produziert – normalerweise erzeugt jeder Zelltyp 1 oder 2 dominante Produkte – und wirken als autokrine und parakrine Lipidmediatoren, um die lokale Homöostase im Körper aufrechtzuerhalten. Während einer Entzündungsreaktion ändern sich sowohl das Niveau als auch das Profil der PG-Produktion dramatisch. Die PG-Produktion ist in nicht entzündeten Geweben im Allgemeinen sehr gering, steigt jedoch bei akuter Entzündung unmittelbar vor der Rekrutierung von Leukozyten und der Infiltration von Immunzellen an.

Die PG-Produktion (Fig. 1) hängt von der Aktivität von PGG/H-Synthasen ab, umgangssprachlich als COXs bekannt, bifunktionelle Enzyme, die sowohl COX- als auch Peroxidase-Aktivität enthalten und als unterschiedliche Isoformen vorliegen, die als COX-1 und COX-2 bezeichnet werden. 2

Abbildung 1. Biosyntheseweg von Prostanoiden.

COX-1, das in den meisten Zellen konstitutiv exprimiert wird, ist die dominante Quelle von Prostanoiden, die Haushaltsfunktionen wie die Zytoprotektion und Homöostase des Magenepithels erfüllen. 3 COX-2, induziert durch Entzündungsreize, Hormone und Wachstumsfaktoren, ist die wichtigere Quelle der Prostanoidbildung bei Entzündungen und bei proliferativen Erkrankungen wie Krebs. 3 Beide Enzyme tragen jedoch zur Bildung von autoregulatorischen und homöostatischen Prostanoiden bei, und beide können zur Freisetzung von Prostanoiden während einer Entzündung beitragen.

PGH2 wird von beiden COX-Isoformen produziert und ist das gemeinsame Substrat für eine Reihe spezifischer Isomerase- und Synthaseenzyme, die PGE . produzieren2, g.g.A2, PID2, PGF, und TXA2. COX-1 koppelt bevorzugt, aber nicht ausschließlich, mit Thromboxan-Synthase, PGF-Synthase und den Cytosol (c) PGE-Synthase (PGES)-Isozymen. 4 COX-2 bevorzugt Prostaglandin-I-Synthase (PGIS) und die mikrosomalen (m) PGES-Isozyme, die beide oft zusammen mit COX-2 durch Zytokine und Tumorpromotoren koinduziert werden. 4

Das Profil der Prostanoidproduktion wird durch die unterschiedliche Expression dieser Enzyme innerhalb von Zellen bestimmt, die an Entzündungsherden vorhanden sind. Mastzellen erzeugen beispielsweise überwiegend PGD2, während Makrophagen PGE . produzieren2 und TXA2. 5 Darüber hinaus können bei zellulärer Aktivierung Veränderungen im Profil der Prostanoidsynthese auftreten. Obwohl ruhende Makrophagen TXA . produzieren2 über PGE2, ändert sich dieses Verhältnis zugunsten von PGE2 Produktion nach bakterieller Lipopolysaccharid (LPS)-Aktivierung. 5

PG-Rezeptoren

PGs üben ihre Wirkung aus, indem sie Rhodopsin-ähnliche 7-Transmembran-überspannende G-Protein-gekoppelte Rezeptoren aktivieren (Tabelle). Die Prostanoidrezeptor-Unterfamilie besteht aus 8 Mitgliedern: E Prostanoidrezeptor (EP) 1, EP2, EP3 und EP4-Subtypen des PGE-Rezeptors PGD-Rezeptor (DP1) PGF-Rezeptor (FP) PGI-Rezeptor (IP) und Thromboxan-Rezeptor (TP) . 6 Zwei weitere Isoformen des humanen TP (TPα, TPβ) und FP (FPEIN, FPΒ) und 8 EP3-Varianten werden durch alternatives Spleißen erzeugt, die sich nur in ihren C-terminalen Schwänzen unterscheiden. 7 Darüber hinaus gibt es einen weiteren G-Protein-gekoppelten Rezeptor, der auf T-Helfer-2-Zellen (CRTH2 oder DP2) exprimiert wird und auf PGD . reagiert2 gehört aber zur Familie der Chemokinrezeptoren. 8 CRTH2 ist ein Mitglied der N-Formyl-Methionyl-Leucyl-Phenylalanin-Rezeptor-Superfamilie (Abbildung 2).

Tisch. Signaltransduktion von Prostanoidrezeptoren

Figur 2. Phylogenetischer Stammbaum von Lipid-G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Abbildung mit Genehmigung von Shimizu geändert. 181

Prostanoidrezeptoren koppeln an eine Reihe von intrazellulären Signalwegen, die die Auswirkungen der Rezeptoraktivierung auf die Zellfunktion vermitteln. EP2-, EP4-, IP- und DP1-Rezeptoren aktivieren Adenylylcyclase über GS, Erhöhung des intrazellulären cAMP. EP1 und FP aktivieren den Phosphatidylinositol-Stoffwechsel über GQ, was zur Bildung von Inositoltrisphosphat mit Mobilisierung von intrazellulärem freiem Calcium führt. Zusätzlich zur Signalisierung durch GQkoppelt der FP-Rezeptor über ein G . an das kleine G-Protein RhoQ-unabhängiger Mechanismus. 9 TP koppelt hauptsächlich an 2 Arten von G-Proteinen, die GQ (GQ, G11, G15, G16) und das G13 (G12, G13)-Familien, was zur Aktivierung der Phospholipase C bzw. des Guanin-Nukleotid-Austauschfaktors des kleinen G-Proteins Rho führt. Zusätzlich kann TP auch über G . angekoppelt werdenh zur Phospholipase C, sowie über Gich und GS Cyclase zu adenylieren. Beide TP-Isoformen sind an die Phospholipase-C-Aktivierung gekoppelt, aber TPα stimuliert die Adenylylcyclase, während TPβ sie hemmt. EP3-Isoformen können über G . koppelnich oder G12 zur Erhöhung von intrazellulärem Ca 2+ , Hemmung der cAMP-Erzeugung und Aktivierung des kleinen G-Proteins Rho. 10 Der DP2/CRTH2 koppelt an ein Gich-Typ G-Protein zur Hemmung der cAMP-Synthese und zur Erhöhung des intrazellulären Ca 2+ . Die Wirkung von Prostanoiden auf diese G-Protein-gekoppelten Signalwege kann sich jedoch in Abhängigkeit von der Ligandenkonzentration oder -struktur ändern. 6

Einige, aber nicht alle Prostanoidrezeptoren weisen die Fähigkeit zur Dimerisierung auf, was die Ligandenaffinität oder die Präferenz für nachgeschaltete Signalwege verändern kann. Obwohl sich DP1/DP2-Dimere anscheinend nicht bilden, können sich IP- und TP-Rezeptoren unter ähnlichen Bedingungen unter Bildung von Homo- und Heterodimeren assoziieren. TPα-TPβ-Heterodimere verstärken die Reaktion auf die Aktivierung durch freie Radikale katalysierte Isoprostane. 11 Darüber hinaus ermöglicht die Dimerisierung von IP und TPα die cAMP-Bildung durch TP-Rezeptoraktivierung, ein zelluläres Ergebnis, das typischerweise bei IP-Aktivität beobachtet wird. 12 Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Aktivierung des EP1-Rezeptors die β2-Adrenorezeptorfunktion in den bronchialen Atemwegen über die Bildung eines heterodimeren Komplexes moduliert. 13

COXs und Entzündungen

Die 2 COX-Isoformen, COX-1 und COX-2, sind Ziele von nichtsteroidalen Antirheumatika (NSAIDs). Diese Medikamente sind kompetitive Inhibitoren des aktiven Zentrums beider COXs. Obwohl beide COXs als Homodimere existieren, wird jeweils nur 1 Partner für die Substratbindung verwendet.14 COX-1/COX-2-Heterodimere können ebenfalls existieren, aber ihre Rolle in der Biologie muss noch geklärt werden. 15 NSAIDs binden an und inaktivieren die COX-Stelle an nur einem der Monomere des COX-Dimers, und dies ist ausreichend, um die Prostanoid-Bildung zu stoppen. 14 Das andere Monomer scheint eine allosterische Funktion zu spielen. Die Peroxidase-Kapazität beider Proteine ​​wird durch NSAIDs nicht verändert.

Die klinische Wirksamkeit von strukturell unterschiedlichen NSAIDs, die alle diese Fähigkeit zur Prostanoid-Hemmung teilen, weist auf die Bedeutung dieser Mediatoren bei der Förderung von Schmerzen, Fieber und Entzündungen hin. 16 Der dramatische Anstieg der COX-2-Expression bei der Provokation von Entzündungszellen, seine Expression in entzündeten Geweben und die Annahme, dass die Hemmung von COX-1-abgeleiteten Prostanoiden in Blutplättchen und Magenepithel die durch NSAIDs hervorgerufenen Nebenwirkungen im Magen-Darm-Trakt erklären und eine Begründung dafür liefern Entwicklung von NSAIDs, die selektiv für die Hemmung von COX-2 zur Behandlung von Arthritis und anderen chronischen Entzündungskrankheiten sind. 17

Obwohl COX-2 die dominante Quelle der PG-Bildung bei Entzündungen zu sein scheint, gibt es einige Hinweise darauf, dass beide Isoformen des menschlichen Enzyms zur akuten Entzündungsreaktion beitragen können. COX-1 wird konstitutiv in residenten Entzündungszellen exprimiert, und es gibt Hinweise auf eine Induktion von COX-1 während einer LPS-vermittelten Entzündungsreaktion und Zelldifferenzierung. 18 Beide COX-Isoformen werden in zirkulierenden Entzündungszellen ex vivo koexprimiert und sowohl in entzündeten rheumatoiden Arthritis (RA) Synovium als auch in atherosklerotischen Plaques von Patienten. 19,20 Humandaten sind mit COX-1-abgeleiteten Produkten kompatibel, die die Anfangsphase einer akuten Entzündung auslösen, wobei die COX-2-Hochregulation innerhalb weniger Stunden auftritt. 4 Kontrollierte klinische Studien zum Test der vergleichenden Wirksamkeit von NSAIDs, die beide COXs im Vergleich zu COX-2 allein hemmten, wurden jedoch nie in großem Maßstab durchgeführt. Diese Studien wurden entwickelt, um nach Divergenzen in der Häufigkeit von gastrointestinalen Nebenwirkungen zu suchen, anstatt die vergleichende klinische Wirksamkeit zu bewerten.

Studien an COX-1- und COX-2-knockout (KO)-Mäusen zeigen eine beeinträchtigte Entzündungsreaktion, obwohl die Auswirkungen der Gendeletion in Zeitverlauf und Intensität unterschiedlich sind.

Mäuse, denen COX-1, aber nicht COX-2 fehlen, zeigen eine Verringerung des AA-induzierten Ohrödems, obwohl AA eine äquivalente Entzündungsreaktion bei Wildtyp (WT) und COX-2-defizienten Mäusen induziert. 21–23 Im Gegensatz dazu unterschied sich das durch den Tumorpromotor Tetradecanoylphorbolacetat induzierte Ödem bei WT-, COX-1-defizienten und COX-2-defizienten Mäusen nicht signifikant. 21–23 Die Studien zu Ohrentzündungen zeigen, dass COX-1 ebenso wie COX-2 zu Entzündungsreaktionen beitragen kann und die für die Entzündung verantwortliche Isoform von der Art des Entzündungsreizes oder den relativen Konzentrationen jeder Isoform im Zielgewebe.

In ähnlicher Weise zeigen Arthritismodelle eine signifikante Abhängigkeit von entweder den COX-1- oder COX-2-Isoformen für die Entwicklung einer klinischen Synovitis. Dies variiert je nach verwendetem Versuchsmodell. So werden im K/BxN-Serumtransfermodell der Arthritis COX-1-abgeleitete PGs, insbesondere PGI2, einen bemerkenswerten Beitrag zur Initiierung und Aufrechterhaltung von Arthritis leisten. 24 In einem Kollagen-induzierten Arthritismodell unterdrückt die COX-2-Deletion die Synovialentzündung und die Gelenkzerstörung erheblich, während die Arthritis bei COX-1-defizienten Mäusen nicht von der der Kontrollen zu unterscheiden ist. 25,26

Die COX-2-Deletion unterdrückt auch eine akute Entzündung im Luftbeutelmodell. Hier reduzierte der COX-2-Inhibitor NS-398, der 6 Stunden nach der Carrageenan-Behandlung verabreicht wurde, die PG-Produktion bei WT-Mäusen auf Werte, die mit denen vergleichbar waren, die bei COX-2-KO-Mäusen beobachtet wurden, und war auch während der frühen Stadien der Entzündung wirksam. 27 Im Vergleich zu WT-Mäusen reduziert der Mangel an COX-2 den PGE .-Spiegel2 Produktion um etwa 75 %, während der Mangel an COX-1 die PGE . reduziert2 in dieser frühen Phase um 25 %. Am 7. Tag nach der Carrageenan-Behandlung waren in der Pouch-Flüssigkeit von COX-2-KO-Mäusen höhere Zahlen von Entzündungszellen vorhanden, und im Vergleich zu WT- oder COX-1-KO-Mäusen war eine geringe Auflösung der Entzündung offensichtlich. 27 Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass beide COX-Isoformen zur PG-Produktion während einer Entzündung beitragen und auch, dass COX-2-abgeleitete PGs sowohl im akuten Entzündungsprozess als auch in der Auflösungsphase wichtig zu sein scheinen. Ein Beitrag von COX-2 zu beiden Entzündungsphasen wurde auch in anderen Modellen berichtet. Gilroy et al. berichteten, dass die COX-2-Expression und PGE2 die Konzentrationen stiegen bei Ratten im frühen Verlauf einer Carrageenan-induzierten Pleuritis vorübergehend an. 28 Später in der Reaktion wurde COX-2 wieder auf noch höhere Niveaus induziert und erzeugte entzündungshemmende PGs wie PGD2 und 15-Desoxy-Δ 12–14-PGJ2 (15d-PGJ2), aber nur geringe Mengen des proinflammatorischen PGE2. Eine weitere Unterstützung für eine entzündungshemmende Rolle von COX-2 in diesem Modell war der Befund, dass eine späte Verabreichung des COX-2-selektiven Inhibitors NS-398 die Entzündungsreaktion verstärkt. Darüber hinaus beobachteten Wallace et al., dass im Pfoten-Carrageenan-Modell die resultierende Entzündung bei WT-Mäusen innerhalb von 7 Tagen abklingt, aber bei COX-2-defizienten Mäusen über diesen Zeitraum unverändert bleibt. 29 Eine entzündungshemmende Rolle von COX-2-abgeleiteten Prostanoiden wurde auch in Modellen für entzündliche Kolitis und allergische Atemwegserkrankungen berichtet. 30,31 COX-2 scheint also eine doppelte Rolle im Entzündungsprozess zu spielen, indem es zunächst zum Ausbruch der Entzündung beiträgt und später zur Auflösung des Prozesses beiträgt. Obwohl COX-2 in einigen Entzündungsmodellen eine Rolle bei der Unterstützung der Auflösung dieses Prozesses spielt, ist unklar, welche Produkte des Enzyms in welchen Einstellungen zu diesem Effekt beitragen könnten. Dies wird am Beispiel von 15d-PGJ . veranschaulicht2. Lange als endogener Ligand für den Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor-γ (PPARγ) angepriesen, muss noch nachgewiesen werden, dass in jedem Modell zur Auflösung von Entzündungen endogene Konzentrationen gebildet werden, die ausreichen, um diese Funktion zu erfüllen. Bei einer Vielzahl von Immunoassays wurden fälschlicherweise erhöhte Spiegel berichtet, aber die Konzentrationen an gebundener und freier Verbindung, die durch quantitative Massenspektrometrie dokumentiert wurden, liegen weit unter der EC50 zur PPARγ-Aktivierung. 32 Es ist eine Sache zu zeigen, dass mutmaßliche Proresolutionsprodukte in vitro gebildet werden können und dass die synthetischen Verbindungen bei Verabreichung in vivo Proresolutionswirkungen ausüben, und eine andere zu dokumentieren, dass die in vivo gebildeten Konzentrationen im Rahmen einer Entzündung ausreichend und notwendig sind, um zu vermitteln Auflösung.

Im Fall von Atherosklerose wurde gezeigt, dass die Deletion oder Hemmung von COX-2 in Mausmodellen auf verschiedene Weise die Atherogenese verlangsamt, beschleunigt oder unverändert lässt. 5 Dies kann eine postnatale Auswirkung einer Störung der vielen Rollen des Enzyms in der Entwicklung bei COX-2-KOs, unterschiedlichen Zeitpunkten von Interventionen mit COX-2-Hemmern oder in den meisten Fällen ein Versäumnis sein, die Selektivität für die Hemmung von COX . biochemisch zu definieren -2 des eingesetzten Medikamentenregimes. Im Gegensatz dazu schwächte die COX-1-Deletion die Läsionsentwicklung in der Apolipoprotein E-KO-Maus deutlich ab, ebenso wie die Hemmung von COX-1 und COX-2 zusammen im Lipoproteinrezeptor-KO-Modell niedriger Dichte. 33,34 Produkte von COX-1, wie TXA2, die Atherogenese fördern, während die Rolle von COX-2 mehrdeutig ist. Dennoch ist die Deletion des IP, des Rezeptors für das Hauptprodukt von COX-2, PGI2, fördert die Initiierung und frühe Entwicklung von Atherosklerose bei hyperlipidämischen Mäusen. 35

PGE2 und Entzündung

PGE2 ist eines der am häufigsten im Körper produzierten PGs, wird am häufigsten in Tierarten charakterisiert und weist vielseitige biologische Aktivitäten auf. Unter physiologischen Bedingungen ist PGE2 ist ein wichtiger Mediator vieler biologischer Funktionen, wie der Regulierung von Immunreaktionen, des Blutdrucks, der gastrointestinalen Integrität und der Fruchtbarkeit. Dysregulierte PGE2 Synthese oder Abbau wurde mit einer Vielzahl von pathologischen Zuständen in Verbindung gebracht. 36 Bei Entzündungen, PGE2 ist von besonderem Interesse, weil es an allen Prozessen beteiligt ist, die zu den klassischen Entzündungszeichen Rötung, Schwellung und Schmerzen führen. 37 Rötungen und Ödeme resultieren aus einer erhöhten Durchblutung des entzündeten Gewebes durch PGE2-vermittelte Augmentation der arteriellen Dilatation und erhöhte mikrovaskuläre Permeabilität. 37 Schmerzen resultieren aus der Wirkung von PGE2 an peripheren sensorischen Neuronen und an zentralen Stellen innerhalb des Rückenmarks und des Gehirns. 37

PGE2 wird aus PGH . synthetisiert2 durch cPGES oder mPGES-1 und mPGES-2. 38 cPGES wird im Zytosol verschiedener Gewebe und Zellen konstitutiv und reichlich exprimiert und benötigt Glutathion als Cofaktor. 39 Die Rolle von cPGES und sogar seine Fähigkeit zur Bildung von PGE2 ist umstritten. cPGES scheint in der Lage zu sein, COX-1-abgeleitetes, aber nicht COX-2-abgeleitetes PGH . umzuwandeln2 zu PGE2 in Zellen, insbesondere während der unmittelbaren PGE2-biosynthetische Reaktion, die durch Ca 2+ evozierte Stimuli hervorgerufen wird. Die Lokalisierung von cPGES im Zytosol kann eine Kopplung mit proximalem COX-1 im endoplasmatischen Retikulum anstelle von distalem COX-2 in der perinukleären Hülle ermöglichen. 39 Die funktionelle Kopplung von cPGES mit COX-1 legt nahe, dass die Funktionen von cPGES in vivo signifikant, wenn nicht vollständig, mit COX-1 überlappen. cPGES-defiziente Mäuse wurden entwickelt, aber sie waren nicht besonders aufschlussreich, wenn es um die Bedeutung von cPGES-abgeleitetem PGE . ging2, da die Deletion dieses Enzyms zu perinataler Letalität führt. 40

mPGES-1 gehört zu den membranassoziierten Proteinen, die an der Superfamilie des Eicosanoid- und Glutathion-Metabolismus beteiligt sind, und benötigt wie cPGES Glutathion als Cofaktor. 41 mPGES-1 ist ein perinukleäres Protein, das stark durch Zytokine und Wachstumsfaktoren induziert und wie im Fall von COX-2 durch entzündungshemmende Glukokortikoide herunterreguliert wird. 42,43 Es ist funktionell mit COX-2 gekoppelt, gegenüber COX-1 deutlich bevorzugt. 44 Es wurde auch über eine konstitutive Expression von mPGES-1 in bestimmten Geweben und Zelltypen berichtet.

Die Generation mPGES-1-defizienter Mäuse hat die dominante Rolle dieses Enzyms bei PGE . gezeigt2 Generation, die für die Entzündungsförderung relevant ist. Bei kollageninduzierter Arthritis, einem Krankheitsmodell der menschlichen RA, zeigten mPGES-1-null-Mäuse im Vergleich zu WT-Kontrollen eine verringerte Häufigkeit und Schwere der Erkrankung. 45 Dieser Unterschied war nicht mit Veränderungen der Interleukin (IL)-6-Produktion durch Peritonealmakrophagen oder signifikanten Unterschieden bei zirkulierenden IgG2a-Antikollagen-Antikörpern verbunden. Ebenso hatten mPGES-1-null-Mäuse bei Kollagen-Antikörper-induzierter Arthritis, einem anderen Modell der RA, das keine Aktivierung des Immunsystems beinhaltet, eine ähnliche Inzidenz, aber eine geringere Schwere der Arthritis als WT-Mäuse sowie eine 50%ige Reduzierung der Pfotenspiegel von PGE2. 46 In derselben Studie wurde auch beobachtet, dass die Migration von Makrophagen nach peritonealer Injektion von Thioglykolat bei mPGES-1-null-Mäusen im Vergleich zu WT-Mäusen auffallend reduziert war. 46

Die durch subkutane Implantation an der Pfote eines Baumwollfadens induzierte Bildung von entzündlichem Granulationsgewebe und begleitender Angiogenese im Rücken war bei mPGES-1-KO-Mäusen im Vergleich zu WT-Mäusen signifikant reduziert. 46 In diesem Modell war ein mPGES-1-Mangel auch mit einer verminderten Induktion des vaskulären Endothelzellwachstumsfaktors im Granulationsgewebe verbunden. Diese Ergebnisse zeigen, dass von mPGES-1 abgeleitetes PGE2, in Zusammenarbeit mit dem vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor, eine kritische Rolle bei der Entwicklung von entzündlicher Granulation und Angiogenese spielen und so schließlich zum Gewebeumbau beitragen.

Zusammen veranschaulichen diese Ergebnisse, dass die Deletion oder Hemmung von mPGES-1 die Entzündungsreaktion in mehreren Mausmodellen deutlich reduziert. Die proinflammatorische Wirkung von mPGES-1-abgeleitetem PGE2 wurde auch bei Arteriosklerose beobachtet. Die Deletion von mPGES-1 verzögerte die Atherogenese bei fettgefütterten hyperlipidämischen Mäusen bei beiden Geschlechtern. 47 Interessanterweise ist neben der erwarteten Depression von PGE2 Produktion, Deletion von mPGES-1 ermöglicht eine Umleitung des PGH2 Substrat zu anderen PG-Synthasen, beispielsweise mit vermehrter Bildung von PGI2 und PID2. 47 Dies erschwert die Auswahl von mPGES-1 als Wirkstoffziel. Somit erhöhter ggA2 kann zu dem gutartigen kardiovaskulären Profil der mPGES-1-Deletion im Vergleich zur COX-2-Deletion oder -Hemmung beitragen: geringere Prädisposition für Hypertonie und Thrombogenese. Derselbe Effekt kann jedoch die Schmerzlinderung im Falle einer vermehrten PGI . abschwächen2, oder kann bei erhöhter PGD . Nebenwirkungen auf den Bronchialtonus, allergische Entzündungskrankheiten oder den Schlaf-Wach-Zyklus vermitteln2. Dies kann die weniger beeindruckende Wirksamkeit der Störung von mPGES-1 gegenüber COX-2 in einigen Schmerzmodellen erklären. 48 Kürzlich haben Brenneis et al. den Nachweis erbracht, dass von mPGES-1 abgeleitetes PGE2 kann sowohl zur Förderung als auch zur Auflösung von Neuroinflammation bei Mäusen beitragen. 49 Schließlich werden die wichtigsten Substratprodukte der Umlenkung durch den dominanten Zelltyp in einer bestimmten Umgebung beeinflusst. Zum Beispiel erweiterte g.g.A.2 kann zur Einschränkung der Atherogenese bei hyperlipidämischen Mäusen infolge einer mPGES-1-Deletion beitragen. 47 Es bleibt jedoch abzuwarten, ob die mPGES-1-Hemmung bei bestehender Atherosklerose aufgrund der Endoperoxid-Umleitung zu TXA . eine Regression verursacht oder möglicherweise das weitere Fortschreiten der Krankheit beschleunigt2 in Makrophagen-reichen Plaques.

mPGES-2 wird als Golgi-Membran-assoziiertes Protein synthetisiert, und die proteolytische Entfernung der N-terminalen hydrophoben Domäne führt zur Bildung eines reifen zytosolischen Enzyms. Dieses Enzym wird in verschiedenen Zellen und Geweben konstitutiv exprimiert und ist sowohl mit COX-1 als auch mit COX-2 funktionell gekoppelt. 37 mPGES-2-defiziente Mäuse zeigten keinen spezifischen Phänotyp und keine Veränderung des PGE2 Konzentrationen in mehreren Geweben oder in LPS-stimulierten Makrophagen. 50 Studien mit PGES-null-Mäusen haben gezeigt, dass die Kreuzregulation zwischen den verschiedenen PGES-Isoformen gelegentlich als kompensatorischer Mechanismus fungieren kann. Zum Beispiel zeigen mPGES-1-null-Mäuse einen verzögerten Anstieg der PGE . im Urin2 Ausscheidung als Reaktion auf eine akute Wasserbelastung, die mit einer erhöhten renalen medullären Expression von cPGES, aber nicht von mPGES-2 zusammenfällt. 51 Ähnliche Hinweise auf eine Kreuzregulierung wurden bei den COXen beobachtet. Somit ist die Deletion von COX-2 in Makrophagen mit einer hochregulierten Expression von COX-2 in vaskulären glatten Muskelzellen (VSMCs) in atherosklerotischen Plaques verbunden. 52

Nach PGE2 gebildet wird, wird es vom ATP-abhängigen Multidrug-Resistenz-Protein-4 aktiv durch die Membran transportiert oder diffundiert durch die Plasmamembran, um an oder in der Nähe ihrer Sekretionsstelle zu wirken. 53

PGE2 wirkt dann lokal durch die Bindung von einem oder mehreren seiner 4 verwandten Rezeptoren (Tabelle), die als EP1–EP4 bezeichnet werden. 45 Von den 4 EPs sind EP3- und EP4-Rezeptoren am weitesten verbreitet, wobei ihre mRNAs in fast allen Mausgeweben exprimiert werden und die höchste Affinität zur Bindung von PGE . aufweisen2. Im Gegensatz dazu ist die Verteilung der EP1-mRNA auf mehrere Organe wie Niere, Lunge und Magen beschränkt, und EP2 ist der am wenigsten häufige der EP-Rezeptoren. Sowohl EP1 als auch EP2 binden PGE2 mit geringer Affinität. 54 Jeder EP-Subtyp weist eine unterschiedliche zelluläre Lokalisation innerhalb von Geweben auf. 54

Eine der Lehren aus den KO-Mausstudien ist, dass PGE2 können sowohl proinflammatorische als auch antiinflammatorische Reaktionen ausüben, und diese Wirkungen werden oft durch die Regulierung der Rezeptorgenexpression in relevanten Geweben erzeugt. Hyperalgesie beispielsweise, ein klassisches Entzündungszeichen, wird hauptsächlich durch PGE . vermittelt2 durch EP1-Rezeptor-Signalgebung, die auf periphere sensorische Neuronen an der Entzündungsstelle sowie auf zentrale neuronale Stellen wirkt. 55 Andere Studien haben auch den EP3-Rezeptor in die entzündliche Schmerzreaktion involviert, die durch niedrige Dosen von PGE . vermittelt wird2. 56

EP2 und EP4 vermitteln redundant die Entwicklung einer Pfotenschwellung, die mit kollageninduzierter Arthritis verbunden ist. 57 Ebenso zeigten Studien zum Carrageenan-induzierten Pfotenödem und Carrageenan-induzierten Pleuritis beide eine Beteiligung von EP2 und EP3 an der entzündlichen Exsudation. 58 Der EP4-Rezeptor scheint auch eine proinflammatorische Rolle bei der Pathogenese der RA zu spielen. PGE2 durch rheumatoides Synovium produziert wird, wurde mit der IL-6-Produktion und Gelenkzerstörung in Verbindung gebracht. 59,60 Mäuse mit einem Mangel an EP4-, aber nicht an EP1-, EP2- oder EP3-Rezeptoren zeigen eine abgeschwächte Reaktion im Kollagen-Antikörper-induzierten Arthritis-Modell mit signifikant niedrigeren Spiegeln der entzündlichen Zytokine IL-6 und IL-1 und einem dramatischen Verringerung der klinischen Krankheitszeichen. 61 Antiinflammatorische Wirkungen von PGs werden typischerweise bei allergischen oder Immunentzündungen beobachtet und werden normalerweise durch proinflammatorische Wirkungen anderer PGs ausgeglichen. Diese gegensätzliche Biologie zeigt sich zwischen den ggA2-IP und TXA2-TP-Wege bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen und zwischen der PID2-DP und die PGE2-EP3-Wege bei der Auslösung von allergischem Asthma. 62,63

PGE2, das an verschiedene EP-Rezeptoren bindet, kann die Funktion vieler Zelltypen regulieren, darunter Makrophagen, dendritische Zellen (DCs) und T- und B-Lymphozyten, was sowohl zu pro- als auch antiinflammatorischen Wirkungen führt. Als proinflammatorischer Mediator ist PGE2 trägt zur Regulierung des Zytokin-Expressionsprofils von DCs bei und es wurde berichtet, dass es die T-Zell-Differenzierung in Richtung einer T-Helfer-(Th)1- oder Th2-Antwort beeinflusst. 35 Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass PGE2-EP4-Signalgebung in DCs und T-Zellen erleichtert die Th1- und IL-23-abhängige Th17-Differenzierung. 64 Außerdem ist PGE2 ist grundlegend für die Induktion eines migratorischen DC-Phänotyps, der es ermöglicht, sich zu den drainierenden Lymphknoten zu bewegen. 65,66 Gleichzeitig PGE2 eine frühe Stimulation während der Reifung induziert die Expression kostimulatorischer Moleküle der Tumornekrosefaktor-Superfamilie auf DCs, was zu einer verstärkten T-Zell-Aktivierung führt. 67 Im Gegensatz dazu ist PGE2 Es wurde auch gezeigt, dass es die Th1-Differenzierung, B-Zell-Funktionen und allergische Reaktionen unterdrückt. 68 Darüber hinaus ist PGE2 kann entzündungshemmende Wirkungen auf angeborene Immunzellen wie Neutrophile, Monozyten und natürliche Killerzellen ausüben. 68

PGE2 können so kontextabhängig verschiedene Entzündungsschritte modulieren und den gesamten Prozess sowohl in proinflammatorischer als auch in antiinflammatorischer Richtung koordinieren.

Diese Doppelrolle von PGE2 und seine Rezeptoren bei der Modulation der Entzündungsreaktion wurden bei mehreren Erkrankungen beobachtet. Bei Atherosklerose fördert ein EP4-Mangel die Makrophagen-Apoptose und unterdrückt eine frühe Atherosklerose in für EP4 chimären Mäusen mit niedriger Dichte –/– in hämatopoetischen Zellen nach 8 Wochen auf einer westlichen Diät. 69 EP2-Mangel in hämatopoetischen Zellen zeigte einen Trend zu ähnlichen, aber bescheidenen Auswirkungen auf Atherosklerose. 69 In derselben Studie schien der Makrophage EP4 in den frühen Stadien der Atherosklerose eine proinflammatorische Rolle zu spielen, indem er die Produktion von inflammatorischen Zytokinen wie IL-1β, IL-6 und monozytenchemotaktischem Protein-1 reguliert.69 Im Gegensatz dazu verstärkte die EP4-Deletion in vom Knochenmark abgeleiteten Zellen die lokale Entzündung (erhöhte Expression von chemotaktischen Proteinen, einschließlich des chemotaktischen Proteins 1 und IL-10 der Monozyten und erhöhte Entzündungszellen wie Makrophagen und T-Zellen) und veränderte die Zusammensetzung der Läsionen ( erhöhte glatte Muskelzellen innerhalb der Plaque), veränderte jedoch die Plaquegröße oder -morphologie bei etablierter Atherosklerose (nach 10 Wochen fettreicher Ernährung) nicht. 70

PGE2 spielt auch gegensätzliche Rollen bei Neuroinflammation. LPS-induzierte PGE2 Die Synthese verursacht schädliche Wirkungen in Neuronen, die zu Läsionen oder einer verstärkten Schmerzübertragung führen. 71–73

PGE2 hat auch entzündungshemmende Eigenschaften. Es vermittelt Bradykinin-induzierte Neuroprotektion und blockiert die LPS- und ATP-induzierte Zytokinsynthese in kultivierten Mikroglia und in Neuron-Glia-Kokulturen. 74,75 Die entzündungshemmende und neuroprotektive Wirkung von PGE2 werden über mikrogliale EP2- und EP4-Rezeptoren vermittelt. Kürzlich wurde berichtet, dass PGE2 begrenzt die Zytokin- und PG-Synthese hauptsächlich durch die EP2-Aktivierung in einem Modell der LPS-induzierten Neuroinflammation und dass mPGES-1 ein kritisches Enzym in dieser negativen Rückkopplungsregulation ist. 49

G.g.A2 und Entzündung

g.g.A2 ist eines der wichtigsten Prostanoide, das die kardiovaskuläre Homöostase reguliert. Gefäßzellen, einschließlich Endothelzellen, VSMCs und endotheliale Vorläuferzellen, sind die Hauptquelle für PGI2. 76

g.g.A2 wird durch die sequentielle Wirkung von COX und PGIS erzeugt, einem Mitglied der Cytochrom-P450-Superfamilie, das spezifisch PGH . umwandelt2 nach g.g.A2. PGIS kolokalisiert mit COX im endoplasmatischen Retikulum, der Plasmamembran und der Kernmembran. 77 PGIS wird konstitutiv in Endothelzellen exprimiert, wo es mit COX-1 koppelt, 78 obwohl COX-2-abhängiges PGI2 Es wurde berichtet, dass die Produktion von Endothelzellen in vitro durch Thrombin, Scherstress, oxidiertes Lipoprotein niedriger Dichte, Hypoxie und entzündliche Zytokine moduliert wird und durch Hochregulierung von COX-2 synchronisiert wird. 79,80 In-vivo-Studien an Mäusen und Menschen zeigten, dass COX-2 die dominante Quelle von PGI . war2. 81

Einmal generiert, PGI2 wird freigesetzt, um auf benachbarte VSMCs sowie auf zirkulierende Blutplättchen zu wirken. In der Tat, PGI2 entfaltet seine Wirkung lokal, wird nicht gespeichert und wird durch nichtenzymatische Prozesse schnell in ein inaktives Hydrolyseprodukt, 6-Keto-PGF ., umgewandelt. 82

g.g.A2 ist ein potenter Vasodilatator und ein Inhibitor der Thrombozytenaggregation, der Leukozytenadhäsion und der VSMC-Proliferation. 75 g.g.A2 ist auch antimitogen und hemmt die DNA-Synthese bei VSMC. 83

Diese Aktionen von PGI2 werden durch spezifische IP-Rezeptoren vermittelt (Tabelle). Dieser Rezeptor wird in Niere, Leber, Lunge, Blutplättchen, Herz und Aorta exprimiert. 84 Es gibt nicht schlüssige Beweise dafür, dass einige Wirkungen von PGI2 auf das Gefäßsystem könnte zusätzlich zum klassischen IP-cAMP-Signalweg durch den PPARδ-Weg vermittelt werden. 85 g.g.A.2 kann PPARδ zwar aktivieren, aber genauso wie bei 15d-PGD2 und PPARγ, ist unklar, dass es bei in vivo erreichten Konzentrationen des Liganden ein biologisches Ziel darstellt. 86

Obwohl IP-defiziente Mäuse normal reifen, ohne eine spontane Thrombose zu erfahren, sind sowohl die Reaktion auf thrombogene Stimuli als auch die VSMC-Proliferation als Reaktion auf eine Gefäßverletzung im Vergleich zu Kontroll-Wurfgeschwistern verstärkt. 87 Mäuse ohne IP sind auch empfindlich gegenüber salzinduzierter Hypertonie 88 und zeigen eine beschleunigte Atherogenese mit verstärkter Thrombozytenaktivierung und erhöhter Adhäsion von Leukozyten an den Gefäßwänden sowohl im Low-Density-Lipoproteinrezeptor- als auch im Apolipoprotein-E-KO-Modell. 35,89

Zusätzlich zu seinen kardiovaskulären Wirkungen ist PGI2 ist ein wichtiger Vermittler von Ödemen und Schmerzen, die mit einer akuten Entzündung einhergehen. g.g.A2 wird nach Gewebeverletzung oder Entzündung schnell produziert und ist in entzündlichen Milieus in hohen Konzentrationen vorhanden. 90 g.g.A.2 ist das am häufigsten vorkommende Prostanoid in der Synovialflüssigkeit in menschlichen arthritischen Kniegelenken sowie in der Peritonealhöhlenflüssigkeit von Mäusen, denen Reizstoffe injiziert wurden. 91,92 Potenzierung der Bradykinin-induzierten mikrovaskulären Permeabilität durch PGI . bei Mäusen mit IP-Rezeptor-Mangel2 abgeschafft wird, haben diese Mäuse ein wesentlich reduziertes Carrageenan-induziertes Pfotenödem. 93 Das Ausmaß des Pfotenödems, das bei Mäusen mit IP-Mangel beobachtet wurde, entsprach dem von mit Indomethacin behandelten Kontrollen, und die Indometacin-Behandlung von IP-defizienten Tieren führte nicht zu einer weiteren Abnahme der Schwellung, was darauf hindeutet, dass PGI2-IP-Rezeptor-Signalübertragung ist der wichtigste Prostanoid-Weg, der in diesem Modell die akute Entzündungsreaktion vermittelt. Es wurde auch vorgeschlagen, dass Bradykinin PGI . induziert2 Bildung, die zu einer Verbesserung der mikrovaskulären Permeabilität und Ödemen führt. 94 Es wurde gezeigt, dass der IP-Rezeptor bei akuten Entzündungen nozizeptiven Schmerz vermittelt. IP-Rezeptor-mRNA ist in Spinalganglion-Neuronen vorhanden, einschließlich solchen, die Substanz P exprimieren, einen Marker für nozizeptive sensorische Neuronen. 95 IP-Rezeptor-defiziente Mäuse haben eine abgeschwächte Krümmungsreaktion nach intraperitonealer Injektion von entweder Essigsäure oder PGI2, was darauf hinweist, dass der IP-Rezeptor eine Rolle bei der Vermittlung einer peripheren nozizeptiven Sensibilisierung auf Entzündungsreize spielt. 93 Der IP-Rezeptor wird auch im Rückenmark exprimiert und wurde mit der Übertragung von Rückenschmerzen als Reaktion auf eine periphere Entzündung in Verbindung gebracht. 96 IP-Antagonisten reduzierten in mehreren Modellen die Schmerzreaktionen, einschließlich Essigsäure-induzierter Bauchverengung, mechanischer Hyperalgesie durch Carrageenan und Schmerzen im Zusammenhang mit Modellen von Osteoarthritis und entzündlicher Arthritis. 97,98 Im Gegensatz zu den proinflammatorischen Wirkungen der IP-Rezeptoraktivierung bei nicht-allergischen akuten Entzündungen haben einige Studien nahegelegt, dass die IP-Rezeptor-Signalgebung Th2-vermittelte allergische Entzündungsreaktionen unterdrückt. 99 IP-Rezeptor-mRNA wird in CD4+ Th2-Zellen hochreguliert und Hemmung von PGI2 Bildung durch den COX-2-Inhibitor NS-398 während einer Antigen-induzierten Atemwegsentzündung führt zu einer stärkeren Th2-vermittelten Lungenentzündung der Lunge. 99 ggA2 Es wurde vorgeschlagen, diesen Effekt teilweise durch die Erhöhung der Th2-Zellproduktion des entzündungshemmenden Zytokins IL-10 auszuüben. Diese immunsuppressive Rolle des IP-Rezeptors bei Th2-vermittelten Entzündungen wird durch die Beobachtung gestützt, dass bei Ovalbumin (OVA)-induziertem Asthma die IP-Deletion zu einer erhöhten Antigen-induzierten Leukozytenakkumulation in bronchoalveolärer Lavageflüssigkeit und peribronchiolärer und perivaskulärer entzündlicher Infiltration führt. 100 Somit ist ggA2 kann das Gleichgewicht innerhalb des Immunsystems weg von einer Th2-dominanten Reaktion verschieben und allergische Entzündungen hemmen.

PID2 und Entzündung

PID2 ist ein wichtiges Eicosanoid, das sowohl im zentralen Nervensystem als auch in peripheren Geweben synthetisiert wird und sowohl entzündlich als auch homöostatisch zu wirken scheint. 101 Im Gehirn, PID2 ist an der Regulierung des Schlafs und anderer Aktivitäten des zentralen Nervensystems, einschließlich der Schmerzwahrnehmung, beteiligt. 102,103 In peripheren Geweben, PID2 wird hauptsächlich von Mastzellen, aber auch von anderen Leukozyten wie DCs und Th . produziert2 Zellen. 104–106 Zwei genetisch unterschiedliche PID2-synthetisierende Enzyme wurden identifiziert, einschließlich hämatopoetischer und lipokalinartiger PGD-Synthasen (H-PGDS bzw. L-PGDS). H-PGDS ist im Allgemeinen im Zytosol von Immun- und Entzündungszellen lokalisiert, wohingegen L-PGDS eher auf eine gewebebasierte Expression beschränkt ist. 107

PID2 kann weiter zu PGF . metabolisiert werden, 9α,11β-PGF2 (das Stereoisomer von PGF) und die J-Reihe von Cyclopentanon-PGs, einschließlich PGJ2, 12 -PGJ2, und 15d-PGJ2. 108 Synthese von PGs der J-Serie beinhaltet PGD2 durchläuft eine anfängliche Dehydratisierungsreaktion, um PGJ . zu produzieren2 und 15d-PGJ2, danach PGJ2 wird in 15d-PGJ . umgewandelt2 und Δ 12 -PGJ2 über albuminabhängige bzw. albuminunabhängige Reaktionen. 109

PID2 Aktivität wird hauptsächlich durch DP oder DP1 und CRTH2 oder DP2 vermittelt, wie zuvor beschrieben (Tabelle). Auch 15d-PGJ2 bindet mit geringer Affinität das nukleäre PPARγ. 110

PID2 wird seit langem mit entzündlichen und atopischen Erkrankungen in Verbindung gebracht, obwohl es auch eine Reihe immunologisch relevanter entzündungshemmender Funktionen ausüben könnte.

PID2 ist das vorherrschende Prostanoid, das von aktivierten Mastzellen produziert wird, die IgE-vermittelte akute allergische Reaktionen vom Typ I auslösen. 104,111 Es ist allgemein bekannt, dass die Anwesenheit eines Allergens die Produktion von PID . auslöst2 bei sensibilisierten Personen. Bei Asthmatikern PID2, das innerhalb von Minuten in der bronchoalveolären Lavageflüssigkeit nachweisbar ist, erreicht biologisch aktive Spiegel, die mindestens 150-fach höher sind als die Präallergenspiegel. 112 PID2 wird auch von anderen Immunzellen produziert, wie Antigen-präsentierenden DCs und Th2 Zellen, was auf eine modulatorische Rolle für PGD . hindeutet2 bei der Entwicklung antigenspezifischer Immunantworten. 104,105 PID2 Provokation ruft mehrere Kennzeichen von allergischem Asthma hervor, wie Bronchokonstriktion und Infiltration von Eosinophilen der Atemwege, 113,114 und Mäuse, die L-PGDS überexprimieren, haben erhöhte PGD2 und eine erhöhte allergische Reaktion im OVA-induzierten Modell der Atemwegshyperreaktivität. 115

Die entzündungsfördernde Wirkung von PID2 scheinen sowohl von DP1- als auch von DP2/CRTH2-Rezeptoren vermittelt zu werden. Da beide Rezeptoren PGD . binden2 mit ähnlich hoher Affinität, PID2 die von aktivierten Mastzellen oder T-Zellen produziert werden, wären in der Lage, mehrere Signalwege zu aktivieren, die zu unterschiedlichen Wirkungen führen, je nachdem, ob die DP1- oder DP2/CRTH2-Rezeptoren oder beide lokal exprimiert werden.

Der DP1-Rezeptor wird auf dem Bronchialepithel exprimiert und soll die Produktion von Chemokinen und Zytokinen vermitteln, die entzündliche Lymphozyten und Eosinophile rekrutieren, was zu Atemwegsentzündungen und Hyperreaktivität bei Asthma führt. 116 Mäuse mit DP1-Mangel zeigen eine reduzierte Überempfindlichkeit der Atemwege und eine Th2-vermittelte Lungenentzündung im OVA-induzierten Asthma-Modell, was darauf hindeutet, dass DP1 eine Schlüsselrolle bei der Vermittlung der Wirkungen von PGD . spielt2 von Mastzellen während einer asthmatischen Reaktion freigesetzt. 62 Darüber hinaus ist PID2 kann die eosinophile Apoptose über den DP1-Rezeptor hemmen. 117

DP1-Antagonisten üben in mehreren experimentellen Modellen entzündungshemmende Eigenschaften aus, einschließlich der Hemmung der antigeninduzierten mikrovaskulären Permeabilität der Bindehaut bei Meerschweinchen und der OVA-induzierten Hyperreaktivität der Atemwege bei Mäusen. 118.119

DP2/CRTH2-Rezeptoren tragen weitgehend zu pathogenen Reaktionen bei, indem sie den entzündlichen Zelltransport vermitteln und die Effektorfunktionen modulieren. PID2 aus Mastzellen freigesetzt, kann die Rekrutierung von Th2-Lymphozyten und Eosinophilen direkt über den DP2/CRTH2-Rezeptor vermitteln. Beim Menschen wird der DP2/CRTH2-Rezeptor auf Th2-Lymphozyten, Eosinophilen und Basophilen, 8.120.121 exprimiert, und ein Anstieg von DP2/CRTH2 + T-Zellen wurde positiv mit bestimmten Formen der atopischen Dermatitis in Verbindung gebracht. 122 Der DP2/CRTH2-Rezeptor vermittelt nachweislich PGD2-stimulierte Chemotaxis dieser Zellen in vitro und Leukozytenmobilisierung in vivo. 123

Im Gegensatz zur proinflammatorischen Rolle der PID2 bei allergischer Entzündung, PID2 kann in anderen Zusammenhängen entzündungshemmend wirken. Der DP1-Rezeptor wird auf DCs exprimiert, die eine Schlüsselrolle bei der Initiierung einer adaptiven Immunantwort auf fremde Antigene spielen. PID2 Die Aktivierung des DP1-Rezeptors hemmt die DC-Migration von der Lunge zu den Lymphknoten nach einer OVA-Provokation, was zu einer verringerten Proliferation und Zytokinproduktion durch antigenspezifische T-Zellen führt. 124 DP1-Aktivierung reduziert auch die Eosinophilie bei allergischen Entzündungen bei Mäusen und vermittelt die Hemmung der Antigen-präsentierenden Langerhans-Zellfunktion durch PGD2. 125.126 Wie erwähnt, PID2 und sein Abbauprodukt 15d-PGJ2 wurden als COX-2-Produkte vorgeschlagen, die an der Auflösung von Entzündungen beteiligt sind. 28,127 Die Verabreichung eines COX-2-Inhibitors während der Auflösungsphase verschlimmerte die Entzündung in einem Carrageenan-induzierten Pleuritis-Modell 28 . In einem Zymosan-induzierten Peritonitis-Modell induzierte die Deletion von H-PGDS eine aggressivere Entzündungsreaktion und beeinträchtigte die Auflösung, Befunde, die durch Zugabe eines DP1-Agonisten oder 15d-PGJ . abgemildert wurden2. 123 Obwohl diese Daten eine PID zu implizieren scheinen,2 und 15d-PGJ2 in der Auflösung gibt es eine große Diskrepanz zwischen den nanomolaren bis pikomolaren Mengen von 15d-PGJ2 durch physikalisch-chemische Methoden in in-vivo-Einstellungen nachgewiesen wurden, und die Menge, die erforderlich ist, um in vitro eine biologische Wirkung auf PPARγ oder den Kernfaktor-κB zu haben (mikromolare Mengen). 32,128,129 Diese Diskrepanz wird durch neuere Daten gestützt, die bei Zymosan-induzierter Peritonitis berichtet wurden, wo wir eine evozierte Biosynthese von PGD . beobachteten2 nur während der proinflammatorischen Phase und nicht während der Auflösung. In Übereinstimmung mit dieser Beobachtung verringerte die DP2/CRTH2-Deletion die Schwere der akuten Entzündung, aber weder die DP1- noch die DP2/CRTH2-Deletion beeinflusste die Auflösung. Obwohl 15d-PGJ2 wird leicht nachgewiesen, wenn synthetische PGD2 wird in Nagetiere infundiert, 130 endogene Biosynthese von 15d-PGJ2 wurde während der Förderung oder Auflösung einer Entzündung nicht nachgewiesen (J. Mehta et al., unveröffentlichte Daten, 2010).

PID2 kann eine Rolle bei der Entwicklung der Arteriosklerose spielen. Im Zusammenhang mit einer entzündeten Intima, PID2 stammt teilweise von H-PGDS-produzierenden Entzündungszellen ab, die chemotaktisch gezwungen sind, das Gefäßsystem zu durchdringen. 131,132 Darüber hinaus wird die L-PGDS-Expression durch laminaren Scherstress in vaskulären Endothelzellen induziert und wird aktiv in synthetischen glatten Muskelzellen der atherosklerotischen Intima und koronaren Plaques von Arterien mit schwerer Stenose exprimiert. 133–135 PID2 es wurde gezeigt, dass es die Expression von proinflammatorischen Genen, wie der induzierbaren Stickoxid-Synthase und dem Plasminogen-Aktivator-Inhibitor, hemmt. 136,137 Tatsächlich beschleunigt ein L-PGDS-Mangel die Atherogenese. 138

Zusammenfassend deuten Studien mit COX-2-Hemmern darauf hin, dass Produkte dieses Enzyms bei mehreren Entzündungsmodellen eine Rolle bei der Auflösung spielen können. Die Identität solcher Produkte, ob direkt durch COX-2 oder aufgrund einer Substratumleitung infolge einer COX-2-Hemmung, muss jedoch in vielen Fällen noch geklärt werden.

PGF2α und Entzündung

PGF wird aus PGH . synthetisiert2 über die PGF-Synthase, und es wirkt über das FP, das mit G . koppeltQ Protein, um die intrazelluläre freie Calciumkonzentration zu erhöhen (Tabelle). Zwei unterschiedlich gespleißte Varianten des Schaf-FP-Rezeptor-Orthologen wurden beschrieben: FPEIN und FPB, die sich in der Länge ihrer C-terminalen Schwänze unterscheiden. 139 Der FP-Rezeptor ist unter den Prostanoid-Rezeptoren der am wenigsten selektive bei der Bindung der wichtigsten endogenen PGs sowohl PGD2 und PGE2 ligiere die FP mit EC50 Werte im nanomolaren Bereich. 140 PGF-Ringverbindungen können als Nebenprodukte aus anderen PGs gebildet werden. Zum Beispiel führt die enzymatische Reduktion der 9-Keto-Gruppe von PGE-Verbindungen durch 9-Ketoreduktasen entweder zu 9a-Hydroxyl, was PGF . ergibtα Verbindungen oder seltener ein 9b-Hydroxyl, die PGFβ Verbindungen. 141 PGF-Ring-Metaboliten können auch durch 11-Keto-Reduktasen aus PGD-Ringverbindungen gebildet werden. 142

15-Keto-dihydro-PGF, ein stabiler Hauptmetabolit von PGF die in vivo PGF . widerspiegelt Biosynthese, in größeren Mengen zuerst im peripheren Plasma und später im Urin sowohl bei basalen physiologischen Bedingungen als auch in bestimmten physiologischen und pathophysiologischen Situationen, wie akuten und chronischen Entzündungen, gefunden wird. 143

PGF, das hauptsächlich aus COX-1 im weiblichen Fortpflanzungssystem gewonnen wird, spielt eine wichtige Rolle beim Eisprung, der Luteolyse, der Kontraktion der glatten Uterusmuskulatur und der Einleitung der Geburt. 144.145 Jüngste Studien haben gezeigt, dass PGF spielt auch eine bedeutende Rolle bei der Nierenfunktion, 146 Kontraktion der Arterien, 147 Myokarddysfunktion, 148.149 Hirnverletzung, 150 und Schmerzen. 151 Analoga von PGF wurden zuvor zur Brunstsynchronisation und zum Abort bei Haustieren 152,153 und zur Beeinflussung der menschlichen Fortpflanzungsfunktion entwickelt. 154 FP-Agonisten werden weltweit häufig zur Senkung des Augeninnendrucks bei der Behandlung des Glaukoms eingesetzt. 155

Verabreichung von PGF führt zu einer akuten Entzündung und NSAIDs hemmen PGF Biosynthese sowohl in vitro als auch in vivo. 144 In Modellen der akuten Entzündung evozierte Biosynthese von PGF kann mit der durch freie Radikale katalysierten Erzeugung von F-Ring-Isoprostanen, Indizes der Lipidperoxidation, zusammenfallen. 156,157 Die in WT-Mäusen durch Injektion von LPS induzierte Tachykardie wird bei FP-defizienten oder TP-defizienten Mäusen stark abgeschwächt und fehlt bei Mäusen, denen diese beiden Rezeptoren fehlen, vollständig. 148 Eine kürzlich durchgeführte Studie berichtete, dass die Deletion von FP die Lungenfibrose selektiv abschwächt, ohne dass sich die alveoläre Entzündung nach einer mikrobiellen Invasion ändert. 158

Erhöhte Biosynthese von PGF wurde bei Patienten mit RA, Psoriasis-Arthritis, reaktiver Arthritis und Osteoarthritis berichtet. 159

Kardiovaskuläre Risikofaktoren wie Diabetes, Fettleibigkeit, Rauchen und eine Verdickung des Intima-Media-Verhältnisses in der Halsschlagader wurden unterschiedlich mit einem Anstieg des PGF . in Verbindung gebracht Metaboliten, zusammen mit IL-6 und Akute-Phase-Proteinen in Körperflüssigkeiten. 160,161 Die Deletion des FP senkt den Blutdruck und verzögert die begleitende Atherogenese bei hyperlipidämischen Mäusen trotz des Fehlens von nachweisbarem FP in großen Blutgefäßen und ihren atherosklerotischen Plaques. 162 PGF ist das am häufigsten vorkommende Prostanoid, das von menschlichen Nabelschnur-Endothelzellen als Reaktion auf laminare Scherbelastung gebildet wird, die die Expression von COX-2 hochreguliert. 163

Die aufkommende Rolle von PGF bei akuten und chronischen Entzündungen eröffnet Möglichkeiten für die Entwicklung neuer entzündungshemmender Medikamente.

Thromboxan und Entzündung

TXA2, ein instabiler AA-Metabolit mit einer Halbwertszeit von etwa 30 Sekunden, wird aus PGH . synthetisiert2 über Thromboxan-Synthase und wird nichtenzymatisch zu biologisch inaktivem TXB . abgebaut2. TXA2 wird hauptsächlich von Blutplättchen COX-1 abgeleitet, kann aber auch von anderen Zelltypen, einschließlich Makrophagen COX-2, produziert werden. 164.165

TXA2 Aktivität wird hauptsächlich durch die TP vermittelt, die mit G . koppeltQ, G12/13, und mehrere kleine G-Proteine, die wiederum mehrere Effektoren regulieren, einschließlich Phospholipase C, kleines G-Protein Rho und Adenylylcyclase (Tabelle). 166 TPα und TPβ, zwei gespleißte Isoformen von TP beim Menschen, kommunizieren mit verschiedenen G-Proteinen und unterliegen einer Heterodimerisierung, was zu Veränderungen des intrazellulären Verkehrs und der Rezeptorprotein-Konformationen führt. In Mäusen wird nur das TPα-Protein exprimiert.

Die TP-Aktivierung vermittelt mehrere physiologische und pathophysiologische Reaktionen, einschließlich Blutplättchenadhäsion und -aggregation, Kontraktion und Proliferation der glatten Muskulatur und Aktivierung endothelialer Entzündungsreaktionen. 167 Die TP-Funktion wird durch mehrere Faktoren reguliert, wie Oligomerisierung, Desensibilisierung und Internalisierung, Glykosylierung und Cross-Talk mit Rezeptor-Tyrosinkinasen. 167

Obwohl TXA2 ist der bevorzugte physiologische Ligand des TP-Rezeptors PGH2insbesondere auch diesen Rezeptor aktivieren. 168 Darüber hinaus sind Isoprostane (nichtenzymatische durch freie Radikale katalysierte peroxidative Produkte mehrfach ungesättigter Fettsäuren) und Hydroxyeicosatetraensäuren (von Lipoxygenasen und Cytochrom-P450-Monooxygenasen erzeugt oder durch nichtenzymatische Lipidperoxidation gebildet) ebenfalls potente Agonisten an TP-Rezeptoren. 169,170 Epoxyeicosatriensäure (Cytochrom-P450-Metaboliten von AA)-Dihydroderivate sind dagegen selektive endogene Antagonisten von TP. 171 Ob jedoch PGH2, Isoprostane oder Hydroxyeicosatetraensäuren tragen wesentlich zu den Reaktionen bei, die der TP-Aktivierung in vivo zugeschrieben werden, muss noch untersucht werden. Zum Beispiel kann die TP-Aktivierung durch Isoprostane eine wichtige Rolle in klinischen Situationen von oxidativem Stress spielen, wie beispielsweise während der Reperfusion nach einer Organtransplantation.

TP-defiziente Mäuse sind normotensiv, haben jedoch eine abgestumpfte vaskuläre Reaktion auf TP-Agonisten und neigen zu Blutungen. 172

Die Deletion von TP verringert die vaskuläre Proliferation und Thrombozytenaktivierung als Reaktion auf eine Gefäßverletzung, verzögert die Atherogenese und verhindert durch Angiotensin II- und l-NAME-induzierte Hypertonie und die damit verbundene kardiale Hypertrophie. 87,89,173,174

In septischen Schockmodellen schützten TP-Deletion oder TP-Antagonismus gegen verschiedene LPS-induzierte Reaktionen, wie die Zunahme der induzierbaren Stickoxid-Synthase-Expression, akutes Nierenversagen und entzündliche Tachykardie, 175,176, was auf eine mögliche Rolle von TXA . hindeutet2 als proinflammatorischer Mediator.

Der Phänotyp von Thromboxan-Synthase-defizienten Mäusen ist viel weniger ausgeprägt, vielleicht weil TXA2 ist nur einer der endogenen Liganden von TP und wahrscheinlicher, weil die Deletion dieses Enzyms das PGH . umleiten kann2 gegenüber anderen kompensierenden Synthasen. 177

Prostanoide in der Übersetzung

Dieser Review hat eine erstaunliche Komplexität von Beweisen über die Rolle von Prostanoiden bei Entzündungen beschrieben. Verschiedene Produkte haben widersprüchliche Wirkungen sowohl auf die Förderung als auch auf die Auflösung von Entzündungen. Das gleiche Produkt, das von verschiedenen Enzymen gebildet wird – COX-1 oder COX-2 – kann Entzündungen entweder fördern oder auflösen. Produkte desselben Enzyms können in verschiedenen Modellen Entzündungen fördern oder auflösen. Verschiedene Zelltypen, die in verschiedenen Stadien der Krankheitsentwicklung vorherrschen, erzeugen Prostanoide, die unterschiedliche Wirkungen auf Entzündungen haben. Einzelne Prostanoide überlappen sich in ihrer biologischen Wirkung erheblich mit anderen Mediatoren.

Diese Beobachtungen werfen mehrere Fragen auf.

Erstens, wie führt angesichts dieses komplexen Spektrums biologischer Wirkungen, die durch Prostanoide vermittelt werden, ihre allgemeine Hemmung hoch oben in der Kaskade zu Medikamenten, die einigermaßen gut verträglich und einigermaßen wirksam sind? Aspirin und die unzähligen NSAIDs, darunter Paracetamol und solche, die zur selektiven Hemmung von COX-2 entwickelt wurden, gehören zu den am häufigsten konsumierten Medikamenten auf dem Planeten. Harte Beweise, um diese Frage zu beantworten, sind knapp, aber lassen Sie uns spekulieren. Aspirin in Dosierungen von weniger als 100 mg pro Tag oder mehr als 1 g pro Tag hat äquivalente Wirkungen auf Thrombozyten-COX-1-abgeleitetes TXA2. Beide unterdrücken es komplett. Steigende tägliche Dosen von Aspirin hemmen jedoch zunehmend PGI2 zufällig mit diesem Effekt. Wir haben keine direkten randomisierten Vergleiche über die Dosierungen, aber indirekte Vergleiche deuten darauf hin, dass die kardioprotektive Wirksamkeit von Aspirin mit zunehmender Dosis schrittweise abgeschwächt werden kann. Ähnlich lokal gebildetes COX-1-abgeleitetes PGE2 und g.g.A2 schützen die Integrität des gastroduodenalen Epithels und von COX-1-abgeleitetes TXA . aus Thrombozyten2 trägt zur hämostatischen Kompetenz bei. Es wird angenommen, dass die Störung dieser Wege durch NSAIDs, die COX-1 hemmen, für NSAID-induzierte Geschwüre verantwortlich ist. Allerdings halbieren NSAIDs, die für die Hemmung von COX-2 selektiv sind, nur die relative Inzidenz schwerer gastrointestinaler Ereignisse. Dies kann teilweise ihren Einfluss auf gastroduodenale epitheliale COX-2-abhängige Prostanoide widerspiegeln, die die Heilung von Geschwüren beschleunigen. In diesen Beispielen verleihen Inhibitoren weit oben im Signalweg Vorteile, aber es handelt sich um einen Nettonutzen, und natürlich kann die Spanne dieses Vorteils von Person zu Person erheblich variieren. Wir verstehen die interindividuellen Unterschiede in der antiinflammatorischen Wirksamkeit zwischen den reversibel wirkenden NSAIDs nur unzureichend.

Prostanoide neigen dazu, in Systemen, in denen ihre Blockade zu klinischer Wirksamkeit geführt hat, relativ schwache Agonisten zu sein. Zum Beispiel TXA2 ist im Vergleich zu Thrombin ein relativ schwacher Thrombozytenagonist, und das System weist eine beträchtliche Redundanz auf.

Warum führt die Blockade von nur einem der vielen Wege der Thrombozytenaktivierung zu einem so großen Effekt, dass seine Wirkung durch eine so grobe und instrumentelle wie eine randomisierte klinische Studie nachgewiesen werden kann? Warum führt die Blockade von Sulfidopeptid-Leukotrienen allein bei vielen Bronchokonstriktoren zu einer klinischen Wirksamkeit bei Asthma oder warum ersetzen andere Mediatoren wie NO die kardioprotektive Wirkung von PGI . nicht?2, unterdrückt durch NSAIDs, die selektiv für die Hemmung von COX-2&bgr; Vielleicht wird die Wirksamkeit des Arzneimittels dadurch erreicht, dass Eicosanoide oft dazu neigen, als verstärkende Signale für andere, stärkere Agonisten zu fungieren. Thrombozyten mit Thrombin, ADP oder Kollagen aktivieren und TXA . freisetzen2 verstärkt und erhält die Aggregationsreaktion. Vielleicht ist Aspirin deshalb so wirksam bei der Sekundärprävention von Myokardinfarkt oder Schlaganfall. Warum andere Mediatoren nicht eingreifen, um unterdrückte Prostanoide zu ersetzen, könnte auf ihre einzigartige Bedeutung unter Umständen phänotypischer Störungen hinweisen, wie im Folgenden erörtert wird.

Wie werden Medikamente, die ihre Synthese unterbrechen, angesichts der unzähligen biologischen Wirkungen dieser Verbindungen überhaupt vertragen? NSAR können zwar zu lebensbedrohlichen gastrointestinalen oder kardiovaskulären Nebenwirkungen führen, jedoch nur bei einer kleinen Minderheit (vielleicht 1 bis 2 %) der exponierten Patienten. Dies kann die Tatsache widerspiegeln, dass die Prostanoidbildung ein homöostatisches Reaktionssystem ist. Unter physiologischen Bedingungen werden geringe Mengen dieser Verbindungen gebildet und ihre biologische Bedeutung ist in vielen Fällen marginal. Wenn ein System jedoch gestresst ist, können sie ausschlaggebend werden. Beispiele hierfür sind ihre wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung des renalen Blutflusses unter renopriven Bedingungen, ihre blutdrucksenkende Wirkung bei Patienten, die mit Vasopressoren infundiert wurden, oder ihre antithrombotische Wirkung bei Patienten mit erhöhtem Thrombogeneserisiko. Beispielsweise führt die Deletion des IP nicht zu einer spontanen Thrombose, sondern verstärkt eher die Reaktion auf thrombogene Stimuli. Auch wenn eine vorbestehende Herz-Kreislauf-Erkrankung häufig verwendet wurde, um die gesetzliche Haftung des Sponsors in Fällen zu mildern, in denen Patienten während der Einnahme von Coxiben einen Herzinfarkt erlitten, hängt das relative Risiko von Herzinfarkten unter Celecoxib mit der zugrunde liegenden Belastung durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen zusammen, eine erwartete Folge der Suppression von COX-2 abgeleiteten PGI2. 164

Sollten wir angesichts der gegensätzlichen Wirkungen von Prostanoiden den Weg gehen, um eine gezieltere und sicherere Reaktion zu erzielen? Derzeit haben wir fast keine Daten, die diese Frage beantworten. Im Fall von stromabwärts gelegener PG-Synthase versus COX-2-Hemmung unterstreicht die Erfahrung mit mPGES-1-Deletion die Komplexität des Vergleichs. Hier kann die Substratumleitung zu PGIS das kardiovaskuläre Risiko einer COX-2-Hemmung abschwächen, aber die analgetische Wirksamkeit verdünnen. Ein weiteres Beispiel ist der Vergleich zwischen niedrig dosiertem Aspirin zur Kardioprotektion und TP-Antagonismus. Die letztere Strategie vermeidet PGI2 Suppression, aber diese ist bei niedrig dosiertem Aspirin sehr bescheiden, im Durchschnitt 15 %. Um diesen theoretischen Nutzen zu erkennen, wäre eine enorme klinische Studie erforderlich. Alternativ könnte der Antagonist im Gegensatz zu Aspirin die TP-Aktivierung durch unkonventionelle Liganden wie Isoprostane und Hydroxyeicosatetraensäuren blockieren. Obwohl diese Verbindungen die TP aktivieren können, bleibt ihre Bedeutung in vivo, selbst in Situationen der Gewebereperfusion, wo sie im Überschuss gebildet werden, jedoch spekulativ. Man könnte diesen Vergleich natürlich modellieren und COX-1-Knockdown-Mäuse verwenden, die die asymmetrische Wirkung von niedrig dosiertem Aspirin auf die Thrombozyten-COX-1 nachahmen, um die Frage zu beantworten. Schließlich deutet die Überlappung der biologischen Konsequenzen der Aktivierung mehrerer Prostanoidrezeptoren – beispielsweise der IP-, EP2-, EP4- und DP1-Gruppe oder der FP-, TP- und EP1-Gruppe – auf die Möglichkeit hin, dass die Wirksamkeit im Laufe der Zeit verwässert werden könnte stromabwärts, um nur 1 Prostanoid im Pfad anzugreifen. Unser schlechtes Verständnis einer solchen potentiellen funktionellen Redundanz auf Rezeptorebene, geschweige denn die Implikationen der Rezeptordimerisierung, lassen diese Fragen für die Wirkstoffentwicklung offen.

Diese Komplexität legt sicherlich nahe, dass Tierversuche praktisch keinen Wert haben werden, wenn es um die Vorhersage von Arzneimittelwirkungen in vivo geht. Natürlich gelten für diesen Weg, wie auch für andere, die Einschränkungen der experimentellen Standardparadigmen. Wir untersuchen Mausmodelle der Atherosklerose, die keine spontane Plaque-Fissur und keinen thrombotischen Verschluss lebenswichtiger Arterien durchlaufen, um Schlussfolgerungen über die Prävention oder Provokation von Myokardinfarkten zu ziehen. Wir extrapolieren die medikamentöse Wirkung der murinen Toleranz einer Kochplatte auf Patienten, die sich einer Backenzahnextraktion unterziehen, um Therapien für ältere Frauen mit Kniearthrose zu erraten. Diese und viele solcher Beispiele wecken Vorsicht im Bereich der translationalen Therapeutika. Die Konsistenz der Evidenz aus verschiedenen Modellsystemen über mehrere Spezies hinweg kann jedoch, insbesondere wenn sie mit unabhängigen Evidenzlinien kombiniert wird, das Ergebnis in randomisierten klinischen Studien zur Arzneimittelwirkung auf diesem Weg mit einiger Sicherheit vorhersagen. Dies war bei der Vorhersage und mechanistischen Aufklärung der kardiovaskulären Gefahr durch NSAIDs der Fall. 178

Ist es schließlich wahrscheinlich, dass dieser Weg mehr therapeutische Möglichkeiten bietet? Neben Medikamenten, die bereits für verschiedene Indikationen zugelassen sind (wie Aspirin und die unzähligen NSAID-Analoga von PGE2, PGF2a, und ggA2 TP- und Leukotrien-Antagonisten), derzeit Inhibitoren der mPGES-1, 5-Lipoxygenase und ihres aktivierenden Faktors (fünf Lipoxygenase-aktivierende Proteine) sowie Antagonisten von DP1, DP2 und EP4 werden alle klinisch untersucht. Viele andere Targets im Eicosanoid-Weg werden derzeit präklinisch untersucht, ebenso wie andere, wie die multiplen sekretorischen Phospholipasen und die lösliche Epoxidhydrolase. Dies deckt sich mit neuen Informationen über alte Ziele.

Warum müssen wir beide COXs hemmen, nicht nur COX-1, um gastrointestinale Schäden in Modellsystemen zu sehen? 29 Warum ist eine Form von Aspirin auf die Thrombozytenhemmung im präsystemischen Kreislauf beschränkt und mit einer Verringerung der Inzidenz von Dickdarmkrebs verbunden? 179,180 Über die Biologie der Eicosanoide bleibt noch viel zu entdecken, und daraus ergeben sich wahrscheinlich neue therapeutische Möglichkeiten.

Abschluss

Prostanoide können akute Entzündungen fördern oder hemmen. Insbesondere Produkte von COX-2 können in bestimmten Situationen auch zur Auflösung von Entzündungen beitragen. Derzeit haben wir nur wenige Informationen darüber, welche Produkte von COX-2 diese Rolle übernehmen könnten oder ob die dominanten Faktoren eine Umlenkung des AA-Substrats auf andere Stoffwechselwege infolge einer Deletion oder Hemmung von COX-2 widerspiegeln. Wie bei Cyclopentanon-Prostanoiden können viele Arachidonat-Derivate, einschließlich transzellulärer Produkte, wenn sie als exogene Verbindungen synthetisiert und verabreicht werden, die Auflösung in Entzündungsmodellen fördern. Allerdings sind strenge physikalisch-chemische Beweise für die Bildung der endogenen Spezies in relevanten Mengen, um diese Rolle in vivo zu erfüllen, begrenzt. Die Aufklärung, ob und wie Prostanoide Entzündungen hemmen können und wie Substratmodifikationen, beispielsweise bei Fischölen, dieses Verständnis nutzen könnten, ist derzeit ein Schwerpunkt vieler Forschungen, aus denen wahrscheinlich neue therapeutische Strategien hervorgehen werden.

Finanzierungsquellen

Die Arbeit, die die Grundlage für die in diesem Review geäußerten Meinungen bildete, wurde von den National Institutes of Health Grants HL062250 , HL083799 und HL054500 (an G.A.F.) unterstützt. Dr. FitzGerald ist der McNeil-Professor für Translationale Medizin und Therapeutik.

Offenlegung

Dr. FitzGerald hat im vergangenen Jahr Astra Zeneca, Daiichi Sankyo, Logical Therapeutics, Lilly und Nicox zu NSAIDs und verwandten Wirkstoffen beraten. Die anderen Autoren berichten von keinen Konflikten.


Inhalt

Neuroinflammation wird weithin als chronische Entzündung im Gegensatz zur akuten Entzündung des zentralen Nervensystems angesehen. [5] Akute Entzündungen folgen normalerweise sofort einer Verletzung des Zentralnervensystems und sind durch entzündliche Moleküle, Endothelzellaktivierung, Thrombozytenablagerung und Gewebeödeme gekennzeichnet. [6] Chronische Entzündung ist die anhaltende Aktivierung von Gliazellen und die Rekrutierung anderer Immunzellen in das Gehirn. Es ist eine chronische Entzündung, die typischerweise mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht wird. Häufige Ursachen einer chronischen Neuroinflammation sind:

  • Toxische Metaboliten
  • Autoimmunität
  • Altern
  • Mikroben
  • Viren
  • Schädel-Hirn-Trauma
  • Rückenmarksverletzung

Gliazellen Bearbeiten

Mikroglia gelten als die angeborenen Immunzellen des zentralen Nervensystems. [2] Mikroglia untersuchen aktiv ihre Umgebung und verändern ihre Zellmorphologie als Reaktion auf eine neurale Verletzung signifikant. [7] Akute Entzündungen im Gehirn sind typischerweise durch eine schnelle Aktivierung von Mikroglia gekennzeichnet. [5] Während dieser Zeit gibt es keine periphere Immunantwort. Im Laufe der Zeit führt eine chronische Entzündung jedoch zum Abbau von Gewebe und der Blut-Hirn-Schranke. Während dieser Zeit erzeugen Mikroglia reaktive Sauerstoffspezies und setzen Signale frei, um periphere Immunzellen für eine Entzündungsreaktion zu rekrutieren. [7]

Astrozyten sind Gliazellen, die im Gehirn am häufigsten vorkommen. Sie sind an der Aufrechterhaltung und Unterstützung von Neuronen beteiligt und bilden einen wesentlichen Bestandteil der Blut-Hirn-Schranke. Nach einer Verletzung des Gehirns, wie einer traumatischen Hirnverletzung, können Astrozyten als Reaktion auf Signale aktiviert werden, die von verletzten Neuronen oder aktivierten Mikroglia freigesetzt werden. [6] [1] Einmal aktiviert, können Astrozyten verschiedene Wachstumsfaktoren freisetzen und morphologische Veränderungen erfahren. Zum Beispiel bilden Astrozyten nach einer Verletzung die Glianarbe, die aus einer Proteoglykanmatrix besteht, die die axonale Regeneration behindert. [6] Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass Glia-Narben für die axonale Regeneration nicht schädlich, sondern von Vorteil sind. [8]

Zytokine Bearbeiten

Zytokine sind eine Klasse von Proteinen, die Entzündungen, Zellsignale und verschiedene Zellprozesse wie Wachstum und Überleben regulieren. [9] Chemokine sind eine Untergruppe von Zytokinen, die die Zellmigration regulieren, beispielsweise Immunzellen an eine Infektions- oder Verletzungsstelle locken. [9] Verschiedene Zelltypen im Gehirn können Zytokine und Chemokine wie Mikroglia, Astrozyten, Endothelzellen und andere Gliazellen produzieren. Physiologisch fungieren Chemokine und Zytokine als Neuromodulatoren, die Entzündungen und Entwicklung regulieren. Im gesunden Gehirn sezernieren Zellen Zytokine, um eine lokale entzündliche Umgebung zu erzeugen, um Mikroglia zu rekrutieren und die Infektion oder Verletzung zu beseitigen. Bei einer Neuroinflammation können Zellen jedoch eine anhaltende Freisetzung von Zytokinen und Chemokinen aufweisen, die die Blut-Hirn-Schranke beeinträchtigen können. [10] Periphere Immunzellen werden über diese Zytokine an den Ort der Verletzung gerufen und können nun über die geschwächte Blut-Hirn-Schranke in das Gehirn wandern. Häufige Zytokine, die als Reaktion auf eine Hirnverletzung produziert werden, sind: Interleukin-6 (IL-6), das während der Astrogliose gebildet wird, und Interleukin-1 beta (IL-1β) und Tumornekrosefaktor alpha (TNF-α), die neuronale induzieren können Zytotoxizität. Obwohl die entzündungsfördernden Zytokine Zelltod und sekundäre Gewebeschäden verursachen können, sind sie notwendig, um das geschädigte Gewebe zu reparieren. [11] Beispielsweise verursacht TNF-α in frühen Stadien der Neuroinflammation Neurotoxizität, trägt aber in späteren Stadien der Entzündung zum Gewebewachstum bei.

Die Blut-Hirn-Schranke ist eine Struktur aus Endothelzellen und Astrozyten, die eine Barriere zwischen dem Gehirn und dem zirkulierenden Blut bildet. Physiologisch kann so das Gehirn vor potenziell toxischen Molekülen und Zellen im Blut geschützt werden. Astrozyten bilden Tight Junctions und können daher streng regulieren, was die Blut-Hirn-Schranke passieren und in den interstitiellen Raum gelangen kann. [6] Nach Verletzungen und anhaltender Freisetzung von Entzündungsfaktoren wie Chemokinen kann die Blut-Hirn-Schranke geschwächt sein und für zirkulierende Blutbestandteile und periphere Immunzellen durchlässig werden. Zellen, die an der angeborenen und adaptiven Immunantwort beteiligt sind, wie Makrophagen, T-Zellen und B-Zellen, können dann in das Gehirn eindringen. Dies verschlimmert das entzündliche Milieu des Gehirns und trägt zu chronischer Neuroinflammation und Neurodegeneration bei.

Traumatische Hirnverletzung (SHT) ist ein Hirntrauma, das durch eine erhebliche Krafteinwirkung auf den Kopf verursacht wird. [6] Nach SHT gibt es sowohl reparative als auch degenerative Mechanismen, die zu einem entzündlichen Milieu führen. Innerhalb von Minuten nach der Verletzung werden proinflammatorische Zytokine freigesetzt. Das proinflammatorische Zytokin Il-1β ist ein solches Zytokin, das die durch TBI verursachte Gewebeschädigung verschlimmert. SHT kann lebenswichtige Komponenten des Gehirns, einschließlich der Blut-Hirn-Schranke, erheblich schädigen. Il-1β verursacht DNA-Fragmentierung und Apoptose und kann zusammen mit TNF-α die Blut-Hirn-Schranke schädigen und Leukozyten infiltrieren. (). Im menschlichen Gehirn wurde nach einer Gehirnerschütterung eine erhöhte Dichte aktivierter Immunzellen festgestellt. [1]

Rückenmarksverletzungen (SCI) können in drei separate Phasen unterteilt werden. Die primäre oder akute Phase tritt von Sekunden bis Minuten nach der Verletzung auf, die sekundäre Phase tritt von Minuten bis Wochen nach der Verletzung auf und die chronische Phase tritt von Monaten bis Jahren nach der Verletzung auf. [12] Eine primäre SCI wird durch Kompression oder Durchtrennung des Rückenmarks verursacht, was zu Glutamat-Exzitotoxizität, Natrium- und Calciumionen-Ungleichgewichten und Schäden durch freie Radikale führt. [13] Neurodegeneration durch Apoptose und Demyelinisierung neuronaler Zellen verursacht eine Entzündung an der Verletzungsstelle. [12] Dies führt zu einer sekundären SCI, deren Symptome Ödeme, Kavitation des Spinalparenchyms, reaktive Gliose und möglicherweise dauerhafter Funktionsverlust umfassen. [12]

Während der SCI induzierten Entzündungsreaktionen mehrere proinflammatorische Zytokine, darunter Interleukin 1β (IL-1β), induzierbare Stickoxidsynthase (iNOS), Interferon-γ (IFN-γ), IL-6, IL-23 und Tumornekrosefaktor α (TNFα) werden sezerniert, aktivieren lokale Mikroglia und ziehen verschiedene Immunzellen an, wie z. B. naive aus Knochenmark stammende Makrophagen. [14] Diese aktivierten Mikroglia und Makrophagen spielen eine Rolle bei der Pathogenese von SCI.

Bei Infiltration des Epizentrums der Verletzungsstelle werden Makrophagen eine Phänotyp-Umschaltung von einem M2-Phänotyp zu einem M1-ähnlichen Phänotyp durchlaufen.Der M2-Phänotyp ist mit entzündungshemmenden Faktoren wie IL-10, IL-4 und IL-13 verbunden und trägt zur Wundheilung und Gewebereparatur bei. Der M1-ähnliche Phänotyp ist jedoch mit proinflammatorischen Zytokinen und reaktiven Sauerstoffspezies verbunden, die zu erhöhten Schäden und Entzündungen beitragen. [15] Es wurde gezeigt, dass Faktoren wie Myelin-Trümmer, die durch die Verletzung an der Schadensstelle gebildet werden, die Phänotypverschiebung von M2 zu M1 induzieren. [16] Eine verringerte Population von M2-Makrophagen und eine erhöhte Population von M1-Makrophagen wird mit einer chronischen Entzündung in Verbindung gebracht. [16] Kurzfristige Entzündungen sind wichtig, um Zelltrümmer von der Verletzungsstelle zu entfernen, aber es ist diese chronische, langfristige Entzündung, die zu weiterem Zelltod und Schäden führt, die von der Verletzungsstelle ausgehen. [17]

Altern ist oft mit kognitiven Beeinträchtigungen und einer erhöhten Neigung zur Entwicklung neurodegenerativer Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit verbunden. [18] Erhöhte Entzündungsmarker schienen den Alterungsprozess des Gehirns zu beschleunigen [19] Allein im gealterten Gehirn, ohne erkennbare Krankheit, gibt es chronisch erhöhte Spiegel an proinflammatorischen Zytokinen und reduzierte Spiegel an entzündungshemmenden Zytokinen. Das homöostatische Ungleichgewicht zwischen entzündungshemmenden und proinflammatorischen Zytokinen im Alter ist ein Faktor, der das Risiko für neurodegenerative Erkrankungen erhöht. Darüber hinaus gibt es eine erhöhte Anzahl aktivierter Mikroglia in gealterten Gehirnen, die eine erhöhte Expression des Haupthistokompatibilitätskomplexes II (MHC II), des ionisierten Calciumbindungsadapters 1 (IBA1), CD86, ED1-Makrophagen-Antigen, CD4 und des gemeinsamen Leukozyten-Antigens aufweisen . [20] Diese aktivierten Mikroglia vermindern die Fähigkeit von Neuronen, im Hippocampus eine Langzeitpotenzierung (LTP) zu durchlaufen, und verringern dadurch die Fähigkeit, Erinnerungen zu bilden. [21]

Alzheimer-Krankheit Bearbeiten

Die Alzheimer-Krankheit (AD) ist historisch durch zwei Hauptmerkmale gekennzeichnet: neurofibrilläre Knäuel und Amyloid-Beta-Plaques. [22] Neurofibrilläre Tangles sind unlösliche Aggregate von Tau-Proteinen, und Amyloid-beta-Plaques sind extrazelluläre Ablagerungen des Amyloid-beta-Proteins. Die gegenwärtige Denkweise in der AD-Pathologie geht über diese beiden typischen Kennzeichen hinaus und legt nahe, dass ein erheblicher Teil der Neurodegeneration bei Alzheimer auf Neuroinflammation zurückzuführen ist. [22] [23] Aktivierte Mikroglia werden in postmortalen AD-Gehirnen in Hülle und Fülle beobachtet. Derzeit wird angenommen, dass entzündliche Zytokin-aktivierte Mikroglia Amyloid-beta nicht phagozytieren können, was zur Plaqueakkumulation im Gegensatz zur Clearance beitragen kann. [24] Darüber hinaus wird das inflammatorische Zytokin IL-1β bei AD hochreguliert und ist mit einer Abnahme von Synaptophysin und einem daraus resultierenden synaptischen Verlust verbunden. Ein weiterer Beweis dafür, dass Entzündungen mit der Krankheitsprogression bei AD assoziiert sind, ist, dass Personen, die regelmäßig nichtsteroidale Antirheumatika (NSAIDs) einnehmen, später im Leben mit einer reduzierten AD in Verbindung gebracht wurden. [ Zitat benötigt ] Erhöhte Entzündungsmarker zeigten einen Zusammenhang mit beschleunigter Gehirnalterung, was den Zusammenhang mit Neurodegeneration in AD-bezogenen Hirnregionen erklären könnte. [19]

Parkinson-Krankheit Bearbeiten

Die führende Hypothese des Fortschreitens der Parkinson-Krankheit umfasst die Neuroinflammation als Hauptkomponente. [25] Diese Hypothese besagt, dass das Stadium 1 der Parkinson-Krankheit im Darm beginnt, was durch eine große Anzahl von Fällen belegt wird, die mit Verstopfung beginnen [25]. Zitat benötigt ] . Die Entzündungsreaktion im Darm kann eine Rolle spielen [ Zitat benötigt ] bei der Aggregation und Fehlfaltung von Alpha-Synuclein (α-Syn), einem charakteristischen Merkmal der Parkinson-Krankheit. Wenn im Darm ein Gleichgewicht zwischen guten und schlechten Bakterien besteht, können die Bakterien im Darm zurückbleiben. Eine Dysbiose von guten Bakterien und schlechten Bakterien kann jedoch einen „undichten“ Darm verursachen, der eine Entzündungsreaktion hervorruft. Diese Reaktion unterstützt die Fehlfaltung von α-Syn und den Transfer zwischen Neuronen, während das Protein sich bis zum ZNS vorarbeitet. [ Zitat benötigt ] Der Hirnstamm ist anfällig für Entzündungen, was Stadium 2 erklären würde, einschließlich Schlafstörungen und Depressionen. Im Stadium 3 der Hypothese befällt die Entzündung die Substantia nigra, die Dopamin-produzierenden Zellen des Gehirns, wodurch die charakteristischen motorischen Defizite der Parkinson-Krankheit beginnen. Stadium 4 der Parkinson-Krankheit umfasst Defizite, die durch Entzündungen in Schlüsselregionen des Gehirns verursacht werden, die die exekutive Funktion und das Gedächtnis regulieren. Als Beleg für diese Hypothese zeigen Patienten im Stadium 3 (motorische Defizite), die keine kognitiven Defizite aufweisen, bereits eine Neuroinflammation des Kortex. Dies deutet darauf hin, dass Neuroinflammation ein Vorläufer der Defizite sein kann, die bei der Parkinson-Krankheit beobachtet werden. [25]

Multiple Sklerose Bearbeiten

Multiple Sklerose ist die häufigste neurologische Erkrankung junger Erwachsener. [26] Es ist durch Demyelinisierung und Neurodegeneration gekennzeichnet, die zu den üblichen Symptomen von kognitiven Defiziten, Gliedmaßenschwäche und Müdigkeit beitragen. [27] Bei Multipler Sklerose unterbrechen entzündliche Zytokine die Blut-Hirn-Schranke und ermöglichen die Einwanderung peripherer Immunzellen in das zentrale Nervensystem. Wenn sie in das Zentralnervensystem eingewandert sind, produzieren B-Zellen und Plasmazellen Antikörper gegen die Myelinscheide, die Neuronen isoliert, das Myelin abbaut und die Leitung in den Neuronen verlangsamt. Darüber hinaus können T-Zellen durch die Blut-Hirn-Schranke eindringen, durch lokale Antigen-präsentierende Zellen aktiviert werden und die Myelinscheide angreifen. Dies hat den gleichen Effekt, dass das Myelin abgebaut und die Reizleitung verlangsamt wird. Wie bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen produzieren aktivierte Mikroglia entzündliche Zytokine, die zu einer weit verbreiteten Entzündung beitragen. Es hat sich gezeigt, dass die Hemmung von Mikroglia die Schwere der Multiplen Sklerose verringert. [25]

Medikamentöse Therapie Bearbeiten

Da Neuroinflammation mit einer Vielzahl von neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht wurde, besteht ein wachsendes Interesse daran, festzustellen, ob eine Verringerung der Entzündung die Neurodegeneration umkehrt. Die Hemmung von entzündlichen Zytokinen, wie IL-1β, verringert den neuronalen Verlust, der bei neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet wird. Gegenwärtige Behandlungen für Multiple Sklerose umfassen Interferon-B, Glatirameracetat und Mitoxantron, die durch Verringerung oder Hemmung der T-Zell-Aktivierung wirken, aber die Nebenwirkung einer systemischen Immunsuppression haben [28] Bei der Alzheimer-Krankheit die Verwendung von nicht-steroidalen entzündungshemmenden Medikamente verringern das Risiko, an der Krankheit zu erkranken. Gegenwärtige Behandlungen für die Alzheimer-Krankheit umfassen NSAIDs und Glukokortikoide. NSAIDs wirken, indem sie die Umwandlung von Prostaglandin H2 in andere Prostaglandine (PGs) und Thromboxan (TX) blockieren. Prostoglandine und Thromboxan wirken als Entzündungsmediatoren und erhöhen die mikrovaskuläre Permeabilität.

Übung bearbeiten

Bewegung ist ein vielversprechender Mechanismus zur Vorbeugung und Behandlung verschiedener Krankheiten, die durch Neuroinflammation gekennzeichnet sind. [20] Aerobes Training wird häufig verwendet, um Entzündungen in der Peripherie zu reduzieren. Es hat sich gezeigt, dass Bewegung die Proliferation von Mikroglia im Gehirn verringert, die Hippocampus-Expression von immunbezogenen Genen verringert und die Expression von entzündlichen Zytokinen wie TNF-α verringert.


Entzündungsmediatoren

Die Entzündungsreaktion ist eine Kombination verschiedener chemischer Mediatoren aus dem Blutkreislauf, Immunzellen und verletztem Gewebe. Dazu gehören vasoaktive Amine (Histamin), Peptide (Bradykinin) und Eicosanoide (Leukotriene).

Vasoaktive Amine

Dies sind eine Gruppe von Verbindungen, die eine Aminosäure enthalten, um die Durchdringung von Blutgefäßen zu verändern. Es gibt zwei wirksame Moleküle, Histamin und Serotonin. Sie sind als beginnende Entzündungsmediatoren bekannt, die in Mastzellen gespeichert sind.

Histamin wird im Allgemeinen von Mastzellen gebildet. Basophile und Blutplättchen produzierten es auch durch die Decarboxylierung der Histidin-Aminosäure. Es wird aufgrund der Anzahl von Stimulatoren wie Gewebeschädigung, Fc-Rezeptorbindung von IgE-Antikörpern an die Mastzelle, C3a- und C5a-Komplement usw. freigesetzt. Es erweitert die Blutgefäße, indem es zur Endothelkontraktion und zur Bildung von interendothelialen Lücken verleitet.

Es ist ein Derivat von Tryptophan, das in Blutplättchen vorhanden ist. Es ist auch in Neuronen und enterochromaffinen Zellen vorhanden. Die Ansammlung von Blutplättchen ermöglicht seine Freisetzung und Funktion, um Blutgefäße, Neurotransmitter usw. zu verengen. Es wirkt bei Entzündungen im Gegensatz zu Histamin.

Bradykinin sind Nonapeptide, die von Natur aus vasoaktiv sind. Sie werden durch die Aktivität des Enzyms Proteasen produziert. Sie sind wichtig bei der Blutdruckkontrolle und bei Entzündungsreaktionen. Es verursacht eine Vasodilatation der Arterien und Venen des Darms, der Aorta, der Gebärmutter und der Harnröhre. Es ist jetzt auch für seine Rolle bei der Neurosignalisierung und einer Steuerung einiger Nieren- und Gefäßfunktionen bekannt.

Eicosanoide

Eicosanoide werden aus mehrfach ungesättigten Fettsäuren durch Sauerstoffanreicherung von Biolipiden gewonnen. Sie wirken in verschiedenen physiologischen Mechanismen und pathologischen Reaktionen wie Allergie, Fieber, Entzündungshemmung usw. Ihr Signalmechanismus ist ähnlich wie bei Zytokinen in der Entzündungsreaktion und der Bildung proinflammatorischer Komponenten. Eicosanoide haben bedeutende Untergruppen verschiedener Verbindungen, am auffälligsten Prostaglandine, Leukotriene, Lipoxin, Thromboxan, Eoxine usw.

Prostaglandine

Sie spielen eine bedeutende Rolle bei der Erzeugung von Entzündungsreaktionen. Ihre Produktion erhöhte sich in verletzten entzündeten Geweben und signifikante Entzündungszeichen, die durch ihre Produktion angezeigt wurden. Prostaglandin E2 am reichlichsten im Körper mit verschiedenen Funktionen wie Blutdruckkontrolle, Immunreaktion, Fruchtbarkeit usw. gebildet werden. Im Entzündungsprozess haben sie eine wichtige Eigenschaft für die Erzeugung grundlegender Entzündungszeichen: Rötung, Schwellung und Schmerzen. Erythem und Schwellung treten aufgrund eines schnellen Blutflusses durch Vergrößerung und erhöhte Durchdringung der Gefäße auf. Schmerzen werden durch die Wirkung von PGE . vermittelt2 auf sensorischen Neuronen.

Leukotriene

Leukotriene gehören zur Familie der Eicosanoide und nutzen Lipidsignale als autokrine oder parakrine Signalübertragung. Ihre Synthese wird durch die Produktion von Histamin und Prostaglandin ergänzt. Sie stimulieren die Kontraktion der glatten Muskulatur und ihre überschüssige Menge verursacht Entzündungen in der Bronchialschleimhaut und bei allergischen Reaktionen. Sie haben auch chemotaktischen Einfluss auf Neutrophile.

Thromboxan

Thromboxan wird auch aus dem Arachidonsäure-Stoffwechsel gebildet. Sie erhalten diesen Namen aufgrund ihrer Gerinnselbildungsaktivität, die als Thrombose bekannt ist. Die wichtigsten Thromboxantypen sind Thromboxan A2 und Thromboxan B2. Sie werden aus Blutplättchen ausgeschieden, aber ihr Sekretionsmechanismus ist nicht bekannt. Es hat eine hypertensive Natur und besitzt eine vasokonstriktionierende Aktivität. Und sie fördern die Ansammlung von Blutplättchen und die Bildung eines Gerinnsels.

Entzündliches Zytokin

Zytokine sind kleine Proteine, die von Zellen freigesetzt werden, die eine besondere Aktivität auf die Interaktion zwischen Zellen haben, und es ist ein kommunizierendes Modul von Zellen. Sie wirken selbsttätig oder benachbarte Aktionsmoleküle und in einigen Fällen funktionieren sie auch auf abgeschiedenen Zellen. Zu diesen Zytokinen gehören der nekrotische Tumorfaktor, Interferon-Gamma, Interleukin 1 (IL-1), IL-12, IL-8 und der Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierende Faktor.

Akute-Phase-Protein

Akute-Phase-Proteine ​​(APP), die als Bestandteil der angeborenen Immunantwort mit variabler Serumkonzentration erzeugt werden. Diese Akute-Phase-Proteine ​​werden in negative und positive Plasmakonzentrationen eingeteilt.

Positive Akute-Phase-Proteine

Positives Akute-Phase-Protein ist ein Zeichen für eine starke Entzündungsreaktion. Sie werden nach ihrer Konzentrationserhöhung im Blut in große, mäßige und geringfügige Untergruppen unterteilt. Schnelligkeit und Ausmaß dieser Proteine ​​kontrastieren mit verschiedenen Arten.

Negative Akute-Phase-Proteine

Die Konzentration dieser Proteine ​​verringert sich bei einer Entzündungsreaktion um 25 %. Die beiden wichtigsten negativen Akute-Phase-Proteine ​​sind Transferrin und Albumin. Die Proteinkonzentration nimmt langsam ab. Der Reduktionsmechanismus beinhaltet eine Reihe von Reaktionen, wie z. B. die Produktion dieser Proteine ​​reduziert, entzündliche Zytokine induzieren eine geringere Produktion usw.


Inhalt

Vergleich zwischen akuter und chronischer Entzündung:
Akut Chronisch
Erreger Bakterielle Krankheitserreger, verletztes Gewebe Anhaltende akute Entzündung durch nicht abbaubare Krankheitserreger, Virusinfektion, persistierende Fremdkörper oder Autoimmunreaktionen
Wichtige Zellen beteiligt Neutrophile (hauptsächlich), Basophile (Entzündungsreaktion) und Eosinophile (Antwort auf Helminthenwürmer und Parasiten), mononukleäre Zellen (Monozyten, Makrophagen) Mononukleäre Zellen (Monozyten, Makrophagen, Lymphozyten, Plasmazellen), Fibroblasten
Hauptmediatoren Vasoaktive Amine, Eicosanoide IFN-γ und andere Zytokine, Wachstumsfaktoren, reaktive Sauerstoffspezies, hydrolytische Enzyme
Beginn Sofort Verspätet
Dauer Ein paar Tage Bis zu vielen Monaten oder Jahren
Ergebnisse Auflösung, Abszessbildung, chronische Entzündung Gewebezerstörung, Fibrose, Nekrose

Akute Entzündung Bearbeiten

Eine akute Entzündung tritt unmittelbar nach der Verletzung auf und dauert nur wenige Tage. [7] Zytokine und Chemokine fördern die Migration von Neutrophilen und Makrophagen zum Entzündungsort. [7] Krankheitserreger, Allergene, Toxine, Verbrennungen und Erfrierungen sind einige der Ursachen für akute Entzündungen. [7] Toll-like-Rezeptoren (TLRs) erkennen mikrobielle Krankheitserreger. [7] Akute Entzündungen können eine Möglichkeit sein, Gewebe vor Verletzungen zu schützen. [7] Eine Entzündung, die 2–6 Wochen andauert, wird als subakute Entzündung bezeichnet. [7] [8]

Chronische Entzündung Bearbeiten

Chronische Entzündungen sind Entzündungen, die Monate oder Jahre andauern. [8] Makrophagen, Lymphozyten und Plasmazellen überwiegen bei chronischen Entzündungen, im Gegensatz zu den Neutrophilen, die bei akuten Entzündungen vorherrschen. [8] Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Allergien und chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (COPD) sind Beispiele für Krankheiten, die durch chronische Entzündungen vermittelt werden. [8] Fettleibigkeit, Rauchen, Stress und schlechte Ernährung sind einige der Faktoren, die chronische Entzündungen fördern. [8] Eine Studie aus dem Jahr 2014 berichtete, dass 60% der Amerikaner mindestens eine chronisch entzündliche Erkrankung hatten, während 42% mehr als eine hatten. [8]

Kardinalzeichen Bearbeiten

Die klassischen Anzeichen und Symptome einer akuten Entzündung:
Englisch Latein
Rötung Rubor*
Schwellung Tumor*
Hitze Kalorien*
Schmerzen Dolor*
Verlust der Funktion Funktion laesa**
Alle oben genannten Zeichen können in bestimmten Fällen beobachtet werden, aber es darf selbstverständlich kein einzelnes Zeichen vorhanden sein. [9]

Dies sind die ursprünglichen oder kardinalen Anzeichen einer Entzündung. [9] *

Funktion laesa ist ein veralteter Begriff, da er nicht nur bei Entzündungen vorkommt und für viele Krankheitszustände charakteristisch ist. [10] **

Eine akute Entzündung ist ein kurzfristiger Prozess, der normalerweise innerhalb weniger Minuten oder Stunden auftritt und nach Wegfall des schädigenden Reizes nachlässt. [11] Es beinhaltet eine koordinierte und systemische Mobilisierungsreaktion lokal verschiedener immunologischer, endokriner und neurologischer Mediatoren einer akuten Entzündung. Bei einer normalen gesunden Reaktion wird es aktiviert, beseitigt den Erreger und beginnt einen Reparaturprozess und hört dann auf. [12] Es zeichnet sich durch fünf Kardinalzeichen aus: [13]

Die traditionellen Bezeichnungen für Entzündungszeichen stammen aus dem Lateinischen:

Die ersten vier (klassischen Zeichen) wurden von Celsus beschrieben (ca. 30 v. Chr.–38 n. Chr.), [15] während Verlust der Funktion wurde wahrscheinlich später von Galen hinzugefügt. [16] Die Hinzufügung dieses fünften Zeichens wurde jedoch auch Thomas Sydenham [17] und Virchow zugeschrieben. [11] [13]

Rötung und Hitze sind auf eine erhöhte Durchblutung der entzündeten Stelle bei Körperkerntemperatur zurückzuführen. Schwellung wird durch Flüssigkeitsansammlung verursacht Schmerzen wird durch die Freisetzung von Chemikalien wie Bradykinin und Histamin verursacht, die die Nervenenden stimulieren. Funktionsverlust hat mehrere Ursachen. [13]

Eine akute Lungenentzündung (in der Regel als Reaktion auf eine Lungenentzündung verursacht) verursacht keine Schmerzen, es sei denn, die Entzündung betrifft die Pleura parietalis, die schmerzempfindliche Nervenenden hat. [13]

Verlauf einer akuten Entzündung Bearbeiten

Der Prozess der akuten Entzündung wird durch bereits im betroffenen Gewebe vorhandene residente Immunzellen eingeleitet, hauptsächlich residente Makrophagen, dendritische Zellen, Histiozyten, Kupffer-Zellen und Mastzellen. Diese Zellen besitzen Oberflächenrezeptoren, die als bekannt sind Mustererkennungsrezeptoren (PRRs), die zwei Unterklassen von Molekülen erkennen (d. h. binden): Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) und schadensassoziierte molekulare Muster (DAMPs). PAMPs sind Verbindungen, die mit verschiedenen Pathogenen assoziiert sind, sich aber von Wirtsmolekülen unterscheiden lassen. DAMPs sind Verbindungen, die mit Wirtsschäden und Zellschäden in Verbindung gebracht werden.

Zu Beginn einer Infektion, einer Verbrennung oder einer anderen Verletzung werden diese Zellen aktiviert (einer der PRR erkennt ein PAMP oder DAMP) und setzt Entzündungsmediatoren frei, die für die klinischen Anzeichen einer Entzündung verantwortlich sind. Vasodilatation und die daraus resultierende erhöhte Durchblutung verursacht die Rötung (rubor) und erhöhte Hitze (Kalorien). Eine erhöhte Durchlässigkeit der Blutgefäße führt zu einer Exsudation (Leckage) von Plasmaproteinen und Flüssigkeit in das Gewebe (Ödem), die sich als Schwellung (Tumor). Einige der freigesetzten Mediatoren wie Bradykinin erhöhen die Schmerzempfindlichkeit (Hyperalgesie, dolor). Die Mediatormoleküle verändern auch die Blutgefäße, um die Migration von Leukozyten, hauptsächlich Neutrophilen und Makrophagen, zu ermöglichen, um aus den Blutgefäßen (Extravasation) und in das Gewebe zu fließen. Die Neutrophilen wandern entlang eines chemotaktischen Gradienten, der von den lokalen Zellen erzeugt wird, um die Verletzungsstelle zu erreichen. [11] Der Funktionsverlust (functio laesa) ist wahrscheinlich das Ergebnis eines neurologischen Reflexes als Reaktion auf Schmerzen.

Zusätzlich zu zellabgeleiteten Mediatoren wirken mehrere azelluläre biochemische Kaskadensysteme, die aus vorgeformten Plasmaproteinen bestehen, parallel, um die Entzündungsreaktion zu initiieren und zu verbreiten. Dazu gehören das durch Bakterien aktivierte Komplementsystem und die durch Nekrose aktivierten Gerinnungs- und Fibrinolysesysteme, z. eine Verbrennung oder ein Trauma. [11]

Akute Entzündungen können als die erste Verteidigungslinie gegen Verletzungen angesehen werden. Eine akute Entzündungsreaktion erfordert eine ständige Stimulation, um aufrechterhalten zu werden. Entzündungsmediatoren sind kurzlebig und werden im Gewebe schnell abgebaut. Daher beginnt die akute Entzündung aufzuhören, sobald der Reiz entfernt wurde. [11]

Vasodilatation und erhöhte Permeabilität Bearbeiten

Wie definiert, ist eine akute Entzündung eine immunvaskuläre Reaktion auf einen Entzündungsreiz. Dies bedeutet, dass eine akute Entzündung grob in eine vaskuläre Phase unterteilt werden kann, die zuerst auftritt, gefolgt von einer zellulären Phase, in der Immunzellen beteiligt sind (genauer gesagt myeloische Granulozyten in der akuten Situation). Die vaskuläre Komponente einer akuten Entzündung beinhaltet die Bewegung von Plasmaflüssigkeit, die wichtige Proteine ​​wie Fibrin und Immunglobuline (Antikörper) enthält, in das entzündete Gewebe.

Bei Kontakt mit PAMPs setzen Gewebemakrophagen und Mastozyten vasoaktive Amine wie Histamin und Serotonin sowie Eicosanoide wie Prostaglandin E2 und Leukotrien B4 frei, um das lokale Gefäßsystem umzugestalten. Makrophagen und Endothelzellen setzen Stickstoffmonoxid frei. Diese Mediatoren erweitern und permeabilisieren die Blutgefäße, was zu einer Nettoverteilung des Blutplasmas aus dem Gefäß in den Geweberaum führt. Die vermehrte Ansammlung von Flüssigkeit im Gewebe führt zu einer Schwellung (Ödem). Diese ausgeschiedene Gewebeflüssigkeit enthält verschiedene antimikrobielle Mediatoren aus dem Plasma wie Komplement, Lysozym, Antikörper, die Mikroben sofort schädigen und die Mikroben als Vorbereitung auf die zelluläre Phase opsonisieren können. Wenn der Entzündungsreiz eine reißende Wunde ist, können exsudierte Blutplättchen, Koagulantien, Plasmin und Kinine den Wundbereich verklumpen und in erster Linie für eine Blutstillung sorgen. Diese Gerinnungsmediatoren bieten auch an der entzündlichen Gewebestelle ein strukturelles Staging-Gerüst in Form eines Fibringitters – ebenso wie ein Baugerüst auf einer Baustelle –, um später das phagozytäre Debridement und die Wundheilung zu unterstützen. Ein Teil der ausgeschiedenen Gewebsflüssigkeit wird auch über Lymphgefäße in die regionalen Lymphknoten geleitet und spült Bakterien mit, um die Erkennungs- und Angriffsphase des adaptiven Immunsystems zu starten.

Akute Entzündungen sind durch ausgeprägte Gefäßveränderungen gekennzeichnet, einschließlich Vasodilatation, erhöhter Permeabilität und erhöhtem Blutfluss, die durch die Wirkung verschiedener Entzündungsmediatoren induziert werden. Die Vasodilatation tritt zuerst auf der Arteriolenebene auf, schreitet zur Kapillarebene fort und führt zu einer Nettozunahme der vorhandenen Blutmenge, was die Rötung und Hitze der Entzündung verursacht. Eine erhöhte Permeabilität der Gefäße führt zur Bewegung von Plasma in das Gewebe mit resultierender Stauung aufgrund der erhöhten Konzentration der Zellen im Blut – ein Zustand, der durch vergrößerte, mit Zellen gefüllte Gefäße gekennzeichnet ist. Die Stase ermöglicht es Leukozyten, sich entlang des Endothels zu bewegen (zu bewegen), ein Prozess, der für ihre Rekrutierung in das Gewebe entscheidend ist. Normal fließendes Blut verhindert dies, da die Scherkraft entlang der Gefäßperipherie Zellen im Blut in die Gefäßmitte bewegt.

Plasmakaskadensysteme Bearbeiten

  • Das Komplementsystem erzeugt bei Aktivierung eine Kaskade chemischer Reaktionen, die Opsonisierung, Chemotaxis und Agglutination fördert und das MAC produziert.
  • Das Kininsystem erzeugt Proteine, die die Vasodilatation und andere physikalische Entzündungseffekte aufrechterhalten können.
  • Das Gerinnungssystem oder Gerinnungskaskade, das ein schützendes Proteinnetz über Verletzungsstellen bildet.
  • Das Fibrinolysesystem, das gegen die Gerinnungssystem, um die Gerinnung auszugleichen und mehrere andere Entzündungsmediatoren zu erzeugen.

Plasma-abgeleitete Mediatoren Bearbeiten

Name Produziert von Beschreibung
Bradykinin Kinin-System Ein vasoaktives Protein, das in der Lage ist, eine Vasodilatation zu induzieren, die Gefäßpermeabilität zu erhöhen, eine Kontraktion der glatten Muskulatur zu verursachen und Schmerzen zu verursachen.
C3 Komplementsystem Spaltt zu produzieren C3a und C3b. C3a stimuliert die Histaminfreisetzung durch Mastzellen und bewirkt dadurch eine Vasodilatation. C3b kann an bakterielle Zellwände binden und als Opsonin wirken, das den Eindringling als Ziel für die Phagozytose markiert.
C5a Komplementsystem Stimuliert die Histaminfreisetzung durch Mastzellen und bewirkt dadurch eine Vasodilatation. Es ist auch in der Lage, als Chemoattraktant zu wirken, um Zellen über Chemotaxis an die Entzündungsstelle zu lenken.
Faktor XII (Hageman-Faktor) Leber Ein Protein, das inaktiv zirkuliert, bis es durch eine Konformationsänderung durch Kollagen, Blutplättchen oder exponierte Basalmembranen aktiviert wird. Wenn es aktiviert ist, ist es wiederum in der Lage, drei an der Entzündung beteiligte Plasmasysteme zu aktivieren: das Kininsystem, das Fibrinolysesystem und das Gerinnungssystem.
Membranangriffskomplex Komplementsystem Ein Komplex der Komplementproteine ​​C5b, C6, C7, C8 und mehreren Einheiten von C9. Die Kombination und Aktivierung dieser Reihe von Komplementproteinen bildet die Membranangriffskomplex, das in bakterielle Zellwände eindringen kann und eine Zelllyse mit anschließendem Bakterientod verursacht.
Plasma Fibrinolysesystem Kann Fibringerinnsel abbauen, Komplementprotein C3 spalten und Faktor XII aktivieren.
Thrombin Gerinnungssystem Spaltt das lösliche Plasmaprotein Fibrinogen, um unlösliches Fibrin zu produzieren, das zu einem Blutgerinnsel aggregiert. Thrombin kann auch über den PAR1-Rezeptor an Zellen binden, um verschiedene andere Entzündungsreaktionen auszulösen, wie die Produktion von Chemokinen und Stickstoffmonoxid.

Die zelluläre Komponente handelt es sich um Leukozyten, die sich normalerweise im Blut befinden und über . in das entzündete Gewebe gelangen müssen Extravasation Entzündungen zu helfen. Einige fungieren als Fresszellen und nehmen Bakterien, Viren und Zelltrümmer auf. Andere setzen enzymatische Granulate frei, die pathogene Eindringlinge schädigen. Leukozyten setzen auch Entzündungsmediatoren frei, die die Entzündungsreaktion entwickeln und aufrechterhalten. Im Allgemeinen wird eine akute Entzündung durch Granulozyten vermittelt, wohingegen eine chronische Entzündung durch mononukleäre Zellen wie Monozyten und Lymphozyten vermittelt wird.

Leukozyten-Paravasation Bearbeiten

Verschiedene Leukozyten, insbesondere Neutrophile, sind entscheidend an der Initiierung und Aufrechterhaltung einer Entzündung beteiligt. Diese Zellen müssen in der Lage sein, sich von ihrem üblichen Ort im Blut zum Ort der Verletzung zu bewegen, daher existieren Mechanismen, um Leukozyten zu rekrutieren und an die geeignete Stelle zu lenken. Der Prozess der Leukozytenbewegung vom Blut in das Gewebe durch die Blutgefäße ist bekannt als Extravasation und lässt sich grob in mehrere Schritte unterteilen:

  1. Leukozytenmargination und Endotheladhäsion: Die weißen Blutkörperchen innerhalb der Gefäße, die im Allgemeinen zentral angeordnet sind, bewegen sich peripher zu den Gefäßwänden. [19] Aktivierte Makrophagen im Gewebe setzen Zytokine wie IL-1 und TNFα frei, was wiederum zur Produktion von Chemokinen führt, die an Proteoglykane binden und einen Gradienten im entzündeten Gewebe und entlang der Endothelwand bilden. Entzündliche Zytokine induzieren die sofortige Expression von P-Selectin auf Endothelzelloberflächen und P-Selectin bindet schwach an Kohlenhydratliganden auf der Oberfläche von Leukozyten und bewirkt, dass diese entlang der Endotheloberfläche "rollen", wenn Bindungen hergestellt und aufgebrochen werden. Aus verletzten Zellen freigesetzte Zytokine induzieren die Expression von E-Selectin auf Endothelzellen, die ähnlich wie P-Selectin funktioniert. Zytokine induzieren auch die Expression von Integrinliganden wie ICAM-1 und VCAM-1 auf Endothelzellen, die die Adhäsion vermitteln und Leukozyten weiter verlangsamen. Diese schwach gebundenen Leukozyten können sich frei ablösen, wenn sie nicht durch Chemokine aktiviert werden, die in verletztem Gewebe nach der Signaltransduktion über entsprechende G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die Integrine auf der Leukozytenoberfläche für eine feste Adhäsion aktivieren, erzeugt werden. Eine solche Aktivierung erhöht die Affinität von gebundenen Integrinrezeptoren für ICAM-1 und VCAM-1 auf der Endothelzelloberfläche, wodurch die Leukozyten fest an das Endothel gebunden werden.
  2. Migration durch das Endothel, bekannt als Seelenwanderung, über den Prozess der Diapedese: Chemokin-Gradienten stimulieren die adhärierten Leukozyten, sich zwischen benachbarten Endothelzellen zu bewegen. Die Endothelzellen ziehen sich zurück und die Leukozyten gelangen durch die Basalmembran mit Adhäsionsmolekülen wie ICAM-1 in das umgebende Gewebe. [19]
  3. Bewegung von Leukozyten im Gewebe durch Chemotaxis: Leukozyten, die das Gewebeinterstitium erreichen, binden über exprimierte Integrine und CD44 an extrazelluläre Matrixproteine, um sie daran zu hindern, die Stelle zu verlassen. Eine Vielzahl von Molekülen verhalten sich als Chemoattraktoren, zum Beispiel C3a oder C5, und bewirken, dass sich die Leukozyten entlang eines chemotaktischen Gradienten in Richtung der Entzündungsquelle bewegen.

Phagozytose Bearbeiten

Extravasierte Neutrophile in der zellulären Phase kommen mit Mikroben am entzündeten Gewebe in Kontakt. Phagozyten exprimieren endozytische Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) auf der Zelloberfläche, die eine Affinität und Wirksamkeit gegenüber unspezifischen Mikroben-assoziierten molekularen Mustern (PAMPs) aufweisen. Die meisten PAMPs, die an endozytische PRRs binden und die Phagozytose initiieren, sind Zellwandkomponenten, einschließlich komplexer Kohlenhydrate wie Mannane und β-Glucane, Lipopolysaccharide (LPS), Peptidoglycane und Oberflächenproteine. Endozytische PRRs auf Phagozyten spiegeln diese molekularen Muster wider, wobei C-Typ-Lectinrezeptoren an Mannane und β-Glucane binden und Scavenger-Rezeptoren an LPS binden.

Bei der endozytischen PRR-Bindung erfolgt eine Aktin-Myosin-Zytoskelett-Umlagerung angrenzend an die Plasmamembran auf eine Weise, die die Plasmamembran, die den PRR-PAMP-Komplex enthält, und die Mikrobe endozytiert. Phosphatidylinositol- und Vps34-Vps15-Beclin1-Signalwege wurden mit dem Transport des endozytosierten Phagosoms zu intrazellulären Lysosomen in Verbindung gebracht, wo die Fusion des Phagosoms und des Lysosoms ein Phagolysosom produziert. Die reaktiven Sauerstoffspezies, Superoxide und Hypochloritbleiche in den Phagolysosomen töten dann die Mikroben in den Fresszellen.

Die phagozytische Wirksamkeit kann durch Opsonisierung gesteigert werden. Das aus Plasma stammende Komplement C3b und Antikörper, die während der Gefäßphase in das entzündete Gewebe ausscheiden, binden an die mikrobiellen Antigene und beschichten sie. Neben endozytischen PRRs exprimieren Phagozyten auch Opsoninrezeptoren Fc-Rezeptor und Komplementrezeptor 1 (CR1), die an Antikörper bzw. C3b binden. Die Co-Stimulation von endozytärem PRR und Opsoninrezeptor erhöht die Wirksamkeit des Phagozytoseprozesses und verbessert die lysosomale Elimination des Infektionserregers.

Von Zellen abgeleitete Mediatoren Bearbeiten

Name Typ Quelle Beschreibung
Lysosom-Granulat Enzyme Granulozyten Diese Zellen enthalten eine Vielzahl von Enzymen, die eine Reihe von Funktionen erfüllen. Granulate können als entweder klassifiziert werden Spezifisch oder azurophil abhängig vom Inhalt und sind in der Lage, eine Reihe von Substanzen abzubauen, von denen einige aus Plasma gewonnene Proteine ​​​​sein können, die es diesen Enzymen ermöglichen, als Entzündungsmediatoren zu wirken.
GM-CSF Glykoprotein Makrophagen, Monozyten, T-Zellen, B-Zellen und geweberesidente Zellen Es wurde gezeigt, dass ein erhöhter GM-CSF zu Entzündungen bei entzündlicher Arthritis, Osteoarthritis, Colitis-Asthma, Fettleibigkeit und COVID-19 beiträgt.
Histamin Monoamin Mastzellen und Basophile In vorgeformten Granulaten gelagert, wird Histamin als Reaktion auf eine Reihe von Reizen freigesetzt. Es verursacht Arteriolendilatation, erhöhte venöse Permeabilität und eine Vielzahl von organspezifischen Wirkungen.
IFN-γ Zytokin T-Zellen, NK-Zellen Antivirale, immunregulatorische und antitumorale Eigenschaften. Dieses Interferon wurde ursprünglich Makrophagen-aktivierender Faktor genannt und ist besonders wichtig bei der Aufrechterhaltung chronischer Entzündungen.
IL-6 Zytokin und Myokine Makrophagen, Osteoblasten, Adipozyten und glatte Muskelzellen (Zytokin) Skelettmuskelzellen (Myokin) Pro-inflammatorisches Zytokin, das von Makrophagen als Reaktion auf Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) sezerniert wird.
IL-8 Chemokin Hauptsächlich Makrophagen Aktivierung und Chemoattraktion von Neutrophilen, mit schwacher Wirkung auf Monozyten und Eosinophile.
Leukotrien B4 Eicosanoide Leukozyten, Krebszellen Kann die Adhäsion und Aktivierung von Leukozyten vermitteln, wodurch sie an das Endothel binden und darüber wandern können. In Neutrophilen ist es auch ein potenter Chemoattraktant und kann die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies und die Freisetzung lysosomaler Enzyme durch diese Zellen induzieren.
LTC4, LTD4 Eicosanoide Eosinophile, Mastzellen, Makrophagen Diese drei Cystein-enthaltenden Leukotriene kontrahieren die Atemwege der Lunge, erhöhen die mikrovaskuläre Permeabilität, stimulieren die Schleimsekretion und fördern auf Eosinophilen basierende Entzündungen in Lunge, Haut, Nase, Augen und anderen Geweben.
5-Oxo-eicosatetraensäure Eicosanoide Leukozyten, Krebszellen Starker Stimulator der Neutrophilen-Chemotaxis, der Lysosomen-Enzymfreisetzung und der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, der Monozyten-Chemotaxis und mit noch größerer Wirksamkeit der Eosinophilen-Chemotaxis, der Lysosomen-Enzymfreisetzung und der reaktiven Sauerstoffspezies-Bildung.
5-HETE Eicosanoide Leukozyten Als metabolischer Vorläufer von 5-Oxo-eicosatetraensäure ist es ein weniger wirksamer Stimulator der Neutrophilen-Chemotaxis, der Lysosomen-Enzymfreisetzung und der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, Monozyten-Chemotaxis und Eosinophilen-Chemotaxis, Lysosomen-Enzymfreisetzung und reaktiver Sauerstoffspezies-Bildung.
Prostaglandine Eicosanoide Mastzellen Eine Gruppe von Lipiden, die Vasodilatation, Fieber und Schmerzen verursachen können.
Stickoxid Lösliches Gas Makrophagen, Endothelzellen, einige Neuronen Starker Vasodilatator, entspannt die glatte Muskulatur, reduziert die Thrombozytenaggregation, unterstützt die Rekrutierung von Leukozyten, direkte antimikrobielle Aktivität in hohen Konzentrationen.
TNF-α und IL-1 Zytokine Hauptsächlich Makrophagen Beide beeinflussen eine Vielzahl von Zellen und induzieren viele ähnliche Entzündungsreaktionen: Fieber, Produktion von Zytokinen, endotheliale Genregulation, Chemotaxis, Leukozytenadhärenz, Aktivierung von Fibroblasten. Verantwortlich für die systemischen Auswirkungen von Entzündungen wie Appetitlosigkeit und erhöhte Herzfrequenz. TNF-α hemmt die Osteoblastendifferenzierung.
Tryptase Enzyme Mastzellen Es wird angenommen, dass diese Serinprotease ausschließlich in Mastzellen gespeichert und zusammen mit Histamin während der Mastzellaktivierung sezerniert wird. [20] [21] [22]

Spezifische Muster akuter und chronischer Entzündungen werden in bestimmten Situationen im Körper beobachtet, beispielsweise wenn eine Entzündung auf einer Epitheloberfläche auftritt oder pyogene Bakterien beteiligt sind.

  • Granulomatöse Entzündung: Gekennzeichnet durch die Bildung von Granulomen sind sie das Ergebnis einer begrenzten, aber vielfältigen Anzahl von Krankheiten, zu denen unter anderem Tuberkulose, Lepra, Sarkoidose und Syphilis zählen.
  • Fibrinöse Entzündung: Eine Entzündung, die zu einem starken Anstieg der Gefäßpermeabilität führt, ermöglicht es Fibrin, durch die Blutgefäße zu gelangen. Wenn eine geeignete prokoagulativ Reiz vorhanden ist, wie Krebszellen, [11] wird ein fibrinöses Exsudat abgelagert. Dies wird häufig in serösen Hohlräumen beobachtet, wo die Umwandlung von fibrinösem Exsudat in eine Narbe zwischen den serösen Membranen auftreten kann, was deren Funktion einschränkt. Die Ablagerung bildet manchmal eine Pseudomembranschicht. Bei einer Darmentzündung (Pseudomembranöse Kolitis) können sich pseudomembranöse Röhren bilden.
  • Eitrige Entzündung: Entzündung, die zu einer großen Menge Eiter führt, die aus Neutrophilen, abgestorbenen Zellen und Flüssigkeit besteht. Charakteristisch für diese Art von Entzündung ist eine Infektion mit eitrigen Bakterien wie Staphylokokken. Große, lokalisierte Eiteransammlungen, die von umgebendem Gewebe eingeschlossen sind, werden als Abszesse bezeichnet.
  • Seröse Entzündung: Gekennzeichnet durch den reichlichen Erguss von nicht viskoser seröser Flüssigkeit, die üblicherweise von Mesothelzellen seröser Membranen produziert wird, aber aus Blutplasma stammen kann. Hautblasen sind ein Beispiel für dieses Entzündungsmuster.
  • Ulzerative Entzündung: Eine Entzündung, die in der Nähe eines Epithels auftritt, kann zum nekrotischen Verlust von Gewebe von der Oberfläche führen, wodurch die unteren Schichten freigelegt werden. Die anschließende Exkavation im Epithel wird als Ulkus bezeichnet.

Entzündliche Anomalien sind eine große Gruppe von Erkrankungen, die einer Vielzahl von menschlichen Erkrankungen zugrunde liegen. Das Immunsystem ist häufig an entzündlichen Erkrankungen beteiligt, die sich sowohl bei allergischen Reaktionen als auch bei einigen Myopathien zeigen, wobei viele Erkrankungen des Immunsystems zu abnormalen Entzündungen führen. Zu den nicht-immunologischen Erkrankungen mit kausalem Ursprung in entzündlichen Prozessen gehören Krebs, Arteriosklerose und ischämische Herzerkrankungen. [11]

Beispiele für Erkrankungen im Zusammenhang mit Entzündungen sind:

Arteriosklerose Bearbeiten

Atherosklerose, die früher als milde Lipidspeicherkrankheit angesehen wurde, beinhaltet tatsächlich eine anhaltende Entzündungsreaktion. Jüngste Fortschritte in der Grundlagenforschung haben eine grundlegende Rolle für Entzündungen bei der Vermittlung aller Stadien dieser Krankheit vom Beginn über das Fortschreiten bis hin zu den thrombotischen Komplikationen der Atherosklerose festgestellt. Diese neuen Erkenntnisse liefern wichtige Verbindungen zwischen Risikofaktoren und den Mechanismen der Atherogenese. Klinische Studien haben gezeigt, dass diese aufkommende Biologie der Entzündung bei Atherosklerose direkt auf menschliche Patienten zutrifft. Eine Erhöhung der Entzündungsmarker sagt die Ergebnisse von Patienten mit akuten Koronarsyndromen unabhängig von einer Myokardschädigung voraus. Darüber hinaus definiert eine geringgradige chronische Entzündung, die durch die Konzentrationen des Entzündungsmarkers C-reaktives Protein angezeigt wird, prospektiv das Risiko von atherosklerotischen Komplikationen und trägt somit zu den prognostischen Informationen bei, die durch traditionelle Risikofaktoren bereitgestellt werden. Darüber hinaus begrenzen bestimmte Behandlungen, die das koronare Risiko reduzieren, auch Entzündungen. Im Falle einer Lipidsenkung mit Statinen scheint diese entzündungshemmende Wirkung nicht mit einer Verringerung der Lipoproteinspiegel niedriger Dichte zu korrelieren. Diese neuen Erkenntnisse über die Entzündung bei Atherosklerose erweitern nicht nur unser Verständnis dieser Krankheit, sondern haben auch praktische klinische Anwendungen bei der Risikostratifizierung und gezielten Therapie dieser Geißel von weltweit wachsender Bedeutung. [23]

Allergie Bearbeiten

Eine allergische Reaktion, die formal als Typ-1-Überempfindlichkeit bekannt ist, ist das Ergebnis einer unangemessenen Immunantwort, die Entzündungen, Gefäßerweiterungen und Nervenreizungen auslöst. Ein häufiges Beispiel ist Heuschnupfen, das durch eine überempfindliche Reaktion von Mastzellen auf Allergene verursacht wird. Vorsensibilisierte Mastzellen reagieren, indem sie degranulieren und vasoaktive Chemikalien wie Histamin freisetzen. Diese Chemikalien propagieren eine übermäßige Entzündungsreaktion, die durch eine Erweiterung der Blutgefäße, die Produktion entzündungsfördernder Moleküle, die Freisetzung von Zytokinen und die Rekrutierung von Leukozyten gekennzeichnet ist. [11] Eine schwere Entzündungsreaktion kann sich zu einer systemischen Reaktion entwickeln, die als Anaphylaxie bekannt ist.

Myopathien Bearbeiten

Entzündliche Myopathien werden dadurch verursacht, dass das Immunsystem Muskelbestandteile unangemessen angreift, was zu Anzeichen einer Muskelentzündung führt. Sie können in Verbindung mit anderen Immunerkrankungen wie systemischer Sklerose auftreten und umfassen Dermatomyositis, Polymyositis und Einschlusskörpermyositis. [11]

Leukozytendefekte Bearbeiten

Aufgrund der zentralen Rolle von Leukozyten bei der Entstehung und Ausbreitung von Entzündungen führen Defekte in der Leukozytenfunktionalität oft zu einer verminderten Fähigkeit zur Entzündungsabwehr mit anschließender Anfälligkeit für Infektionen. [11] Dysfunktionale Leukozyten können aufgrund von Oberflächenrezeptormutationen möglicherweise nicht richtig an Blutgefäße binden, Bakterien verdauen (Chédiak-Higashi-Syndrom) oder Mikrobizide produzieren (chronische Granulomatose). Darüber hinaus können Erkrankungen des Knochenmarks zu abnormalen oder wenigen Leukozyten führen.

Pharmakologische Bearbeiten

Es ist bekannt, dass bestimmte Medikamente oder exogene chemische Verbindungen Entzündungen beeinflussen. Vitamin-A-Mangel verursacht eine Zunahme der Entzündungsreaktionen [24] und entzündungshemmende Medikamente wirken spezifisch, indem sie die Enzyme hemmen, die entzündliche Eicosanoide produzieren. Bestimmte illegale Drogen wie Kokain und Ecstasy können einen Teil ihrer schädlichen Wirkungen ausüben, indem sie Transkriptionsfaktoren aktivieren, die eng mit Entzündungen verbunden sind (z. B. NF-κB). [25] [26]

Krebs Bearbeiten

Entzündungen orchestrieren die Mikroumgebung um Tumore und tragen zu Proliferation, Überleben und Migration bei. [27] Krebszellen verwenden Selectine, Chemokine und ihre Rezeptoren für die Invasion, Migration und Metastasierung. [28] Andererseits tragen viele Zellen des Immunsystems zur Krebsimmunologie bei, indem sie Krebs unterdrücken. [29] Die molekulare Schnittstelle zwischen Rezeptoren von Steroidhormonen, die wichtige Auswirkungen auf die zelluläre Entwicklung haben, und Transkriptionsfaktoren, die eine Schlüsselrolle bei Entzündungen spielen, wie NF-κB, können einige der kritischsten Wirkungen von Entzündungsstimuli auf Krebszellen vermitteln. [30] Diese Fähigkeit eines Entzündungsmediators, die Wirkung von Steroidhormonen in Zellen zu beeinflussen, beeinflusst einerseits sehr wahrscheinlich die Karzinogenese, andererseits kann diese Wechselwirkung aufgrund des modularen Charakters vieler Steroidhormonrezeptoren Möglichkeiten, das Fortschreiten von Krebs zu stören, indem auf eine bestimmte Proteindomäne in einem bestimmten Zelltyp abgezielt wird. Ein solcher Ansatz kann Nebenwirkungen begrenzen, die nicht mit dem interessierenden Tumor in Zusammenhang stehen, und kann dazu beitragen, lebenswichtige homöostatische Funktionen und Entwicklungsprozesse im Organismus zu erhalten.

Laut einer Überprüfung aus dem Jahr 2009 deuten neuere Daten darauf hin, dass krebsbedingte Entzündungen (CRI) zu einer Anhäufung zufälliger genetischer Veränderungen in Krebszellen führen können. [31]

Rolle bei Krebs Bearbeiten

1863 stellte Rudolf Virchow die Hypothese auf, dass der Ursprung von Krebs an Orten chronischer Entzündungen liegt. [32] [33] Derzeit wird geschätzt, dass chronische Entzündungen zu etwa 15 bis 25 % der menschlichen Krebserkrankungen beitragen. [33] [34]

Mediatoren und DNA-Schäden bei Krebs Bearbeiten

Ein Entzündungsmediator ist ein Botenstoff, der auf Blutgefäße und/oder Zellen einwirkt, um eine Entzündungsreaktion zu fördern. [35] Entzündungsmediatoren, die zur Neoplasie beitragen, umfassen Prostaglandine, entzündliche Zytokine wie IL-1β, TNF-α, IL-6 und IL-15 und Chemokine wie IL-8 und GRO-alpha. [36] [33] Diese und andere Entzündungsmediatoren orchestrieren eine Umgebung, die die Proliferation und das Überleben fördert. [32] [36]

Eine Entzündung verursacht auch DNA-Schäden aufgrund der Induktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) durch verschiedene intrazelluläre Entzündungsmediatoren. [32] [36] [33] Darüber hinaus induzieren Leukozyten und andere phagozytische Zellen, die von der Entzündungsstelle angezogen werden, DNA-Schäden in proliferierenden Zellen durch ihre Erzeugung von ROS und reaktiven Stickstoffspezies (RNS). ROS und RNS werden normalerweise von diesen Zellen produziert, um Infektionen zu bekämpfen. [32] ROS allein verursachen mehr als 20 Arten von DNA-Schäden. [37] Oxidative DNA-Schäden verursachen sowohl Mutationen [38] als auch epigenetische Veränderungen. [39] [33] [40] RNS verursachen auch mutagene DNA-Schäden. [41]

Eine normale Zelle kann eine Karzinogenese durchlaufen, um eine Krebszelle zu werden, wenn sie während langer chronischer Entzündungen häufig DNA-Schäden ausgesetzt ist. DNA-Schäden können aufgrund einer ungenauen Reparatur genetische Mutationen verursachen. Darüber hinaus können Fehler im DNA-Reparaturprozess epigenetische Veränderungen verursachen. [33] [36] [40] Mutationen und epigenetische Veränderungen, die repliziert werden und einen selektiven Vorteil während der somatischen Zellproliferation bieten, können krebserregend sein.

Genomweite Analysen von menschlichem Krebsgewebe zeigen, dass eine einzelne typische Krebszelle etwa 100 Mutationen in kodierenden Regionen aufweisen kann, von denen 10-20 „Treibermutationen“ sind, die zur Krebsentstehung beitragen. [33] Chronische Entzündungen verursachen jedoch auch epigenetische Veränderungen wie DNA-Methylierungen, die häufig häufiger auftreten als Mutationen. Typischerweise sind in einer Krebszelle mehrere Hundert bis Tausende von Genen methyliert (siehe DNA-Methylierung bei Krebs). Orte der oxidativen Schädigung im Chromatin können Komplexe rekrutieren, die DNA-Methyltransferasen (DNMTs), eine Histon-Deacetylase (SIRT1) und eine Histon-Methyltransferase (EZH2) enthalten, und so die DNA-Methylierung induzieren. [33] [42] [43] Die DNA-Methylierung einer CpG-Insel in einer Promotorregion kann zu einer Stilllegung ihres nachgeschalteten Gens führen (siehe CpG-Stelle und Regulation der Transkription bei Krebs). Insbesondere DNA-Reparaturgene werden bei verschiedenen Krebsarten häufig durch Methylierung inaktiviert (siehe Hypermethylierung von DNA-Reparaturgenen bei Krebs). Ein Bericht aus dem Jahr 2018 [44] bewertete die relative Bedeutung von Mutationen und epigenetischen Veränderungen bei der Progression zu zwei verschiedenen Krebsarten. Dieser Bericht zeigte, dass epigenetische Veränderungen bei der Entstehung von Magenkrebs (in Verbindung mit Entzündungen) viel wichtiger waren als Mutationen. [45] Mutationen und epigenetische Veränderungen waren jedoch von ungefähr gleicher Bedeutung bei der Entstehung von Plattenepithelkarzinomen der Speiseröhre (in Verbindung mit Tabakchemikalien und Acetaldehyd, einem Produkt des Alkoholstoffwechsels).

HIV und AIDS Bearbeiten

Es ist seit langem bekannt, dass eine HIV-Infektion nicht nur durch die Entwicklung einer tiefgreifenden Immunschwäche, sondern auch durch eine anhaltende Entzündung und Immunaktivierung gekennzeichnet ist. [46] [47] [48] Zahlreiche Beweise deuten darauf hin, dass chronische Entzündungen ein kritischer Faktor für Immundysfunktionen, das vorzeitige Auftreten von altersbedingten Krankheiten und eine Immunschwäche sind. [46] [49] Viele betrachten die HIV-Infektion heute nicht nur als eine sich entwickelnde Virus-induzierte Immunschwäche, sondern auch als chronisch-entzündliche Erkrankung. [50] Auch nach Einführung einer wirksamen antiretroviralen Therapie (ART) und wirksamer Unterdrückung der Virämie bei HIV-Infizierten bleibt die chronische Entzündung bestehen. Tierstudien belegen auch den Zusammenhang zwischen Immunaktivierung und fortschreitender zellulärer Immunschwäche: Die SIVsm-Infektion seiner natürlichen nichtmenschlichen Primatenwirte, der Rußmangabey, verursacht eine hohe Virusreplikation, aber nur begrenzte Anzeichen einer Krankheit. [51] [52] Dieser Mangel an Pathogenität geht mit einem Mangel an Entzündung, Immunaktivierung und Zellproliferation einher. In scharfem Gegensatz dazu erzeugt eine experimentelle SIVsm-Infektion von Rhesusaffen eine Immunaktivierung und eine AIDS-ähnliche Erkrankung mit vielen Parallelen zur HIV-Infektion beim Menschen. [53]

Die Beschreibung, wie CD4-T-Zellen erschöpft sind und wie chronische Entzündungen und Immunaktivierung induziert werden, ist das Herzstück des Verständnisses der HIV-Pathogenese – eine der obersten Prioritäten für die HIV-Forschung des Office of AIDS Research, National Institutes of Health. Jüngste Studien zeigten, dass die Caspase-1-vermittelte Pyroptose, eine hochentzündliche Form des programmierten Zelltods, die Erschöpfung der CD4-T-Zellen und die Entzündung durch HIV fördert. [54] [55] [56] Dies sind die beiden charakteristischen Ereignisse, die das Fortschreiten der HIV-Krankheit zu AIDS vorantreiben. Pyroptose scheint einen pathogenen Teufelskreis zu erzeugen, in dem sterbende CD4-T-Zellen und andere Immunzellen (einschließlich Makrophagen und Neutrophile) Entzündungssignale freisetzen, die weitere Zellen in das infizierte Lymphgewebe zum Absterben rekrutieren. Die Feed-Forward-Natur dieser Entzündungsreaktion führt zu chronischer Entzündung und Gewebeschädigung. [57] Die Identifizierung von Pyroptose als dem vorherrschenden Mechanismus, der CD4-T-Zell-Depletion und chronische Entzündung verursacht, bietet neue therapeutische Möglichkeiten, nämlich Caspase-1, die den pyroptotischen Signalweg steuert. In diesem Zusammenhang kann die Pyroptose von CD4-T-Zellen und die Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen wie IL-1β und IL-18 in HIV-infizierten menschlichen Lymphgeweben durch Zugabe des Caspase-1-Inhibitors VX-765 blockiert werden [54] die sich bereits in klinischen Phase-II-Studien am Menschen als sicher und gut verträglich erwiesen hat. [58] Diese Ergebnisse könnten die Entwicklung einer völlig neuen Klasse von „Anti-AIDS“-Therapien vorantreiben, die auf den Wirt und nicht auf das Virus abzielen. Solche Mittel würden mit ziemlicher Sicherheit in Kombination mit ART verwendet werden. Indem sie die „Toleranz“ des Virus fördern, anstatt seine Replikation zu unterdrücken, können VX-765 oder verwandte Medikamente die evolutionären Lösungen nachahmen, die bei mehreren Affenwirten (z , kein Rückgang der CD4-T-Zellzahlen und keine chronische Entzündung.

Auflösung von Entzündungen Bearbeiten

Die Entzündungsreaktion muss aktiv beendet werden, wenn sie nicht mehr benötigt wird, um eine unnötige Schädigung des Gewebes durch "Zuschauer" zu verhindern. [11] Andernfalls kommt es zu chronischer Entzündung und Zellzerstörung. Die Auflösung einer Entzündung erfolgt durch unterschiedliche Mechanismen in verschiedenen Geweben. Mechanismen, die der Beendigung von Entzündungen dienen, umfassen: [11] [59]

  • Kurze Halbwertszeit von Entzündungsmediatorenin vivo.
  • Produktion und Freisetzung von Transforming Growth Factor (TGF) Beta aus Makrophagen[60][61][62]
  • Produktion und Freisetzung von Interleukin 10 (IL-10) [63]
  • Produktion von entzündungshemmenden spezialisierten proresolvierenden Mediatoren, d. h. Lipoxinen, Resolvinen, Maresinen und Neuroprotektinen[64][65]
  • Herunterregulierung entzündungsfördernder Moleküle wie Leukotriene.
  • Hochregulation von entzündungshemmenden Molekülen wie dem Interleukin-1-Rezeptor-Antagonisten oder dem löslichen Tumornekrosefaktor-Rezeptor (TNFR) von proinflammatorischen Zellen [66]
  • Desensibilisierung von Rezeptoren.
  • Erhöhtes Überleben von Zellen in Entzündungsregionen aufgrund ihrer Interaktion mit der extrazellulären Matrix (ECM) [67][68]
  • Herunterregulierung der Rezeptoraktivität durch hohe Ligandenkonzentrationen
  • Die Spaltung von Chemokinen durch Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) könnte zur Produktion entzündungshemmender Faktoren führen. [69]

Akute Entzündungen lösen sich normalerweise durch Mechanismen auf, die bisher etwas schwer fassbar geblieben sind. Neue Erkenntnisse deuten nun darauf hin, dass in den ersten Stunden nach Beginn einer Entzündungsreaktion ein aktives, koordiniertes Programm zur Auflösung eingeleitet wird. Nach dem Eindringen in das Gewebe fördern Granulozyten den Wechsel von Arachidonsäure-abgeleiteten Prostaglandinen und Leukotrienen zu Lipoxinen, die die Terminationssequenz einleiten. Die Neutrophilenrekrutierung wird somit beendet und der programmierte Tod durch Apoptose wird ausgelöst. Diese Ereignisse fallen mit der Biosynthese von Resolvinen und Protektinen aus mehrfach ungesättigten Omega-3-Fettsäuren zusammen, die die Periode der Neutrophilen-Infiltration durch Initiierung der Apoptose entscheidend verkürzen. Infolgedessen durchlaufen apoptotische Neutrophile eine Phagozytose durch Makrophagen, was zu einer Neutrophilen-Clearance und Freisetzung von entzündungshemmenden und reparativen Zytokinen wie dem transformierenden Wachstumsfaktor-β1 führt. Das entzündungshemmende Programm endet mit dem Abtransport der Makrophagen durch die Lymphgefäße. [70]

Zusammenhang mit Depressionen Bearbeiten

Es gibt Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen Entzündungen und Depressionen. [71] Entzündungsprozesse können durch negative Kognitionen oder deren Folgen wie Stress, Gewalt oder Entbehrung ausgelöst werden. So können negative Kognitionen Entzündungen verursachen, die wiederum zu Depressionen führen können. [72] [73] [ zweifelhaft – diskutieren ] Darüber hinaus gibt es zunehmend Hinweise darauf, dass Entzündungen aufgrund des Anstiegs von Zytokinen Depressionen verursachen können, wodurch das Gehirn in einen "Krankheitsmodus" versetzt wird. [74] Klassische Symptome von körperlicher Krankheit wie Lethargie zeigen eine große Überlappung der Verhaltensweisen, die eine Depression charakterisieren. Die Zytokinspiegel neigen dazu, während der depressiven Episoden von Menschen mit bipolarer Störung stark anzusteigen und während der Remission abzufallen. [75] Darüber hinaus wurde in klinischen Studien gezeigt, dass entzündungshemmende Medikamente, die zusätzlich zu Antidepressiva eingenommen werden, nicht nur die Symptome signifikant verbessern, sondern auch den Anteil der Patienten erhöhen, die positiv auf die Behandlung ansprechen. [76] Entzündungen, die zu schweren Depressionen führen, können durch häufige Infektionen verursacht werden, beispielsweise durch Viren, Bakterien oder sogar Parasiten. [77]

Ein infektiöser Organismus kann über das Kreislaufsystem oder das Lymphsystem die Grenzen des unmittelbaren Gewebes verlassen und sich dort auf andere Körperteile ausbreiten. Wird ein Organismus durch die akute Entzündung nicht zurückgehalten, kann er über nahegelegene Lymphgefäße Zugang zum Lymphsystem erhalten. Eine Infektion der Lymphgefäße wird als Lymphangitis bezeichnet, und eine Infektion eines Lymphknotens wird als Lymphadenitis bezeichnet. Wenn Lymphknoten nicht alle Erreger zerstören können, breitet sich die Infektion weiter aus. Ein Krankheitserreger kann durch Lymphdrainage in das Kreislaufsystem in die Blutbahn gelangen.

Wenn eine Entzündung den Wirt überwältigt, wird ein systemisches Entzündungsreaktionssyndrom diagnostiziert. Wenn es auf eine Infektion zurückzuführen ist, wird der Begriff Sepsis verwendet, wobei die Begriffe Bakteriämie speziell für bakterielle Sepsis und Virämie speziell für virale Sepsis verwendet werden. Vasodilatation und Organdysfunktion sind schwerwiegende Probleme, die mit einer weit verbreiteten Infektion verbunden sind und zu septischem Schock und Tod führen können.

Akute-Phase-Proteine ​​Bearbeiten

Eine Entzündung induziert auch hohe systemische Spiegel von Akute-Phase-Proteinen. Bei akuten Entzündungen erweisen sich diese Proteine ​​als vorteilhaft, bei chronischen Entzündungen können sie zur Amyloidose beitragen. [11] Zu diesen Proteinen gehören C-reaktives Protein, Serum-Amyloid A und Serum-Amyloid P, die eine Reihe systemischer Wirkungen verursachen, darunter: [11]

Leukozytenzahlen Bearbeiten

Entzündungen beeinflussen oft die Anzahl der im Körper vorhandenen Leukozyten:

    wird häufig während einer durch eine Infektion induzierten Entzündung beobachtet, wo sie zu einem starken Anstieg der Menge an Leukozyten im Blut führt, insbesondere bei unreifen Zellen. Die Zahl der Leukozyten steigt normalerweise auf 15 000 bis 20 000 Zellen pro Mikroliter, kann aber in Extremfällen bis zu 100 000 Zellen pro Mikroliter erreichen. [11] Bakterielle Infektionen führen normalerweise zu einer Zunahme von Neutrophilen, wodurch Neutrophilie entsteht, während Krankheiten wie Asthma, Heuschnupfen und Parasitenbefall zu einer Zunahme von Eosinophilen führen und Eosinophilie erzeugen. [11] kann durch bestimmte Infektionen und Krankheiten induziert werden, einschließlich Virusinfektionen, Rickettsien Infektionen, einige Protozoen, Tuberkulose und einige Krebsarten. [11]

Systemische Entzündung und Fettleibigkeit Bearbeiten

Mit der Entdeckung der Interleukine (IL) entwickelte sich das Konzept der systemischen Entzündung. Obwohl die beteiligten Prozesse mit der Gewebeentzündung identisch sind, ist die systemische Entzündung nicht auf ein bestimmtes Gewebe beschränkt, sondern betrifft das Endothel und andere Organsysteme.

Chronische Entzündungen werden häufig bei Fettleibigkeit beobachtet. [78] [79] Übergewichtige Menschen haben häufig viele erhöhte Entzündungsmarker, darunter: [80] [81]

Eine niedriggradige chronische Entzündung ist durch einen zwei- bis dreifachen Anstieg der systemischen Konzentrationen von Zytokinen wie TNF-α, IL-6 und CRP gekennzeichnet. [84] Der Taillenumfang korreliert signifikant mit der systemischen Entzündungsreaktion. [85]

Der Verlust von weißem Fettgewebe reduziert die Entzündungsmarker. [78] Die Assoziation systemischer Entzündungen mit Insulinresistenz und Typ-2-Diabetes sowie mit Atherosklerose wird derzeit untersucht, obwohl keine strengen klinischen Studien durchgeführt wurden, um solche Zusammenhänge zu bestätigen. [86]

C-reaktives Protein (CRP) wird bei übergewichtigen Menschen in höherem Maße gebildet und kann das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhöhen. [87]

Das Ergebnis unter einem bestimmten Umstand wird durch das Gewebe, in dem die Verletzung aufgetreten ist, und den schädigenden Stoff, der sie verursacht, bestimmt. Hier sind die möglichen Folgen einer Entzündung: [11]

  1. Auflösung
    Die vollständige Wiederherstellung des entzündeten Gewebes zurück in einen normalen Zustand. Entzündliche Maßnahmen wie Vasodilatation, chemische Produktion und Leukozyteninfiltration hören auf und beschädigte Parenchymzellen regenerieren sich. In Situationen, in denen eine begrenzte oder kurzlebige Entzündung aufgetreten ist, ist dies normalerweise das Ergebnis.
  2. Fibrose
    Große Mengen an Gewebezerstörung oder Schäden in Geweben, die sich nicht regenerieren können, können vom Körper nicht vollständig regeneriert werden. In diesen Schadensbereichen treten faserige Narben auf, die eine Narbe bilden, die hauptsächlich aus Kollagen besteht. Die Narbe enthält keine spezialisierten Strukturen wie Parenchymzellen, daher kann es zu Funktionsbeeinträchtigungen kommen.
  3. Abszessbildung
    Es entsteht eine Höhle, die Eiter enthält, eine undurchsichtige Flüssigkeit, die tote weiße Blutkörperchen und Bakterien mit allgemeinen Ablagerungen von zerstörten Zellen enthält.
  4. Chronische Entzündung
    Bei einer akuten Entzündung kommt es, wenn der Schaderreger persistiert, zu einer chronischen Entzündung. Dieser durch mehrere Tage, Monate oder sogar Jahre andauernde Entzündungsprozess kann zur Bildung einer chronischen Wunde führen. Chronische Entzündungen sind durch das dominierende Vorhandensein von Makrophagen im verletzten Gewebe gekennzeichnet. Diese Zellen sind starke Abwehrstoffe des Körpers, aber die von ihnen freigesetzten Toxine (einschließlich reaktiver Sauerstoffspezies) verletzen das körpereigene Gewebe sowie eindringende Stoffe. Als Folge davon geht eine chronische Entzündung fast immer mit einer Gewebezerstörung einher.

Eine Entzündung wird normalerweise durch das Hinzufügen des Suffixes "itis" angezeigt, wie unten gezeigt. Einige Erkrankungen wie Asthma und Lungenentzündung folgen jedoch nicht dieser Konvention. Weitere Beispiele finden Sie in der Liste der Entzündungsarten.


Schau das Video: Was passiert bei einer Entzündung im Körper? - HPAugenblick (Kann 2022).


Bemerkungen:

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