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Bakterielle Entzündung

Funktion lysosomaler Lipid spaltender Enzyme

Abwehrmechanismen gegen eindringende Bakterien hängen entscheidend davon ab, wie funktionstüchtig die auf den Epithelien patrouillierenden Fresszellen und deren Membranen sind. Spezielle Membranlipide haben hierbei eine zentrale Bedeutung, etwa für die Signalübertragung und Aktivierung von Immunzellen. Bei diesen Prozessen spielen Sphingomyelinasen und lysosomale Phospholipasen eine wichtige Rolle, indem sie Membranlipide abbauen und Ceramide und andere biologisch aktive Lipide erzeugen. Als sekundäre Botenstoffe regulieren diese Lipidmoleküle den Transport und die Größe intrazellulärer Vesikel und beeinflussen so das Recyclingsystem der Zelle und die Art des Zelltods. Ein vom Cluster gefördertes Projekt hat die Funktion dieser Enzyme und den damit assoziierten Molekülen infolge bakterieller Infektionen analysiert. Ziel ist durch Aufklärung der pathogenen Prinzipien von Membranlipid-Signalwegen, Ansatzpunkte für therapeutische oder ernährungsbasierte Interventionen zu identifizieren. Dabei kristallisierte sich der Sphingomyelinstoffwechsel in Makrophagen als potenzielles Ziel für eine Wirts-orientierte Therapie der Tuberkulose heraus.


Ulrich Schaible
ist Direktor des Programmbereichs Infektionen und Leiter der Abteilung „Zelluläre Mikrobiologie“ am  Forschungszentrum Borstel, Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften. Kooperationspartner: Prof. Dr. Dieter Adam (Institut für Immunologie, Kiel), PD Dr. Norbert Reiling (Mikrobielle Grenzflächenbiologie,  Forschungszentrum Borstel)

Als Modell für den infektiösen Entzündungsprozess diente in diesem Projekt die Tuberkulose. Die Infektion mit dem Tuberkuloseerreger Mycobacterium tuberculosis führt zu einer chronischen Entzündung in der Lunge. Bei eingeschränkter Lysosomenfunktionen reichern sich Membranlipide an. Das kann Wirtsabwehr und Immunität beeinträchtigen sowie veränderte Entzündungsreaktionen hervorrufen, wie vorhergehende Studien andeuten. Um die molekularen Wechselwirkungen weiter aufzuklären, wurden in Mäusen Gene für Proteine ausgeschaltet, deren Mangel zu lysosomalen Veränderungen und unzureichenden Immunantworten führen kann. „Wir haben uns anfangs auf drei verschiedene Gene geeinigt, die dabei eine Rolle spielen“, erklärt Professor Ulrich Schaible, der den Programmbereich Infektionen am Forschungszentrum Borstel leitet. Diese betreffen die lipidmodifizierenden Enzyme saure und neutrale Sphingomyelinase sowie die lysosomale Phospholipase A2. Unterschiede zu Wildtypmäusen wurden für die saure Sphingomyelinase und die lysosomale Phospholipase beobachtet. Das Fehlen beider Enzyme führt in Mäusen zu einer lysosomalen Lipidspeicherkrankheit, die im Falle der sauren Sphingomyelinase auch beim Menschen als schwere Erbkrankheit unter dem Namen Niemann-Pick auftritt. Daher konzentrierten sich die weiteren Untersuchungen auf diese Enzyme, die beide im Lysosom der Zellen, vor allem der Makrophagen (Fresszellen), vorkommen. Sie haben die Bezeichnung sauer, da sie nur bei saurem pH-Wert aktiv sind. Die saure Sphingomyelinase (sSMase) ist wichtig für den Abbau des Membranlipids Sphingomyelin unter anderem zu dem biologisch aktiven Ceramid. Die lysosomale Phospholipase (LPLA2) baut generell Membranphospholipide ab.

Die Tuberkulose ist zwar nicht mit Fehlfunktionen von Lysosomen verknüpft, aber als intrazelluläre Krankheitserreger interagieren die Mykobakterien mit Lysosomen. Die Tuberkuloseerreger leben und vermehren sich gerade in den Zellen, wo auch die untersuchten Enzyme eine Rolle spielen, nämlich in den Makrophagen. „Daher ist es interessant zu analysieren, inwieweit die Mykobakterien mit den Lysosomen interagieren“, erklärt Schaible. „Lysosomen sind quasi das Endstadium des Abbauprozesses in der Zelle, vor allem auch für Membranen. Die Mykobakterien vermeiden es erfolgreich, dorthin zu gelangen und im Phagolysososom eliminiert zu werden. Das erhöht ihre Überlebensfähigkeit in den Makrophagen.“

Zur Analyse der funktionellen Rolle des Enzyms wurden zunächst primäre Makrophagen, die aus Wildtyp (WT)- und Knockout (KO)-Mäusen isoliert wurden, mit virulenten Mykobakterien infiziert. Die Makrophagen-Kulturen wurden hinsichtlich Bakterienwachstum, Zelltod und Bildung von Entzündungsmediatoren untersucht. Anschließend folgten Infektionsstudien in KO- und WT-Mäusen. Erfasst wurden hierbei bakterielle Last, histopathologische Veränderungen in der Lunge, organspezifische und systemische Produktion von Entzündungs- und Immunmediatoren sowie spezifische Antikörper- und T-Zell-Reaktionen.

Ein wichtiges Ergebnis der Studie war: Tiere, denen entweder das Gen für die LPLA2 oder die sSMase fehlt, haben eine höhere Tuberkulose-Belastung als Wildtyptiere. „Die Krankheit wird schlimmer bei denen, und wir haben mehr Entzündung“, berichtet Schaible. „Die LPLA2 KO-Tiere zeigen eine geringere Immunantwort, wodurch sie die Tuberkulose nicht kontrollieren können. Interessanterweise sieht aber in den aSMase defizienten Tieren die Immunantwort gegen die Mykobakterien eigentlich ganz gut aus. Sie korreliert mit mehr Entzündung, deswegen gibt es auch eine bessere Immunantwort gegen die Mykobakterien. Trotzdem wachsen die Mykobakterien besser, und zwar erheblich.“

Eine Erklärung für diese Beobachtung bei den aSMase defizienten Mäusen lieferte eine Publikation aus den 1940er Jahren. Damals fand man heraus, so Schaible, dass Sphingomyelin ein Substrat für Mykobakterien ist, um besser zu wachsen. Wenn es durch den sSMase-Mangel nicht mehr abgebaut wird, liegt es vermehrt vor. „Tatsächlich haben wir auch in den Makrophagen-Zellkulturen der KO-Mäuse beobachtet, dass die Mykobakterien besser wachsen. Wenn man das rekombinant erzeugte Enzym künstlich in die Lunge von KO-Mäusen gibt, reduziert sich die Bakterienbelastung. In dem Moment, wenn das Sphingomyelin durch Gabe des Enzyms wieder abgebaut wird, nimmt man den Bakterien das Substrat zum Wachsen weg“, vermutet Schaible.

Diese Beobachtung bietet neue Ansatzpunkte für die Tuberkulosetherapie. „Wenn Sphingomyelin für die Mykobakterien wichtig ist, um zu überleben und sich zu vermehren, kann man versuchen medikamentös in den Sphingomyelin-Stoffwechsel der Makrophagen einzugreifen. Das ist eine Richtung, in die wir jetzt weiter forschen.“

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