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Die Rolle von Pentraxin 3 bei entzündlichen Nierenerkrankungen
Die Rolle von Pentraxin 3 bei entzündlichen Nierenerkrankungen
Entzündliche Nierenerkrankungen stellen weltweit eine gesundheitliche Bürde dar. Ein Versagen der Nierenfunktion, egal ob es in akuter oder chronischer Form auftritt, ist potentiell lebensbedrohlich und besonders im chronischen Verlauf aufwendig in der Therapie. Die Rolle des Immunsystems dabei wird immer besser charakterisiert und immunmodulatorische Biomoleküle werden zunehmend Ziel pharmakotherapeutischer Ansätze. Das Akute-Phase Protein Pentraxin 3 (PTX3) fungiert als Mustererkennungsrezeptor des humoralen Arms des angeborenen Immunsystems. \textit{In vivo} vermittelt Ptx3 u.a. die Phagozytose von bestimmten Mikroorganismen sowie die Neutralisierung von körpereigenen Gefahrensignalen und fungiert als regulatorisches Molekül bei Wundheilungsprozessen und der Rekrutierung von Immunzellen in entzündetes Gewebe. In der klinischen Forschung wächst das Interesse an PTX3 als Bioindikator verschiedenster entzündlicher Erkrankungen. Vorangegangene tierexperimentelle Arbeiten konnten zeigen, dass Ptx3 die Niere nach ischämischer Gewebeschädigung und während der Reperfusion dadurch vor weiteren entzündungsbedingten Schäden schützen kann, dass es die Rekrutierung von Immunzellen in die Nieren unterbindet. Das Immunsystem verursacht aber nicht nur Kollateralschäden bei sterilen Entzündungsreaktionen, sondern hilft auch bei der parenchymalen und mesechymalen Heilung verletzter Strukturen. Es ist anzunehmen, dass während dieser Regenerationsphase die Blockierung von Immunzellinfiltraten in geschädigte Nieren kontraproduktiv wäre. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Rolle von Ptx3 in einem weiter gefassten Kontext entzündlicher Nierenerkrankungen als der bisher untersuchten und unter Einbeziehung der Krankheitsdynamik im Zeitverlauf zu beschreiben, um sowohl das therapeutische Fenster als auch das pharmakologische Potential besser abschätzen zu können. Die Hypothesen, die überprüft werden sollten, waren, dass (A) therapeutisch eingesetztes Ptx3 nicht nur im Mausmodell der renalen Ischämie-Reperfusion sondern auch in anderen entzündlichen Nierenmodellen protektiv ist, (B) dieser Effekt letztlich nur bei Intervention in der akuten Schädigungsphase in Kraft tritt, während die therapeutische Intervention mit Ptx3 in der Regenerationsphase nach der Schädigung ungünstige Effekte zeigt, (C) bei einem ebenfalls entzündlichen, chronisch verlaufenden Modell die Rolle von Ptx3 hier - auf Grund der Parallelität von Schädigung und Regeneration - komplexer ist und andere immunmodulatorische Eigenschaften von Ptx3 jenseits seines Einflusses auf die Immunzellrekrutierung zum Tragen kommen. Nach ausführlicher Charakterisierung der zeitlichen Abfolge von Schädigung und Regeneration nach renaler Ischämie/ Reperfusion wurden entsprechend operierte Tiere mit Abklingen der Schädigungsphase für eine Woche mit rekombinantem humanen PTX3 (rhPTX3) behandelt. Die Phänotypisierung der post-ischämischen Nieren ergab eine deutliche strukturelle Verschlechterung mit einer persistierenden Entzündung. Bei globaler Ptx3-Defizienz , welche durch die Verwendung gentechnisch veränderter B6;129-Ptx3-tm1Mant Mäuse (PTX3-/-) erreicht wurde, und Substitution mit rhPTX3 ausschließlich xwährend der Regenerationsphase konnte parallel zur Phänotypverschlech\-terung eine Verschiebung der intrarenalen Immunzellpopulation hin zu weniger anti-inflammatorischen dendritischen Zellen (DC) beobachtet werden. Damit bestätigte sich die Vermutung, dass sich das therapeutische Fenster von rhPTX3 auf die akute Schädigungsphase beschränkt. Andere Mechanismen als die rhPTX3-bedingte Infiltrationsblockade pro-regenerativer und anti-inflammatorischer Immunzellen konnten nicht ausgeschlossen werden. Der protektive Effekt von rhPTX3 auf das Ausmaß der Gewebeschädigung bei einer akut entzündlichen Nierenpathologie ließ sich im Folgenden auch für das Modell der akuten Oxalatnephropathie bestätigen. Hierbei werden die Nieren in kürzester Zeit mit Oxalsäure übersättigt, sodass im gesamten Parenchym Kalziumoxalatkristalle ausfallen, die nekrotische Gewebeschäden und Entzündung verursachen. Die präemptive Therapie mit einem rhPTX3-Bolus reduzierte die Rekrutierung pro-inflammatorischer Immunzellen, strukturelle Schädigung, Entzündung und Nierenfunktionsverschlechterung. Auch hier war eine Veränderung der intrarenalen DC-Population erkennbar. Die Induktion des akuten Oxalatmodells in Ptx3-defizienten Mäusen zeigte, dass endogenes Ptx3 hier kaum eine Rolle spielt. Dennoch kam es zu einer vermehrten Infiltration von pro-inflammatorischen in diesen Tieren, was die eingangs aufgestellte Hypothese hierzu stützt. Zur Untersuchung der Rolle von Ptx3 bei chronischem Nierenversagen sollte das Ausmaß von Gewebeschädigung und Entzündung in einem Modell untersucht werden, dass auf einer langsameren aber dafür kontinuierlichen Übersättigung der Nieren mit Oxalsäure beruht. Die sich entwickelnde Deposition von CaOx-Kristallen in den renalen Tubuli führt ähnlich dem akuten Modell zu nekrotischem Zelltod und Entzündung. Der Vergleich von PTX3+/+ und PTX3-/- Tieren in diesem Modell ergab, dass endogenes Ptx3 als Kristallisationsinhibitor unter hyperoxaluren Bedingungen fungiert, da nur \ko Tiere eine Nephrokalzinose entwickelten, während \wt Mäuse keinen Phänotyp entwickelten. Da die Ptx3-kompetenten Tiere dieses gemischten Mausstammes auf Grund der fehlenden Kristalldeposition kein chronisches Nierenversagen entwickelten, konnte eine vergleichende Analyse des Phänotyps mit Hinblick auf die Funktion von Ptx3 nicht sinnvoll durchgeführt werden. Anschließende in chemico und in vitro Befunde zum Einfluss von rhPTX3 auf CaOx-Kristallwachstum sowie zum Verhalten von primären Tubuluszellen von PTX3+/+ und PTX3-/- Mäusen auf die Exposition mit CaOx-Kristallen untermauerten die in vivo angestellten Beobachtungen. Zusammengenommen zeigte sich, dass (A) therapeutisch eingesetztes rhPTX3 auch im Modell der akuten, entzündlichen Oxalatnephropathie protektiv wirkt, (B) ein verspäteter therapeutischer Einsatz von rhPTX3 in der Regenerationsphase nach IRI den Phänotyp verschlechtert und (C) endogenes Ptx3 unter hyperoxaluren Bedingungen als Kristallisations-inhibierendes Molekül fungiert. Diese Erkenntnisse untermauern zum einen die bisher etablierte Rolle, die Ptx3 bei entzündlichen (Nieren-) Erkankungen spielt. Zum anderen bieten die hier gezeigten Daten eine gute Rationale, um über die bisher in der Literatur beschriebenen Effekte von Ptx3 hinaus zu denken. Das betrifft vornehmlich die Untersuchung des therapeutischen Effektes einer PTX3-Neutralisierung während der Regenerationsphase nach akutem Nierenversagen und die Charakterisierung von PTX3-Varianten bei Nierensteinpatienten im Hinblick auf einen zusätzlichen diagnostischen Wert sowie die Suche nach neuen Therapieoptionen basierend auf PTX3.
Entzuendliche Nierenerkrankungen, Pentraxin 3, PTX3, Entzuendung, Niere, Immunsystem, angeborene Immunitaet, Therapie
Marschner, Julian
2019
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Marschner, Julian (2019): Die Rolle von Pentraxin 3 bei entzündlichen Nierenerkrankungen. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Entzündliche Nierenerkrankungen stellen weltweit eine gesundheitliche Bürde dar. Ein Versagen der Nierenfunktion, egal ob es in akuter oder chronischer Form auftritt, ist potentiell lebensbedrohlich und besonders im chronischen Verlauf aufwendig in der Therapie. Die Rolle des Immunsystems dabei wird immer besser charakterisiert und immunmodulatorische Biomoleküle werden zunehmend Ziel pharmakotherapeutischer Ansätze. Das Akute-Phase Protein Pentraxin 3 (PTX3) fungiert als Mustererkennungsrezeptor des humoralen Arms des angeborenen Immunsystems. \textit{In vivo} vermittelt Ptx3 u.a. die Phagozytose von bestimmten Mikroorganismen sowie die Neutralisierung von körpereigenen Gefahrensignalen und fungiert als regulatorisches Molekül bei Wundheilungsprozessen und der Rekrutierung von Immunzellen in entzündetes Gewebe. In der klinischen Forschung wächst das Interesse an PTX3 als Bioindikator verschiedenster entzündlicher Erkrankungen. Vorangegangene tierexperimentelle Arbeiten konnten zeigen, dass Ptx3 die Niere nach ischämischer Gewebeschädigung und während der Reperfusion dadurch vor weiteren entzündungsbedingten Schäden schützen kann, dass es die Rekrutierung von Immunzellen in die Nieren unterbindet. Das Immunsystem verursacht aber nicht nur Kollateralschäden bei sterilen Entzündungsreaktionen, sondern hilft auch bei der parenchymalen und mesechymalen Heilung verletzter Strukturen. Es ist anzunehmen, dass während dieser Regenerationsphase die Blockierung von Immunzellinfiltraten in geschädigte Nieren kontraproduktiv wäre. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Rolle von Ptx3 in einem weiter gefassten Kontext entzündlicher Nierenerkrankungen als der bisher untersuchten und unter Einbeziehung der Krankheitsdynamik im Zeitverlauf zu beschreiben, um sowohl das therapeutische Fenster als auch das pharmakologische Potential besser abschätzen zu können. Die Hypothesen, die überprüft werden sollten, waren, dass (A) therapeutisch eingesetztes Ptx3 nicht nur im Mausmodell der renalen Ischämie-Reperfusion sondern auch in anderen entzündlichen Nierenmodellen protektiv ist, (B) dieser Effekt letztlich nur bei Intervention in der akuten Schädigungsphase in Kraft tritt, während die therapeutische Intervention mit Ptx3 in der Regenerationsphase nach der Schädigung ungünstige Effekte zeigt, (C) bei einem ebenfalls entzündlichen, chronisch verlaufenden Modell die Rolle von Ptx3 hier - auf Grund der Parallelität von Schädigung und Regeneration - komplexer ist und andere immunmodulatorische Eigenschaften von Ptx3 jenseits seines Einflusses auf die Immunzellrekrutierung zum Tragen kommen. Nach ausführlicher Charakterisierung der zeitlichen Abfolge von Schädigung und Regeneration nach renaler Ischämie/ Reperfusion wurden entsprechend operierte Tiere mit Abklingen der Schädigungsphase für eine Woche mit rekombinantem humanen PTX3 (rhPTX3) behandelt. Die Phänotypisierung der post-ischämischen Nieren ergab eine deutliche strukturelle Verschlechterung mit einer persistierenden Entzündung. Bei globaler Ptx3-Defizienz , welche durch die Verwendung gentechnisch veränderter B6;129-Ptx3-tm1Mant Mäuse (PTX3-/-) erreicht wurde, und Substitution mit rhPTX3 ausschließlich xwährend der Regenerationsphase konnte parallel zur Phänotypverschlech\-terung eine Verschiebung der intrarenalen Immunzellpopulation hin zu weniger anti-inflammatorischen dendritischen Zellen (DC) beobachtet werden. Damit bestätigte sich die Vermutung, dass sich das therapeutische Fenster von rhPTX3 auf die akute Schädigungsphase beschränkt. Andere Mechanismen als die rhPTX3-bedingte Infiltrationsblockade pro-regenerativer und anti-inflammatorischer Immunzellen konnten nicht ausgeschlossen werden. Der protektive Effekt von rhPTX3 auf das Ausmaß der Gewebeschädigung bei einer akut entzündlichen Nierenpathologie ließ sich im Folgenden auch für das Modell der akuten Oxalatnephropathie bestätigen. Hierbei werden die Nieren in kürzester Zeit mit Oxalsäure übersättigt, sodass im gesamten Parenchym Kalziumoxalatkristalle ausfallen, die nekrotische Gewebeschäden und Entzündung verursachen. Die präemptive Therapie mit einem rhPTX3-Bolus reduzierte die Rekrutierung pro-inflammatorischer Immunzellen, strukturelle Schädigung, Entzündung und Nierenfunktionsverschlechterung. Auch hier war eine Veränderung der intrarenalen DC-Population erkennbar. Die Induktion des akuten Oxalatmodells in Ptx3-defizienten Mäusen zeigte, dass endogenes Ptx3 hier kaum eine Rolle spielt. Dennoch kam es zu einer vermehrten Infiltration von pro-inflammatorischen in diesen Tieren, was die eingangs aufgestellte Hypothese hierzu stützt. Zur Untersuchung der Rolle von Ptx3 bei chronischem Nierenversagen sollte das Ausmaß von Gewebeschädigung und Entzündung in einem Modell untersucht werden, dass auf einer langsameren aber dafür kontinuierlichen Übersättigung der Nieren mit Oxalsäure beruht. Die sich entwickelnde Deposition von CaOx-Kristallen in den renalen Tubuli führt ähnlich dem akuten Modell zu nekrotischem Zelltod und Entzündung. Der Vergleich von PTX3+/+ und PTX3-/- Tieren in diesem Modell ergab, dass endogenes Ptx3 als Kristallisationsinhibitor unter hyperoxaluren Bedingungen fungiert, da nur \ko Tiere eine Nephrokalzinose entwickelten, während \wt Mäuse keinen Phänotyp entwickelten. Da die Ptx3-kompetenten Tiere dieses gemischten Mausstammes auf Grund der fehlenden Kristalldeposition kein chronisches Nierenversagen entwickelten, konnte eine vergleichende Analyse des Phänotyps mit Hinblick auf die Funktion von Ptx3 nicht sinnvoll durchgeführt werden. Anschließende in chemico und in vitro Befunde zum Einfluss von rhPTX3 auf CaOx-Kristallwachstum sowie zum Verhalten von primären Tubuluszellen von PTX3+/+ und PTX3-/- Mäusen auf die Exposition mit CaOx-Kristallen untermauerten die in vivo angestellten Beobachtungen. Zusammengenommen zeigte sich, dass (A) therapeutisch eingesetztes rhPTX3 auch im Modell der akuten, entzündlichen Oxalatnephropathie protektiv wirkt, (B) ein verspäteter therapeutischer Einsatz von rhPTX3 in der Regenerationsphase nach IRI den Phänotyp verschlechtert und (C) endogenes Ptx3 unter hyperoxaluren Bedingungen als Kristallisations-inhibierendes Molekül fungiert. Diese Erkenntnisse untermauern zum einen die bisher etablierte Rolle, die Ptx3 bei entzündlichen (Nieren-) Erkankungen spielt. Zum anderen bieten die hier gezeigten Daten eine gute Rationale, um über die bisher in der Literatur beschriebenen Effekte von Ptx3 hinaus zu denken. Das betrifft vornehmlich die Untersuchung des therapeutischen Effektes einer PTX3-Neutralisierung während der Regenerationsphase nach akutem Nierenversagen und die Charakterisierung von PTX3-Varianten bei Nierensteinpatienten im Hinblick auf einen zusätzlichen diagnostischen Wert sowie die Suche nach neuen Therapieoptionen basierend auf PTX3.