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Rheumatologische Grundlagenforschung

[Stand 2008/2009]

Spontane Heilung einer Gelenkschädigung im Molch-Modell

Ziel:

Dieses Forschungsvorhaben soll ein neues Arthrosemodell etablieren.

Hintergrund:

Die Arthrose ist eine Erkrankung der Gelenke, welche durch Verlust der Knorpelbestandteile, vermehrten Knochenwuchs zu Schmerzen und einem Funktionsverlust der betroffenen Gelenke führt. Es ist keine ursächliche Behandlung für diese Erkrankung verfügbar. In fortgeschrittenen Stadium wird operativ ein Ersatzgelenk implantiert. Vom Molch ist bekannt, dass das Tier verlorene Extremitäten wieder neu ausbilden kann. Vor diesem Hintergrund postulierten wir, dass eine Gelenkschädigung vom Molch geheilt werden kann.

Methodik:

Rotgetüpfelten Teichmolchen (Notophthalmus viridescens) wurden Knieschädigungen durch Injektion von Kollagenase, Monoiodoacetat oder durch operative Knorpelentfernung gesetzt. Der Verlauf der Erkrankung wurde durch Beobachtung durch mikroskopischen Analyse von Gewebeschnitten sowie Analyse ausgewählter Gene untersucht. Gegenwärtig findet eine Untersuchung des Musters der Genexpression eines brieten Gensprektrums statt.

Ergebnis:

Nach Schädigung der Kniegelenke im Molch kommt es in der Tat wie angenommen zu einer Ausheilung der geschädigten Gelenke innerhalb von ca. 100 Tagen, unabhängig vom Schädigungsweg. Vorläufige Ergebnisse scheinen nahezulegen, dass im Gegensatz zur Neuausbildung verlorene Extremitäten Gewebestammzellen für die Reparatur ursächlich sind, nicht sich umorientiertende Gelenkszellen.

Ausblick:

In weiteren Arbeiten werden wir versuchen, Schlüsselgene für diese Gelenkregeneration zu finden und in anderen Modellen der Arthrose zu testen.

Molekularbiologie der Arthritis

[Stand 2007/2008]

Etwa 1% der Weltbevölkerung und zwischen 0,5-1% der europäischen Bevölkerung sind heutzutage von der rheumatoiden Arthritis (RA) betroffen, einer primär entzündlichen Gelenkerkrankung mit progressiver Zerstörung der Gelenke. Die RA ist durch eine abnormale Immunantwort gekennzeichnet, die in einem chronischen Wachstum der innersten Schicht des Synoviums (Gelenkhaut), des ‘lining layers’ und der Invasion von Immunzellen resultiert. Das aktivierte, verdickte Synovium liegt direkt am Knorpel an und bewirkt die Zerstörung des anliegenden Knorpels und Knochens. Dies kann zur starken Bewegungseinschränkung bis zur vollständigen Immobilität des Gelenks führen. Ein Zelltyp, der für diesen Prozess verantwortlich ist, sind die synovialen RA Fibroblasten (RASF). (Abbildung, siehe unten) Sie sind als einzige in der Lage, in Abwesenheit anderer Zellen in Tiermodellen in den Knorpel einzuwandern und diesen aktiv zu zerstören. In unserer Arbeitsgruppe sind wir speziell daran interessiert, das aggressive Verhalten der Fibroblasten, das einzigartig für die RA ist, aufzuhalten.

Fibroblasten im synovialen Gewebe. Rot: Fibroblastenmarker Vimentin im Zytoplasma. Schwarz: TSP1, v.a. im Zellkern lokalisiert.

Der Transfer des antientzündlichen Zytokins Interleukin 10 (IL-10) und des Rezeptorantagonisten des proentzündlichen Interleukin 1 (IL-1ra) in RASF weist protektive Effekte bezüglich der Invasion in den Knorpel im SCID-Maus Modell der RA auf. Molekulare Analysen weisen darauf hin, dass Moleküle des Aktivin-Stoffwechsels, speziell Aktivin und dessen funktioneller Antagonist Follistatin, an diesen Prozessen beteiligt sind. Aktivin besitzt vielerlei Effekte auf verschiedene Mechanismen der Zellregulation, beispielsweise ist es in entzündlichen Prozessen, Zellwachstum, Gewebereparatur, Wundheilung, Gefäßneubildung, sowie Matrix- und Knochenumbildung involviert.

Die Rolle von Aktivin in der Pathogenese entzündlicher Gelenkerkrankungen ist noch unklar. Aktivin kann in kultivierten Synovial- und Knorpelzellen durch entzündliche Mediatoren wie IL-1, und TGF-ß induziert werden. Die Effekte von Aktivin auf RASF sind bisher jedoch nur wenig untersucht. Da IL-10 und IL-1ra protektive Effekte bezüglich des Knorpels in Tierversuchen aufwiesen, wurden die Effekte von Aktivin und Follistatin auf RASF analysiert. Hierzu wurden die Proteinspiegel von Follistatin, einem funktionellen Antagonisten von Aktivin, sowie von Molekülen die in Entzündung und Matrix- und Knochenumbau involviert sind, gemessen.

Da IL-10 und IL-1ra potentiell protektiv auf die Gelenke wirken, ist die Frage ihrer Anwendung bei der RA von großem Interesse. Hierzu wären vor allem körpereigene Zellen als Transportvehikel geeignet. Diese Träger sollen außerdem aktiv in Enzündungsbereiche, im Falle der RA ins entzündete Gelenk, wandern. Als Kandidaten wurden dendritische Zellen (DC) verwendet, die als Antigen-präsentierende Zellen gezielt zu Entzündungsorten wandern. Im Tiermodell konnten isolierte DC, die mit Proteinen beladen und dem Tier zurückinjiziert wurden, auch tatsächlich am Entzündungsort (Synovialgewebe) nachgewiesen werden.

Ein zusätzlicher Angriffspunkt für mögliche zukünftige Therapien der RA ist die Analyse des Anhaftungsverhaltens von RASF an Knochen und Knorpel. Da RASF Hauptbeteiligte an den Abbauprozessen im Gelenk sind, ist das Wissen um Anheftung und Migration zum Knorpel/Knochen von Bedeutung. Interessanterweise sind RASF tatsächlich in der Lage, von einem Implantat im SCID-Maus Modell zum anderen zu wandern und sich dort am kopimplantierten Knorpel anzuheften und diesen abzubauen. Welche Adhäsionsmoleküle und zellulären Prozesse hierbei eine Rolle spielen sind daher ein weiterer Forschungsschwerpunkt in Kooperation mit Dr. Jörg Schedel (Innere Med. I, Universität Regensburg).

Neben der Forschung mit den isolierten synovialen Fibroblasten sind auch die verschiedenen Kompartimente des Synoviums von Interesse, die an der Destruktion des Gelenks beteiligt sind. Das Synovium beinhaltet verschiedene Regionen mit unterschiedlichen Zellarten und Zellreichtum. Die äußerste zellreiche Schicht des Synoviums setzt sich vor allem aus Fibroblasten und Makrophagen zusammen. Das Sublining ist deutlich zellärmer und besitzt weit mehr Bindegewebe und unterschiedliche Zelltypen. Daher werden mittels Laser-gesteuerter Mikrodissektion, einer neu entwickelten Technik in Kooperation mit Prof. Dr. Bohle, Prof. Dr. Schulz und Prof. Dr. Stürz des Universitätsklinikums Gießen, die verschiedenen Kompartimente des Synoviums im Vergleich zu gesunden oder nicht entzündeten Synovialgeweben ausgeschnitten und auf die Expression von verschiedenen Proteinen hin untersucht, deren Relevanz für die RA bekannt sind. Interessanterweise konnten hierbei zum Teil deutliche signifikante Unterschiede zu nicht entzündlichen Erkrankungen oder gesunden Kontrollen festgestellt werden. Diese Moleküle sollen nun ebenfalls auf ihre Eigenschaften und potentielle Therapiefähigkeit hin überprüft werden.

Die Laser-gesteuerte Mikrodissektion ermöglicht außerdem, definiert die Gefäße aus synovialen Gefäßen von Patienten mit RA im Vergleich zu Kontrollen zu isolieren und Moleküle, die an der Gefäßentwicklung beteiligt sind, wie beispielsweise Vascular endothelial growth factor (VEGF) und deren Rezeptoren, zu analysieren. Die rheumatoide Arthritis ist durch eine hohe Anzahl an Gefäßen gekennzeichnet. RA-assozierte Moleküle, wie Id2, in dieser Region zu finden und zu analysieren, ist ein weiteres Projekt, das in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Werner Seeger, Medizinische Klinik II der Universität Gießen, Dr. Distler und Prof. Dr. Steffen Gay der Universität Zürich durchgeführt wird.

Doch auch andere Gewebe neben dem Synovium, Gewebe, welches direkt an den destruktiven Prozessen der RA beteiligt ist, können zu den entzündlichen und zerstörenden Prozessen der RA beitragen. Beispielsweise stellte sich erst kürzlich in unserem Labor heraus, dass Adipozytokine, Moleküle, die von Fettzellen (Adipozyten) gebildet werden, entzündungsfördernde Moleküle und knorpelabbauende Enzyme hochregulieren können. Die RA-relevanten Effekte eines Adipozytokins, das Adiponektin, wird daher in unserem Labor in Zusammenarbeit mit Prof. Bill Robinson, Dr. Angela Ehling und Prof. Gary Fathman an der Stanford University (Kalifornien), sowie PD Dr. Andreas Schäffler und PD Dr. Christa Büchler an der Universität Regensburg (Innere Med. I) bearbeitet.

Labors: Die Labors der Arbeitsgruppe sind derzeit im Franz-Groedel-Institut des Kerckhoff-Komplexes untergebracht. Dies ermöglicht auch den Aufbau einer langfristigen Kooperation mit dem MPI für Entwicklung und Umbau des Herzens (Leiter: Prof. Thomas Braun) und den kardiologischen/kardiochirurgischen Forschergruppen der Kerckhoff-Klinik in Bad Nauheim.

Leiterin der rheumatologischen Grundlagenforschung: Dr. Elena Neumann
Mitarbeiter: Dr. Ingo Tarner, Dr. Atsushi, Hashimoto, Dr. Robert Dinser, Dr. Anette Knedla, Dr. Andreas Kampmann, Dipl. Ing. Dirk Schröder, Dipl. Biol. Christian Weirich, Dipl. Biol. Ulrich Purath, Annette Zeyer, Simone Kistella, Sabrina Brückmann

Osteologie

Die Systemerkrankung Osteoporose ist die häufigste Knochenerkrankung, die in den letzten Jahren aufgrund der sozioökonomischen Bedeutung zunehmend Beachtung erfährt. In Deutschland geht man von etwa 7 Millionen Osteoporose-Kranken aus. Die Osteoporose ist damit die häufigste Systemerkrankung des Knochens. Das Lebenszeitrisiko, einen Osteoporose-bedingten Knochenbruch zu erleiden, beträgt für Frauen ca. 40 % und für Männer ca. 13 %. Die Osteoporose-bedingten Kosten für das Gesundheitssystem betragen ca. eine halbe Milliarde EURO jährlich und stellen ein erst in den letzten Jahren erkanntes gesundheitspolitisches Problem dar.

Um die Systemerkrankung Osteoporose frühzeitig therapieren zu können, wäre ein prädiktiver Faktor in der Osteoporose-Diagnose von großem Wert. Zwillingsstudien und Studien an Mutter-Tochter-Paaren lassen auf einen starken genetischen Einfluß (vererbbaren Einfluß) bei der Entstehung der Osteoporose schließen. Dieser genetische Hintergrund ist sehr komplex. Zusätzlich haben Umwelteinflüsse und individuelle Faktoren, wie Ernährungs- oder Bewegungsfaktoren, einen Einfluß auf die Knochendichte bzw. den Knochenstoffwechsel.

Bei den entzündlich-rheumatischen Erkrankung stellt eine Osteoporose eine häufig anzutreffende Komplikation und Begleiterkrankung dar. Bei ihrer Entstehung werden hier die im Rahmen des Entzündungsprozesses freigesetzten lokalen und zirkulierenden Zytokine (sog. Entzündungsbotenstoffe) diskutiert, die unterschiedlich Einfluß nehmen können auf die knochenaufbauenden und knochenabbauenden Zellen. Eine Schlüsselrolle kommt hierbei möglicherweise dem Osteoprotegerin-Ligand und dem Osteoprotegerin zu, den sog. Zytokinmediatoren, die im Rahmen der Entzündungspathogenese freigesetzt werden. Osteoprotegerin-Ligand kann die Reifung der knochenabbauenden Zellen (Osteoklasten) stimulieren und aktivieren und somit durch Verlängerung ihrer Lebenszeit eine drastische Zunahme des Knochenabbaus bis hin zu einer Osteoporose auslösen. Die schädlichen Wirkungen des Osteprotegerin-Liganden werden von einem Gegenregulator in Schach gehalten, dem Osteoprotegerin. Osteoprotegerin wird in einer Vielzahl von Geweben (u.a. Knochen und Muskeln) freigesetzt und verhindert durch Bindung an den Osteoprotegerin-Liganden den Knochenabbau durch die knochenabbauenden Zellen und kann somit eine Zunahme der Knochendichte bewirken. Nach neuesten Daten ist das Osteoprotegerin-Ligand-Osteoprotegerinsystem für die Knochenfolgen bei der rheumatoiden Arthritis verantwortlich.

Geplant sind bei der Studie zwei Schwerpunkte: einerseits die Aufklärung der Rolle von Osteoprotegerin-Ligand und Osteoprotegerin bei entzündlich-rheumatischen Erkrankung und der Entstehung einer Osteoporose sowie die Forschung und Aufdeckung der genetischen Grundlage der Osteoporose durch Untersuchung von Kandidatengenen und möglichen Änderungen dieser Kandidatengene, die für die Osteoporose und die Regulation des Knochenstoffwechsels verantwortlich sind. Hierzu werden u.a. folgende molekulare Genmarker untersucht: Vitamin D-Rezeptor-Gen, Östrogen-Rezeptor-Gen, PTH-Rezeptor-Gen, Calcitonin-Rezeptor-Gen, Interleukin-Gen-Rezeptor, TGF-Beta-Gen-Rezeptor, IGF1-Gen-Rezeptor, Osteocalcin-Gen-Rezeptor. Untersucht wird ferner der Einfluß der genannten Marker auf die Knochendichte bei Patienten mit entzündlich-rheumatischen Erkrankungen, speziell einer rheumatoiden Arthritis und ankylosierenden Spondylitis (sog. Morbus Bechterew).

Studienprojekte

• Immunmodulatorische Glukokortikoidwirkungen auf den Knochenstoffwechsel bei entzündlich-rheumatischen Erkrankungen
• Auswirkungen entzündlich-immunologischer Vorgänge auf den Knochenmetabolismus bei entzündlich-rheumatischen Erkrankungen
• Molekulargenetische Untersuchung zu Kandidatengenen der Osteoporose
• Immunologisch bedingte Änderungen des Knochenstoffwechsels bei Patienten mit HIV-Infektion und Osteoporose
• Vergleich und Stellenwert unterschiedlicher Knochendichtemeßverfahren

Projektleiter Osteologische Forschung: Prof. Dr. Uwe Lange