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Jahrbuch 2011/2012 | Schulte, Dörte; Broermann, Andre; Nottebaum, Astrid; Kiefer, Friedemann, Butz, Stefan;
Vestw eber, Dietmar | W ie Leukozyten die W and der Blutgefäße durchdringen
Wie Leukozyten die Wand der Blutgefäße durchdringen
How leukocytes overcome the blood vessel wall
Schulte, Dörte; Broermann, Andre; Nottebaum, Astrid; Kiefer, Friedemann, Butz, Stefan; Vestw eber, Dietmar
Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin, Münster
Korrespondierender Autor
E-Mail: vestw [email protected]
Zusammenfassung
W issenschaftler am MPI für molekulare Biomedizin in Münster haben erstmals zeigen können, auf w elchem
Weg die große Mehrzahl von Leukozyten durch die Gefäßw and der Blutgefäße hindurchw andert, w enn sie in
infizierte und geschädigte Gew ebe des Körpers einw andern. Außerdem gelang es den W issenschaftlern, einen
Schalter zu definieren, der die Passage durch die Blutgefäßw and öffnet. Die Identifizierung dieses neuen
Mechanismus könnte neue Möglichkeiten zur Behandlung von Entzündungskrankheiten eröffnen.
Summary
Researchers at the MPI for Molecular Biomedicine could define one of tw o possible routes as the major
pathw ay for leukocytes that leave the blood system and enter into inflamed tissue. In addition, they could
identify a sw itch that allow s to open the passage through the blood vessel w all. These results could lead to
the development of novel therapeutics to treat inflammation.
Einleitung
Blutgefäße versorgen die Gew ebe des Körpers mit Nahrungsstoffen und ermöglichen es Leukozyten, den
Abw ehrzellen des Immunsystems, im Organismus zu zirkulieren. Da das Blutvolumen nur ca. 5-7 Prozent des
Körpervolumens ausmacht, ist es für die Bekämpfung von Infektionen entscheidend, dass Leukozyten in der
Lage sind, aus dem Blut auszutreten und in infizierte Gew ebe einzudringen (Abb. 1). Dieser Vorgang leitet
Entzündungsreaktionen ein und hält sie in Gang und stellt damit sicher, dass Infektionserreger in den
verschiedenen Gew eben des Körpers überhaupt erst durch Leukozyten erreicht und bekämpft w erden
können. Auch andere Schädigungen des Körpers durch z. B. mechanische oder chemische Reize führen zur
Auslösung von Entzündungen, Anlockung von Leukozyten und damit zur Einleitung des komplexen Vorgangs
der W undheilung.
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A bb. 1: Anfä rbung von Endothe lze llk onta k te n (grün) und
Le uk ozyte n (rot) in de r Ma us na ch Auslösung e ine r
Entzündung durch da s Zytok in TNF-a .
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Ge ne hm igung a us [5]
Dies sind die positiven Aspekte des Entzündungsprozesses, die sicherstellen, dass der Organismus
Infektionen überlebt und verw undetes Gew ebe zumindest in Teilen regenerieren und heilen kann.
Die
negative Seite des Entzündungsprozesses kommt zum Tragen, w enn die Abw ehrreaktionen der Leukozyten
sich
durch
pathologische
Regulationsmechanismen
gegen
körpereigenes
Gew ebe
richten
(Autoimmunerkrankungen) oder w enn eine akute und durchaus notw endige, hilfreiche Entzündungsreaktion
aus verschiedenen (oftmals nicht genau verstandenen) Gründen nicht w ieder abklingt, sondern chronisch w ird.
In diesen Fällen kommt es zur Zerstörung von Gew ebe und zu nur schw er behandelbaren Krankheiten w ie
rheumatoider Arthritis, Parodontose, multipler Sklerose, um nur einige w enige Beispiele zu nennen.
Es ist also von großer medizinischer Relevanz, die molekularen Grundlagen zu verstehen, die den Eintritt von
Leukozyten aus dem Blut in die Gew ebe kontrollieren. Aus den Forschungsarbeiten der letzten 20 Jahre ist
bekannt, dass dieser Vorgang der Leukozyten-Extravasation in mehreren Schritten erfolgt. Durch das
kontrollierte
Zusammenspiel verschiedener Klassen von Zelladhäsionsmolekülen und chemo-attraktiver
Signalstoffe w erden Leukozyten in entzündeten Gew eben aus dem Blutstrom abgefangen, w as zur Anheftung
an die Gefäßw and führt. Die innere Oberfläche der Gefäße w ird durch eine Schicht von Endothelzellen
ausgekleidet.
W ährend die meisten Adhäsionsmoleküle bekannt sind, über die Leukozyten an die Oberfläche von
Endothelzellen binden, ist noch w eitgehend ungeklärt, w ie Leukozyten nach der Anheftung ans Endothel die
Blutgefäßw and durchdringen, ein Prozess, der als Diapedese bezeichnet w ird [1]. Prinzipiell scheinen
Leukozyten den Endothelzellverband auf zw ei sehr unterschiedlichen Wegen zu überw inden:
zum einen
durch die geöffneten Kontakte zw ischen Endothelzellen (para-zellulär) und zum anderen sogar mitten durch
den Körper von Endothelzellen hindurch (trans-zellulär) (Abb. 2).
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A bb. 2: Le uk ozyte n k önne n sowohl in vivo a ls a uch in vitro
zwe i ve rschie de ne R oute n zur Übe rwindung de r
Endothe lze llba rrie re de r Blutge fä ßwa nd be nutze n, a lle rdings
wa r bishe r nicht k la r, ob e ine r die se r W e ge wichtige r ist. Die
hie r da rge ste llte n Arbe ite n ha be n ge ze igt, da ss de r
pa ra ze llulä re W e g in m e hre re n Ge we be n die de utlich
wichtige re R oute da rste llt.
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Die Evidenz für beide Ausw anderungsrouten basiert bisher auf elektronenmikroskopischen Analysen. Da es
nur eine 3D-Analyse erlaubt, eindeutig zu bestimmen, über w elche Route Leukozyten ausw andern, sind
serielle Schnitte für eine solche Analyse notw endig. Auf Grund der technischen Schw ierigkeiten einer solchen
Untersuchung haben sich bisher alle publizierten Arbeiten zu dieser Frage stets nur auf die Analyse von sehr
w enigen Leukozyten beschränkt, w as leider keine statistisch aussagekräftige Evaluation erlaubte. Deshalb
w urde in der Abteilung von Dietmar Vestw eber nun ein neuer technischer Ansatz zur Lösung dieser
Fragestellung gew ählt.
Das Verschließen von Endothelzellkontakten in Blutgefäßen der Maus blockiert die Einwanderung von
Leukozyten in Gewebe
Durch
einen
molekulargenetischen
Ansatz
w urden
genetisch
veränderte
Mäuse
hergestellt,
deren
Endothelzellkontakte w eitgehend verschlossen sind. Dies w urde dadurch erreicht, dass in diesen Mäusen das
Hauptadhäsionsmolekül, das für den Zusammenhalt von Endothelzellkontakten verantw ortlich ist, das VEcadherin, so mutiert w urde, dass seine adhäsive Funktion nicht mehr abgeschaltet w erden kann. Dazu w urde
es kovalent mit dem intrazellulären Protein a-catenin verbunden, das normalerw eise nur reversible Komplexe
mit VE-cadherin bildet und damit die reversible Verankerung des VE-cadherin mit dem Zytoskelett vermittelt
(Abb. 3). Da diese Verankerung von zentraler W ichtigkeit für die Adhäsionsfunktion von VE-cadherin ist,
nahmen die Forscher an, dass die kovalente (also irreversible) Bindung von VE-cadherin mit a-catenin zum
irreversiblen Verschluss der Kontakte zw ischen Endothelzellen führen w ürde. In der Tat stellte sich heraus,
dass die auf diese Weise genetisch modifizierten Mäuse in verschiedenen Testmodellen sehr deutlich
stabilisierte Endothelzellkontakte aufw iesen. So zeigte sich, dass vasoaktive Substanzen w ie Histamin, die
zum Beispiel bei Insektenstichen die Permeabilität von Blutgefäßen drastisch erhöhen und dadurch zu
Gew ebsschw ellungen führen, in den modifizierten Mäusen die Gefäßpermeabilität in der Haut nicht mehr
beeinflussen konnten. Dies belegt, dass die Endothelzellkontakte in diesen Mäusen in der Tat irreversibel
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verschlossen sind [2].
A bb. 3: Da s Adhä sionsm ole k ül VE-ca dhe rin ist übe r e ine R e ihe
von intra ze llulä re n P rote ine n a m Ak tin-Zytosk e le tt ve ra nk e rt.
Auf die se W e ise ve rschlie ßt e s Endothe lze llk onta k te in
re ve rsible r Form . Die dire k te und irre ve rsible Fusion von VEca dhe rin m it e ine m de r Ve ra nk e rungsprote ine in ge ne tisch
m odifizie rte n Mä use n führt zum irre ve rsible n Ve rschluss de r
Endothe lze llk onta k te und da m it zur Block a de de r
Einwa nde rung von Le uk ozyte n in ve rschie de ne e ntzünde te
Ge we be . Die se r Be fund e ta blie rt die ze ntra le R olle de r
pa ra ze llulä re n W a nde rungsroute von Le uk ozyte n.
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Eine Analyse der Einw anderung von Leukozyten in verschiedene entzündete Gew ebe ergab eine massive
Reduktion in den genetisch modifizierten Mäusen im Vergleich zu normalen Mäusen [2]. Dies zeigt deutlich,
dass der Weg durch Endothelzellkontakte der Hauptw eg bei der Ausw anderung von Leukozyten aus den
Blutgefäßen und der Einw anderung in entzündete Gew ebe ist. Interessanterw eise w urde jedoch keinerlei
Blockade der Einw anderung von naiven Lymphozyten in Lymphknoten festgestellt. Dieser Prozess läuft
kontinuierlich ab und findet in dafür spezialisierten Blutgefäßen der Lymphknoten statt. Diese Ergebnisse
legen den Schluss nahe, dass sich die Mechanismen der Leukozyten-Ausw anderung in diesen spezialisierten
Gefäßen von denen anderer Gefäße unterscheiden.
Ein Mechanismus, der die Öffnung endothelialer Zellkontakte einleitet
Auf der Suche nach einem Mechanismus, der die regulierte Öffnung endothelialer Zellkontakte auslöst, haben
W issenschaftler am MPI in Münster die Phosphatase VE-PTP an der Oberfläche von Endothelzellen gefunden.
VE-PTP assoziiert spezifisch mit VE-cadherin und stabilisiert deutlich dessen Adhäsionsfunktion. Außerdem hat
die Arbeitsgruppe gezeigt, dass Leukozyten, die an Endothelzellen binden, die Dissoziation der VE-PTP/VEcadherin-Interaktion bew irken. Da der gleiche Effekt auch durch Permeabilität erhöhende Substanzen
ausgelöst w erden kann, w urde die Hypothese entw ickelt, dass die Dissoziation von VE-PTP und VE-cadherin
eine Voraussetzung zur Öffnung endothelialer Kontakte darstellt [3] (Abb. 4). Um dies zu bew eisen, w urde
w iederum ein molekulargenetischer Ansatz in der Maus gew ählt. Es sollten genetisch modifizierte Mäuse
generiert w erden, bei denen durch Zugabe einer bestimmten Substanz gezielt die Dissoziation von VE-PTP
und VE-cadherin verhindert w erden kann. Falls die Dissoziation notw endig ist für die Öffnung endothelialer
Zellkontakte, sollte die beschriebene Manipulation Leukozyten-Einw anderung in Gew ebe und PermeabilitätsInduktion inhibieren können. Um dies zu testen, w urden in einem molekulargenetischen Ansatz VE-cadherin
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Induktion inhibieren können. Um dies zu testen, w urden in einem molekulargenetischen Ansatz VE-cadherin
und
VE-PTP
in
Mäusen
so
mutiert,
dass
beide
Proteine
zusätzliche
Bindungsstellen
für
einen
niedermolekularen W irkstoff erhielten, der die beiden Proteine irreversibel miteinander verbinden w ürde. Die
intravaskuläre Verabreichung dieses W irkstoffs an die auf diese Weise genetisch modifizierten Mäuse konnte
in der Tat die Induktion vaskulärer Permeabilität sow ie die Einw anderung von Leukozyten in entzündete
Gew ebe sehr deutlich inhibieren. Diese Ergebnisse belegen die Notw endigkeit der Dissoziaton des VE-PTP/VEcadherin-Komplexes für die Öffnung endothelialer Zellkontakte in vivo [4].
A bb. 4: Ein ne ue r Me cha nism us, de r die Ö ffnung von
Endothe lze llk onta k te n e rm öglicht. Die P hospha ta se VE-P TP
a ssoziie rt m it de m Adhä sionsm ole k ül VE-ca dhe rin und
unte rstützt da durch se ine Adhä sionsfunk tion und die Sta bilitä t
e ndothe lia le r Ze llk onta k te . Sowohl da s Andock e n von
Le uk ozyte n a n da s Endothe l a ls a uch P e rm e a bilitä t
induzie re nde Fa k tore n be wirk e n die Dissozia tion de r
P hospha ta se VE-P TP von VE-ca dhe rin und e rm ögliche n so die
Ö ffnung von Endothe lk onta k te n.
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m it Ge ne hm igung a us [5]
Denkbare therapeutische Relevanz der Ergebnisse
Die Einw anderung von Leukozyten in entzündete Gew ebe ist der zentrale Schritt, der Entzündungsprozesse in
Gang hält. Die Blockade dieses Vorganges stellt einen direkten Weg dar, Entzündungen zu lindern oder zu
unterbinden. Ein Paradebeispiel für das große Potenzial eines solchen therapeutischen Ansatzes ist die
erfolgreiche Blockade von Adhäsionsmechanismen, die die Anheftung von Lymphozyten an das Endothel von
Gefäßen des Zentralnervensystems (ZNS) vermitteln. Die Blockade dieses Mechanismus mit Hilfe spezifischer
Antikörper stellt heute eine der erfolgreichsten Therapieansätze bei der Multiplen Sklerose dar, einer Krankheit
des ZNS, bei der es zur Schädigung von neuronalen Strukturen des Gehirns durch eingew anderte
Lymphozyten kommt. Auch in anderen chronischen Entzündungskrankheiten w ie zum Beispiel der Psoriasis
(Schuppenflechte) ist die Blockade von ähnlichen Adhäsionsmolekülen erfolgreich.
Das Verständnis der
molekularen Mechanismen der Leukozyten-Diapedese, also des Vorgangs des Hindurchw anderns durch die
Gefäßw and, und dabei insbesondere die Aufklärung der Funktionsw eise der Phosphatase VE-PTP könnte in
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der Zukunft zur Entw icklung neuer Therapieansätze zur Behandlung chronischer Entzündungen und
pathologischer Permeabilitätserhöhung der Gefäße führen.
[1] Vestweber, D.
Novel insights into leukocyte extravasation
Current Opinion in Hematology (2012), March 3 [Epub ahead of print]
[2] Schulte, D.; Küppers, V.; Dartsch, N.; Broermann, A.; Li, H.; Zarbock, A.; Kamenyeva, O.; Kiefer, F.;
Khandoga, A.; Massberg, S.; Vestweber, D.
Stabilizing the VE-cadherin-catenin complex blocks leukocyte extravasation and vascular permeability
The EMBO Journal 30, 4157-4170 (2011)
[3] Nottebaum, A. F.; Cagna, G.; Winderlich, M.; Gamp, A. C.; Linnepe, R.; Polaschegg, C.; Filippova, K.;
Lyck, R.; Engelhardt, B.; Kamenyeva, O.; Bixel, M. G.; Butz, S.; Vestweber, D.
VE-PTP maintains the endothelial barrier via plakoglobin and becomes dissociated from VE-cadherin by
leukocytes and by VEGF
Journal of Experimental Medicine 205, 2929-2945 (2008)
[4] Broermann, A.; Winderlich, M.; Block, H.; Frye, M.; Rossaint, J.; Zarbock, A.; Cagna, G.; Linnepe, R.;
Schulte, D.; Nottebaum, A. F.; Vestweber, D.
Dissociation of VE-PTP from VE-cadherin is required for leukocyte extravasation and for VEGF-induced
vascular permeability in vivo
Journal of Experimental Medicine 208, 2393-2401 (2011)
[5] Vestweber, D.; Winderlich, M.; Gagna, G.; Nottebaum, A. F.
Cell adhesion dynamics at endothelial junctions: VE-cadherin as a major player
Trends in Cell Biology 19 (1), 8-15 (2009)
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