Charakterisierung der Bedeutung von Interleukin-6 und Prostaglandinen bei der Fieberentstehung nach systemischer oder lokaler Stimulation mit bakteriellem Lipopolysaccharid bei Meerschweinchen

Abstract

Ziel dieser Doktorarbeit war die Untersuchung von Signalwegen zur Fieberentstehung im Rahmen lokaler oder systemischer Entzündungsreaktionen. Die spezifische Rolle von Interleukin-6 (IL-6) und Prostaglandinen in diesen beiden Prozessen wurden analysiert. Im Hinblick auf den humoralen Mechanismus der Fieberentstehung wurde während systemischer oder lokaler Entzündungsreaktion eine mögliche Lipopolysaccharid (LPS)-induzierte Aktivierung des pleiotropen Zytokins IL-6 und des IL-6-induzierten Transkriptionsfaktors STAT3 untersucht. Bei Meerschweinchen verursachten intraarterielle (i.a., 10 µg/kg) oder intraperitoneale (i.p., 30 µg/kg) LPS-Injektionen eine systemische Entzündungsreaktion, die von robustem Fieber beleitet war. Eine Fieberreaktion wurde ebenfalls durch LPS-Applikation in eine subkutan implantierte, künstliche Teflonkammer induziert (s.c., 100 oder 10 µg/kg), die ein Experimentalmodell einer lokalen Entzündungsreaktion darstellt. 60 min. vor LPS- oder Lösungsmittel-Injektion waren basale Spiegel an biologisch aktiven IL-6 von 35-80 internationalen Einheiten pro ml. (I.U./ml.) im Blut messbar. 90 min. nach LPS-Gabe erhöhten sich die IL-6-Plasmakonzentrationen in den i.a. oder i.p. behandelten Tiergruppen etwa 1000-fach, 50-fach in der Gruppe, die mit 100 µg/kg LPS s.c. behandelt wurde und lediglich 5-fach bei Meerschweinchen, denen die niedrige LPS-Dosis (10µ/kg) in die subkutane Kammer injiziert wurde. Zu diesem Zeitpunkt konnte in verschiedenen Gehirnstrukturen eine distinkte Verteilung nukleärer Translokationen des Transkriptionsfaktors STAT3 beobachtet werden. Hierzu gehörten Gehirnstrukturen mit einer unvollständigen Blut-Hirn-Schranke (BBB), die als sensorische zirkumventrikuläre Organe (sCVOs) bezeichnet werden: die Area postrema, das Organum vasculosum laminae terminalis, das Organum subfornicale sowie zusätzlich auch der hypothalamische Nucleus supraopticus, welche in den i.a. oder i.p. mit LPS behandelten Gruppen starke nukleäre STAT3-Aktivierung aufwiesen. Im Gegensatz dazu wurde nach s.c. LPS-Applikation eine moderate Anzahl (hohe LPS-Dosis, 100 µg/kg) bzw. sogar keine (niedrige LPS-Dosis) nukleären STAT3-Signale in den genannten Hirnstrukturen nachgewiesen. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass STAT3-vermittelte Aktivierung der Transkription von Ziel-Genen in Gehirnzellen nur dann stattfindet, wenn bei systemischen oder lokalen Entzündungsreaktionen ausreichend hohe zirkulierende IL-6-Konzentrationen auftreten. Zell-Phänotypen der Zytokin-responsiven Zielzellen im Gehirn, die durch IL-6 genomisch aktiviert wurden, konnten durch immunhistologische Analyse des Zytokin-induzierten Transkriptionsfaktors in Kombination mit spezifischen zellulären Markerproteinen nachgewiesen werde. Zwei für die Zytokin-abhängige Vermittlung von Immuneffektorfunktionen kritische Gehirnanteile konnten identifiziert werden. Eine Gruppe responsiver Zellen war entlang der BBB lokalisiert, eine andere Gruppe von Zellen befand sich in den bereits erwähnten sCVOs. Die markanteste STAT3-Aktivierung erfolgte in zwei Zielstrukturen des Meerschweinchengehirns und zwar (1) in Endothelzellen des gesamten Gehirns und (2) in Astrozyten der sCVOs. Beide Strukturen stellen entscheidende Gehirnregionen bzw. Zellen der Zytokin-vermittelten Wirkung bei LPS-induzierten Entzündungsreaktionen dar. STAT3-kontrollierte transkriptionelle Aktivierung scheint bei diesem Prozess mitzuwirken. Die funktionelle Konsequenz STAT3-abhängiger genomischer Aktivierung von Gehirnzellen nach LPS-Gabe wird bislang nur unvollständig verstanden. Basierend auf neuern Daten aus der Literatur konnte eine Hypothese formuliert werden, welche STAT3 als einen antiinflammatorischen Mediator speziell im Endothel vorschlägt. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit demonstrieren deutlich, dass ganz besonders das Gehirnendothel in dieses neue Konzept integriert werden muss.Zur Untersuchung des nervalen Signalwegs zur Fieberentstehung bei lokalen Entzündungsreaktionen und speziell der Rolle von Prostaglandinen in diesem Experimentalmodell wurden Fieberreaktionen durch Injektionen einer hohen (100 µg/kg) oder niedrigen (10 µg/kg) LPS-Dosis in die künstliche subkutan implantierte Teflonkammer induziert. Beide eingesetzten LPS-Dosierungen riefen außerdem eine im subkutanen Entzündungsareal lokalisierte markante Bildung von Prostaglandin E2 (PGE2) hervor. Die Gabe von Diclofenac, einem nicht selektiven Zyklooxygenase-Inhibitor (COX) in unterschiedlichen Dosierungen (5, 50, 500, 5000 µg/kg), verringerte oder unterdrückte LPS-induziertes Fieber und hemmte die LPS-induzierte lokale PGE2-Bildung. Die niedrigste Diclofenac-Dosierung (5 µg/kg) schwächte das Fieber nach LPS-Applikation von 10 µg/kg s.c. nur dann ab, wenn Diclofenac direkt in die subkutane Kammer injiziert wurde, nicht aber bei subkutaner Applikation in den contralateral zur subkutanen Kammer gelegenen Bereich. Diese Beobachtung wies darauf hin, dass eine lokalisierte PGE2-Bildung im Entzündungsgebiet einen Teil der Fieberreaktion vermittelte, die durch Injektion von 10 µg/kg LPS in die subkutane Kammer ausgelöst wurde. Eine Erhärtung dieser Hypothese ergab sich aus Beobachtungen, dass es nicht möglich war, COX-2 mRNA im Gehirn des Meerschweinchens nach Injektion von 10 µg/kg LPS in die subkutane Kammer nachzuweisen. Hingegen induzierte eine subkutane Gabe von 100 µg/kg LPS wie auch systemische LPS-Applikation (i.a., i.p.) eine deutliche Expression des COX-2-Genes im Meerschweinchengehirn, was durch in situ Hybridisierung dokumentiert wurde. Folglich wurde die Fieberreaktion bei subkutaner Injektion von 10 µg/kg LPS zumindest anteilig durch Aktivierung nervaler Signalvermittlung vom lokalen Entzündungsmodell zum Gehirn hervorgerufen.Als Schlussfolgerung hieraus ergibt sich, dass Fieberreaktionen bei moderaten lokalen Entzündungsreaktionen anteilig sowohl von humoralen als auch nervalen Komponenten der Kommunikation des aktivierten Immunsystems mit dem Gehirn entstehen. Die nervale Beteiligung ist dann nicht mehr detektierbar, wenn die humoralen Signale so stark sind, dass nervale Komponenten zur Fieberinduktion verdeckt werden. Im Bezug auf die humorale Komponente könnte IL-6 eine zentrale Rolle bei der Regulation der Fieberreaktion spielen, obwohl die präzise funktionelle Konsequenz IL-6-induzierter genomischer Aktivierung von Gehirnzellen noch abzuklären bleibt. Purpose of the present study was to investigate signaling pathways for fever induction during localized or systemic inflammation. The specific roles of Interleukin-6 (IL-6) and prostaglandins in both of these processes were analyzed. With regard to the humoral mechanisms of fever generation, a possible lipopolysaccharide (LPS)-induced activation of brain cells mediated by the pleiotropic cytokine IL-6 and its transcription factor STAT3 during systemic or localized inflammation was studied. In guinea pigs, intra-arterial (i.a., 10 µg/kg) or intraperitoneal (i.p., 30 µg/kg) injections of bacterial LPS caused a systemic inflammatory response which was accompanied by a robust fever. A febrile response was also induced by administration of LPS into artificial subcutaneously implanted Teflon chambers (s.c. 100 or 10 µg/kg), which reflects an experimental model that mimics local tissue inflammation. Baseline plasma levels of bioactive IL-6 determined 60 min. prior to injections of LPS or vehicle amounted to 35-80 international units per ml (I.U./ml). Within 90 min. after LPS-injection plasma IL-6 rose about 1000-fold in the groups injected i.a. or i.p., about 50-fold in the group injected s.c. with 100 µg/kg LPS, and only 5-fold in guinea pigs injected with the lower dose of LPS s.c. (10 µg/kg). At this time point, a distinct nuclear translocation pattern of the transcription factor STAT3 became evident in several brain structures. Amongst those the sensory circumventricular organs (sCVOs) known to lack a tight blood-brain barrier, such as the area postrema, the vascular organ of the lamina terminalis and the subfornical organ, as well as the hypothalamic supraoptic nucleus showed intense nuclear STAT3 signals in the i.a. or i.p. injected groups. In contrast, a moderate (s.c. group, 100 µg/kg) or even no (s.c. group, 10 µg/kg) nuclear STAT3 translocation occurred in response to s.c. injections of LPS. These results suggest that STAT3-mediated genomic activation of target gene transcription in brain cells occurred only in those cases in which sufficiently high concentrations of circulating IL-6 were formed during systemic (i.a. and i.p. groups) or localized (s.c. group, 100 µg/kg) inflammation. Cell phenotypes of cytokine-responsive brain target cells that were genomically activated by IL-6 were mapped by histological analysis of cytokine-induced transcription factors in combination with specific cellular marker proteins. Critical sites mediating cytokine-dependent immuneffector functions could be divided into two groups, one group of responding cells situated along the tight blood-brain barrier (BBB), and a second group of cells in the before mentioned sCVOs. A marked STAT3 activation in two target structures of the guinea pig brain (1) within the entire brain endothelium and (2) within astrocytes of the sCVOs were shown. Both structures represent critical brain sites or cells mediating cytokine action during LPS-induced inflammation. STAT3-controlled transcriptional activation seems to be involved in this process. The functional consequences of STAT3-dependent genomic actions during LPS-challenge are still poorly understood. However, based on a recently published study from another laboratory, a new hypothesis is presented, which involves STAT3 as an anti-inflammatory mediator in the endothelium. The results of this thesis clearly demonstrate that specifically the endothelium of the brain has to be incorporated into this novel concept. To investigate the potentially involved neuronal signaling pathway for fever induction during localized inflammation and the role of prostaglandins in this experimental model, dose-dependent febrile responses were induced by injection of a high (100 µg/kg) or a low (10 µg/kg) dose of bacterial LPS into artificial subcutaneously implanted Teflon chambers. Both of the applied LPS-doses further induced a pronounced formation of prostaglandin E2 (PGE2) at the site of localized subcutaneous inflammation. Administration of diclofenac, a non-selective cyclooxygenase (COX) inhibitor, at different doses (5, 50, 500, 5000 µg/kg) attenuated or abrogated LPS-induced fever and depressed LPS-induced local PGE2 formation. The lowest dose of diclofenac (5 µg/kg) attenuated fever in response to 10 µg/kg LPS only when administered directly into the subcutaneous chamber, but not when injected into the contralateral subcutaneous site of the chamber position. This observation indicated that a localized formation of PGE2 at the site of inflammation mediated a portion of the febrile response which was induced by injection of 10 µg/kg LPS into the subcutaneous chamber. Further support for this hypothesis derived from the observation that I failed to detect induction of COX-2 mRNA in the brain of guinea pigs injected subcutaneously with 10 µg/kg LPS, while subcutaneous injections of 100 µg/kg LPS as well as systemic injections of LPS (i.p. or i.a. routes) readily caused expression of the COX-2 gene in the guinea pig brain as demonstrated by in situ hybridization. Therefore, fever in response to subcutaneous injection of 10 µg/kg LPS may, in part, have been evoked by a neuronal rather than a humoral pathway from the local site of inflammation to the brain. In conclusion, fever in response to moderate local inflammatory reactions seems to be due to the participation of a humoral as well as a neuronal component of immune-to-brain communication. The neuronal participation is not detectable at all, when humoral signals are so strong that they are overriding the neural component for fever induction. With regard to the humoral component, IL-6 might play an important role in the regulation of the febrile response although the precise functional consequences of IL-6-induced genomic activation of brain cells still has to be clarified.