Multiple Sklerose: Pathogenese und Möglichkeiten einer

Jahrbuch 2006/2007 | W eber, Frank | Multiple Sklerose: Pathogenese und Möglichkeiten einer
individualisierten Therapie
Multiple Sklerose: Pathogenese und Möglichkeiten einer
individualisierten Therapie
Pathogenesis and possibilities of an individulized MS therapy
W eber, Frank
Max-Planck-Institut für Psychiatrie, München
Korrespondierender Autor
E-Mail: fw [email protected]
Zusammenfassung
Die Multiple Sklerose (MS) ist eine heterogene, chronisch entzündliche, demyelinisierende Erkrankung des
zentralen Nervensystems (ZNS), deren Ursache trotz vieler Forschungsanstrengungen bislang unbekannt ist.
Neue Techniken erlauben heute nahezu die Untersuchung des gesamten Genoms, Transkriptoms und
Proteoms. Das Max-Planck-Institut für Psychiatrie setzt diese Verfahren ein, um die Pathogenese der MS
aufzuklären und Möglichkeiten einer individualisierten Therapie zu eröffnen.
Summary
Multiple Sclerosis (MS) is a heterogenous, chronic inflammatory, demyelinating disease of the central nervous
system (CNS). Despite of many research efforts the cause of MS is unknow n. Today new techniques allow the
investigation of nearly the w hole genome, transcriptome and proteome. The Max-Planck-Institute of Psychiatry
uses these techniques to explore the pathogenesis of MS and to open the possibility for an individualized
therapy.
Pathogenese der Multiplen Sklerose
Die Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch entzündliche Erkrankung des zentralen Nervensystems, die zu
einer Demyelinisierung führt, das heißt zur Zerstörung der Myelinscheide der Nervenzellen sow ie der
Nervenzellen selbst. Sie zählt zu den häufigsten neurologischen Erkrankungen junger Erw achsener und w eist
eine große Variabilität hinsichtlich des Krankheitsverlaufs auf. Klinisch lassen sich schubförmig-remittierende
von primär und sekundär progredienten (fortschreitenden) Verläufen unterscheiden. Die klinische Symptomatik
reicht von leichten Beeinträchtigungen der Bew eglichkeit über schw ere Behinderungen bis hin zum Tod der
Betroffenen. Neben den neurologischen Symptomen leiden viele Patienten unter kognitiven Defiziten, einer
besonderen Form der Erschöpfung („Fatigue“) und manifesten Depressionen. Pathologisch-anatomisch stellen
entzündliche Infiltrate in Gehirn und Rückenmark das Substrat der Erkrankung dar. Diese „Herde“ lassen sich
auch im Kernspintomogramm (MRT) nachw eisen, w eshalb dieser Untersuchungsmethode ein hoher Stellenw ert
in der Diagnose und bei der Verlaufsbeobachtung der MS zukommt (Abb. 1). Auffälligkeiten finden sich darüber
hinaus sow ohl im Immun- als auch im Hormonsystem. Der Entzündungsprozess führt z.B. zur Bildung von
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Immunglobulinen (IgG) im zentralen Nervensystem und zu einer veränderten Zytokinproduktion bei TLymphozyten [1]. Eine erhöhte Hormonproduktion der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (der
sog. "Stressachse") zeigt bei MS-Patienten einen signifikanten Zusammenhang mit der Ausprägung der Fatigue
[2].
Der Krankheitsverlauf, die radiologisch und gew ebsanalytisch fassbaren Läsionen sow ie das Ansprechen auf
die
vorhandenen
Therapien
sind
jedoch
sehr
unterschiedlich
und
lassen
auf
eine
komplexe
Krankheitsentstehung schließen.
Trotz intensiver Forschungsanstrengungen in den letzten Jahrzehnten ist die Ursache der MS unbekannt. Die
bisherigen Ergebnisse w eisen auf eine genetische Disposition hin, jedoch auch auf einen erheblichen Einfluss
von
Umw eltfaktoren.
Eineiige
Zw illinge
zeigen
eine
Konkordanz
von
nur
30%.
Große
genetische
Untersuchungen bestätigten eine Assoziation der Erkrankung mit einem immunrelevanten Gen, dem HLA-DR15
(DRB1.1501-DQB1.0602) Haplotyp im Haupthistokompatibilitätskomplex, jedoch konnte bisher kein w eiteres
Gen identifiziert w erden, das sicher mit der MS assoziiert ist. Genetische Modelle lassen vermuten, dass es
nicht das „MS-Gen“ gibt, sondern dass das Zusammenspiel mehrerer Gene für die genetische Prädisposition
verantw ortlich ist.
Ke rnspintom ogra m m e ine s MS-P a tie nte n im Schub. T1W ichtung na ch Ga be von Ga dolinium a ls Kontra stm itte l.
Kontra stm itte l a nre iche rnde , a k tive Lä sione n sind m it P fe ile n
m a rk ie rt.
© Für die Übe rla ssung de s Bilde s da nk e ich Fra u P D Dr.
Dorothe e Aue r, Unive rsity of Nottingha m , UK.
Die experimentelle allergische Encephalomyelitis als Tiermodell der MS
Bereits in der ersten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts w urde nachgew iesen, dass im Tier durch
Immunisierung mit Hirngew ebe eine der MS ähnliche Erkrankung mit Lähmungen, Blasenstörungen und
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entzündlichen ZNS-Infiltraten ausgelöst w erden kann, die sog. experimentelle allergische Encephalomyelitis
(EAE). Später konnte gezeigt w erden, dass diese Erkrankung von T-Zellen, jedoch nicht von Antikörpern
übertragen w ird. Neuerdings w urden transgene Tiere generiert, deren T- und B-Lymphozyten spezifisch ein
Protein der Myelinscheide erkennen, w elche die Nervenstränge umgibt – das sog. Myelin Oligodendrozyten
Protein (MOG). Diese Tiere entw ickeln spontan eine EAE. Anhand dieses Modells w erden derzeit in Kooperation
mit dem MPI für Neurobiologie in Martinsried pathogenetisch w ichtige Faktoren und somit Ansatzpunkte für
neue Therapien untersucht. Hierzu w ird zusammen mit den Arbeitsgruppen um Jan Deussing und Bertram
Müller-Myhsok die Microarray-Technologie angew andt, die es erlaubt, nahezu das gesamte Transkriptom der
transgenen Tiere in verschiedenen klinisch und histopathologisch definierten Krankheitsstadien zu vergleichen.
Unterschiede in der Proteinexpression und Phosphorylierung w erden mithilfe der Proteomics-Technologie
analysiert (Abb. 2).
Unte rsuchung von Tra nsk riptom und P rote om be i tra nsge ne n
Mä use n m it sponta n a uftre te nde r e x pe rim e nte lle r a lle rge ne r
Ence pha lom ye litis (EAE). Ge hirn und R ück e nm a rk von
e rk ra nk te n und ge sunde n tra nsge ne n Mä use n wird
e ntnom m e n und die m R NA (Bote n-R NA) e x tra hie rt. Mit Hilfe
de r Mik roa rra y-Ana lyse wird e in P rofil de r a n- ode r
a bge scha lte te n Ge ne e rste llt (Tra nsk riptom -Ana lyse ). Zur
Unte rsuchung de s P rote om s we rde n die P rote ine m it Hilfe
e ine r zwe idim e nsiona le n Ele k trophore se se pa rie rt. Da s
P rote inm uste r von e rk ra nk te n und ge sunde n Tie re n wird
ve rgliche n und P rote ine , die sich unte rsche ide n, we rde n m it
Hilfe de r Ma sse nspe k trosk opie ide ntifizie rt.
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Die Notwendigkeit einer maßgeschneiderten Therapie
Im letzten Jahrzehnt w urden mehrere Therapien für unterschiedliche Krankheitsverläufe der MS entw ickelt. Als
Basistherapie
des
Immunglobuline
schubförmig-remittierenden
Verlaufs
w erden
Interferon-ß (IFN-ß), Glatirameracetat,
und Azathioprin eingesetzt. Bei Versagen der Basistherapeutika
oder primär hoher
Krankheitsaktivität kommen Mitoxantron und seit kurzem Natalizumab zum Einsatz. Im sekundär chronisch
progredientem Stadium besteht die Therapie in der Gabe von hochdosierten IFN-ß-Präparaten oder
Mitoxantron. Für die primär chronisch progrediente Form steht derzeit keine etablierte medikamentöse
Behandlung
zur
Verfügung.
Doch
auch
die
vorhandenen
Therapieoptionen
vermögen
lediglich
den
Krankheitsverlauf zu verlangsamen. Eine Heilung ist nach w ie vor nicht möglich. Aufgrund des sehr variablen
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klinischen Verlaufs ist meist eine Beobachtungszeit von ein bis zw ei Jahren notw endig, um im Einzelfall die
W irksamkeit einer Therapie nachzuw eisen. Bei der am häufigsten angew andten Therapie – der Behandlung
mit IFN-ß – rechnet man mit ca. 30 % Therapieversagern. Allerdings ist es derzeit nicht möglich, die W irkung
einer der genannten Therapien für den individuellen Patienten vorherzusagen. Diese Prognose w äre jedoch
von großer Bedeutung, unter anderem da jede Therapie mit Nebenw irkungen verbunden sein kann und durch
lange Therapiedauer erhebliche Behandlungskosten entstehen.
Pharmakogenetik der MS
Im Grenzgebiet von genetischer und pharmazeutischer Forschung entw ickelt sich mit der Pharmakogenetik ein
neues Fachgebiet, dessen Ziel darin besteht, für jeden einzelnen Patienten maßgeschneiderte Arzneien und
Therapien zu entw ickeln, die eine bessere W irkung bei geringeren Nebenw irkungen entfalten. Bislang beruhen
sämtliche Aussagen über die W irksamkeit eines Medikaments und über dessen Risiken auf statistischen
Mittelw erten, die man in klinischen Prüfungen an einem großen Patientenkollektiv gew innt. Seit Jahrzehnten ist
jedoch bekannt, dass viele der häufig verordneten Medikamente zum Teil erhebliche interindividuelle
Unterschiede hinsichtlich ihrer therapeutischen W irkung und ihrer Nebenw irkungen aufw eisen, die nicht mit
bekannten Einflussfaktoren w ie Alter, Körpermasse, Nieren- oder Leberfunktion erklärt w erden können. Als
Ursache
einiger
dieser
Unterschiede
konnten
bereits
genetische
Merkmale
identifiziert
w erden.
Pharmakogenetiker suchen deshalb nach individuellen Erbmerkmalen, w elche die W irkung von Arzneimitteln
beeinflussen. W urden anfangs hauptsächlich genetische Unterschiede bei Enzymen entdeckt, die Arzneimittel
abbauen, so sind heute auch Polymorphismen und genetische Varianten für andere w irkungsrelevante
Prozesse bekannt, w ie für die Absorption und Verteilung sow ie für Transportproteine und Rezeptoren der
Arzneimittel.
W ährend früher in einem hypothesengeleiteten Ansatz einzelne Gene oder Proteine analysiert w urden, die auf
Grund
bereits
vorhandener Kenntnisse
über die
Erkrankung
interessant
erschienen, w erden
heute
zunehmend empirische experimentelle Ansätze verfolgt. Ermöglicht w ird dies u.a. durch die Sequenzierung des
humanen Genoms und die Entw icklung von Hochdurchsatz-Verfahren, die es erlauben, eine sehr große Anzahl
von Genen und Proteinen in vertretbarer Zeit und mit vertretbaren Kosten zu untersuchen.
Interindividuelle Basen-Unterschiede im Genom – bezeichnet als single nucleotide polymorphisms (SNPs) – sind
mit Hochdurchsatz-Verfahren messbar. Außerdem können so eventuelle Assoziationen eines Allels mit
Erkrankungen erkannt w erden.
In Kooperation mit der Neurologischen Abteilung der Universität W ürzburg und dem Institut für klinische
Neuroimmunologie der LMU München – zusammen mit den Arbeitsgruppen um Manfred Uhr, Florian Holsboer
und Bertram Müller-Myhsok – w urde eine Pilotstudie durchgeführt: 675 SNPs in 93 Genen von 54 MSPatienten, die auf die Therapie mit IFN-ß ansprachen (Therapie-Responder) w urden mit 52 Patienten
verglichen, die nicht von der Therapie profitierten (Therapie-Non-Responder). In diesem Kollektiv w aren 35
SNPs in fünf benachbarten Genen mit dem Ansprechen auf die IFN-ß-Therapie assoziiert (Abb. 3). Zw ei dieser
Gene erhöhten auch die Wahrscheinlichkeit, überhaupt an MS zu erkranken. Diese Ergebnisse bedürfen
allerdings noch der Replikation in einem unabhängigen Kontrollkollektiv. Aktuell w ird untersucht, ob die
identifizierten SNPs einen Einfluss auf die Regulierung der Gene unter IFN-ß-Therapie besitzen.
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Ka rte de r loga rithm ie rte n p-W e rte von 35 single nucle otide
polym orphism s (SNP s) in fünf be na chba rte n Ge ne n, die m it
de m Anspre che n a uf e ine The ra pie m it IFN-ß a ssoziie rt sind.
De n be ste n Vorhe rsa ge we rt für die W irk sa m k e it e ine r IFN-ßThe ra pie ha t de r m it e ine m grüne n Kre is m a rk ie rte SNP in
Ge n MP IP -401 (re la tive s R isik o: 0,106, p = 0,0003).
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Untersuchungen des humanen Proteoms
Um die Pathogenese der MS zu verstehen, genügt es nicht, nur das Genom und das Transkriptom zu
untersuchen, da ein starker Umw elteinfluss anzunehmen ist. Weil die Proteine den Phänotyp eines
Organismus am besten repräsentieren, ist eine zusätzliche Untersuchung des Proteoms, das heißt der
Gesamtheit aller Proteine eines Organismus, sinnvoll. Da pathogene T-Zellen im Tiermodell die Erkrankung auf
syngene Tiere, d.h. Tiere des gleichen Inzuchtstammes übertragen können und die MS histopathologisch durch
entzündliche Infiltrate im ZNS charakterisiert ist, w ird aktuell in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um
Christoph Turck das Proteom autoreaktiver humaner T-Zellen und histopathologisch charakterisierter MSLäsionen verglichen (Abb. 4). Erste Ergebnisse w eisen auf Unterschiede in T-Zell-Linien verschiedener
Antigenspezifität und zw ischen ZNS-Läsionen hin, bei denen eine Regeneration der Markscheiden stattfindet
bzw . diese ausbleibt. In Zukunft sollen die Untersuchungen auf den Liquor („Nervenw asser“) ausgew eitet
w erden.
Nervenwachstumsfaktoren
Bisher w urde in vielen Untersuchungen die entzündliche Komponente der MS in den Vordergrund gestellt. Auch
zielen alle zur Verfügung stehenden Therapien auf eine Suppression der Entzündungsreaktion ab. Allerdings
findet man bei chronisch progredientem Verlauf eine klinische Verschlechterung, ohne dass sich eine
entsprechende Entzündungsaktivität nachw eisen lässt. Außerdem kann eine Besserung der neurologischen
Ausfälle nur durch eine Regeneration von geschädigten Neuronen erreicht w erden. Nervenw achstumsfaktoren
können die Regeneration geschädigter Neurone fördern, jedoch auch – w ie neuere Untersuchungen zeigen –
die Aktivität von Immunzellen modulieren. Hier scheinen insbesondere die „glial-derived-neurothrophic-factor
(GDNF) family ligands (GFLs)“ interessant. Neurturin – ein Mitglied dieser Familie – moduliert die Tumor-
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Nekrose-Faktor-alpha-Produktion
in
Blutzellen. Möglicherw eise
hängt
bei MS-Patienten
die
Neurturin-
Produktion von den Stadien des Schubs und der Remission ab. Weitere Untersuchungen zum Nachw eis
anderer GFLs und deren Rezeptoren auf eingew anderten Entzündungszellen im Gehirn von MS-Patienten sind
geplant.
Ausblick
Die am Max-Planck-Institut für Psychiatrie zur Verfügung stehenden Hochdurchsatz-Verfahren zur Erforschung
des
Genoms, Transkriptoms
Pharmakogenetik
der
MS
und
Proteoms
empirisch,
das
bieten
erstmalig
heißt
ohne
die
Möglichkeit, die
hypothesengeleitete
Pathogenese
Annahmen
über
und
die
pathophysiologische Relevanz einzelner Gene zu erforschen. Die Ergebnisse der pharmakogenetischen
Pilotstudie zeigen die Durchführbarkeit dieses experimentellen Ansatzes, sodass im nächsten Schritt ein
„w hole genome“-Ansatz geplant ist. Weiterhin w ird die Microarray-Technik auf humane Proben, in unserem Fall
periphere
Blutzellen,
ausgedehnt,
da
sie
vergleichsw eise
einfach
verfügbar
sind
und
in
früheren
Untersuchungen nachgew iesen w urde, dass sie den Krankheitsprozess der MS in gew issem Ausmaß
reflektieren. Dieser empirische Ansatz ermöglicht überraschende und relevante Befunde für die Pathogenese
und Therapie der MS.
Unte rsuchung de s P rote om s in a ntige nspe zifische n T-Ze llLinie n und Ge hirnlä sione n von MS-P a tie nte n. Hie rzu we rde n
m öglichst a lle P rote ine a us T-Ze ll-Linie n ve rschie de ne r
Ak tivie rungszustä nde und Antige nspe zifitä t sowie a us
Ge hirnlä sione n von MS-P a tie nte n, die sich hinsichtlich de r
R e ge ne ra tion de r Mye linsche ide unte rsche ide n, e x tra hie rt und
m itte ls e ine r zwe idim e nsiona le n Ele k trophore se a ufge tre nnt.
Da s P rote inprofil wird ve rgliche n und P rote ine , die sich
zwische n ve rschie de ne n T-Ze ll-Linie n ode r Hirnlä sione n
unte rsche ide n, m ithilfe de r Ma sse nspe k trosk opie ide ntifizie rt.
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[1] Dressel, A., Vogelgesang, A., Brinkmeier, H., Mäder, M., Weber, F.:
Glatiramer acetate-specific human CD8+ T cells: Increased IL-4 production in Multiple Sclerosis is
reduced by glatiramer acetate treatment.
Journal of Neuroimmunology 181, 133-140 (2006).
[2] Gottschalk, M., Kümpfel, T., Flachenecker, P., Uhr, M., Trenkwalder, C., Holsboer, F., Weber, F.:
Fatigue and regulation of the hypothalamo-pituitary-adrenal axis in multiple sclerosis.
Archives of Neurology 62(2), 277-80 (2005).
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