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13. Nov 2020

Chronische Entzündungen bei Mukoviszidose - neue Methode könnte helfen Therapien zu entwickeln

News 2020-465 DE

Ein Team von Forschern des DZL-Standorts TLRC am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) und dem Universitätsklinikum Heidelberg (UKHD) hat eine neue Methode entwickelt die helfen könnte, die Entstehung chronischer Entzündungen bei Mukoviszidose (Cystische Fibrose, CF) besser zu verstehen. Die neue Technik erlaubt es, die Aktivität zweier DNA-gebundener Proteine sichtbar zu machen, die als entzündungsfördernd gelten.

Die meisten Patienten mit Mukoviszidose (CF) leiden unter einer chronischen Entzündung der Atemwege, die langfristig zu einer dauerhaften strukturellen Schädigung des Gewebes und damit zu einer Einschränkung der Lungenfunktion führt. Der zugrundeliegende Gendefekt, der Mukoviszidose verursacht, verändert die Zusammensetzung des Schleims in den Atemwegen und macht ihn zähflüssiger. Dieser dicke Schleim blockiert die Atemwege und fördert das Wachstum von Bakterien, das eine Immunreaktion auslöst und zu einer Entzündung der Lunge führt.

Neutrophile stehen an forderster Front des Immunsystems und bekämpfen bakterielle Krankheitserreger auf verschiedenen Ebenen.  Zum einen nehmen sie bakterielle Eindringlinge auf und zerstören sie, zum anderen kommunizieren sie mit dem Immunsystem, um z.B. die Immunantwort aufrechtzuerhalten. Diese Kommunikation wird durch verschiedene Moleküle vermittelt, zwei davon sind die Proteasen Neutrophile Elastase (NE) und Cathepsin G (CG). Darüber hinaus haben Neutrophile eine dritte, raffiniertere Art, mit bakteriellen Eindringlingen umzugehen: Sie sezernieren ihre DNA, um netzartige extrazelluläre Strukturen zu bilden, die sogenannten neutrophilen extrazellulären Fallen (NET). Diese können die Bakterien einfangen und ein Gerüst für Moleküle wie NE und CG bilden, was möglicherweise zu einer lokalen Feinabstimmung der Immunantwort beiträgt.

Allerdings hat eine hohe Neutrophilenaktivität auch ihre Schattenseiten, die sich bei anhaltender Entzündung - wie in der Lunge von CF-Patienten - bemerkbar machen. Ein Problem ist, dass die DNA, die die Neutrophilen absondern, die Atemwege von CF-Patienten noch weiter blockiert und den Luftstrom stört. Deshalb werden in der CF-Therapie bereits DNAsen eingesetzt, die die DNA abbauen, um die Atemwege frei zu machen und die Atmung zu fördern. Ein zweites Problem der hohen Neutrophilenaktivität ist, dass die neutrophilen Proteasen NE und CG bekannte Stimulatoren von Entzündungen sind. Wenn ihre Aktivität zu hoch ist, können sie dazu beitragen, dass das körpereigene Immunsystem seine eigenen Zellen angreift, was zu dauerhaften Lungenschäden führt. Das Vorhandensein von NE in den Lungensekreten von CF-Patienten geht dem Auftreten von Bronchiektasen voraus und korreliert mit einer Verschlechterung der Lungenfunktion und Exazerbationen. Daher könnten NE und CG in Zukunft wertvolle Biomarker werden, z. B. um den Schweregrad der Erkrankung abzuschätzen und Exazerbationen oder eine Verschlechterung der Lungenfunktion vorherzusagen.

Bislang war es nicht einfach, die Aktivität von NE und CG zu untersuchen, wenn sie an NETs gebunden sind. Die in der Vergangenheit verwendeten Methoden waren zeitaufwendig und erforderten die Sektion von Lungengewebe. Daher entwickelte das TLRC-Team ein neuartiges fluoreszenzbasiertes FRET-Reportersystem zur Messung der proteolytischen Aktivität von CG und NE, die an DNA gebunden sind. Damit konnten sie im Sputum von Mukoviszidose-Patienten erhöhte Werte von NET-gebundener NE-Aktivität nachweisen. Dies ist ein erster vielversprechender Schritt in Richtung Anwendung der Methode in klinischen Studien. Solche Studien könnten Aufschluss über die Rolle von NETs und NET-gebundenen NE und CG bei der Lungenentzündung bei CF geben. Es könnte untersucht werden, ob die NET-gebundene NE- und CG-Aktivität im Sputum von CF-Patienten als Biomarker dienen könnte, der die Notwendigkeit einer entzündungshemmenden Therapie vorhersagt. Außerdem könnte die neue Technik helfen, die Rolle von NETs, NE und CG bei anderen Lungenerkrankungen zu verstehen, die durch chronische Entzündungen gekennzeichnet sind, wie Asthma und COPD.

Das Bild zeigt eine Immunzelle (Neutrophil), die ihre DNA in den extrazellulären Raum sekretiert hat. Die DNA formt netzähnliche Strukturen, sogenannte NETs (neutrophil extracellular traps). Zwei entzündungsfördernde Proteine - Neutrophil Elastase (NE) und Cathepsin G (CG) - binden an die NETs. Die neue Methode von Guerra et al., erlaubt es die Aktivität NET-gebundener NE und CG mittels eines fluoreszierenden FRET-Reporters sichtbar zu machen. Je höher die Aktivität der Proteasen, desto heller (gelber), die Farbe auf dem Bild. Der Maßstab zeigt eine Größe von 10 Mikrometern.

Originalpubliaktion

Protease FRET Reporters Targeting Neutrophil Extracellular Traps. Guerra M, Halls VS, Schatterny J, Hagner M, Mall MA, Schultz C. J Am Chem Soc. 2020 Nov 13. doi: 10.1021/jacs.0c08130. Online ahead of print. PMID: 33186023

Quelle: TLRC

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