Charakterisierung von Apoptose als Effektormechanismus der akuten Abstoßung und ihre intrazellulären Signaltransduktionswege

Abstract

Seit der ersten Herztransplantation 1967 wurden zahlreiche Fortschritte in der Früherkennung von Abstoßung und der medikamentösen Immunsuppression erzielt. Die Abstoßung bleibt jedoch weiterhin eine häufige Ursache für die Mortalität und den Organverlust nach Herztransplantation. Durch Analyse verschiedener, apoptose-regulierender Proteine in dem hier verwendeten heterotopen und allogenen Modell (Wistar-Furth zu Lewis) sollte der Ablauf der akuten Abstoßung in transplantierten Rattenherzen nachvollzogen werden. Apoptose läßt sich in diesem Modell in zunehmender Anzahl im Früh-, Intermediär und Spätstadium nachweisen. Der programmierte Zelltod ist Ursache des fortschreitenden Parenchymschadens (Apoptose konnte in jedem 15. Kardiomyozyten nachgewiesen werden) und führt vermutlich letztendlich zum vollständigen Verlust der Myokardfunktion. Histologisch kommt es zu einer progredienten Zellinfiltration, zu ödematöser Schwellung und zum Myozytenuntergang. Während der Abstoßungsprozedur kann bei verschiedenen apoptose-regulierenden Proteinen eine Kozentrationsänderung gemessen werden. Das komplexe Zusammenspiel dieser Eiweiße leitet vermutlich den programmierten Zelltod ein, sowohl in den Kardiomyozyten wie auch in den gewebsinfiltrierenden Immunzellen. Während der akuten Transplantatabstoßung in diesem Modell steigt der Transkriptionsfaktor NF?B in seiner Konzentration und Aktivität, jedoch ohne messbare Veränderung von I?B-a. Die Aktivitätszunahme von NF?B ist möglicherweise erkennbar an einer Zytokin-, Bax-und iNOS-Zunahme. Als Folge der vermehrten iNOS-Produktion wird vermutlich mehr NO freigesetzt, das wahrscheinlich zur Apoptoseinduktion in verschiedenen Zellen beiträgt. Die Zytokine führen zur vermehrten zellulären Infiltration in das Transplantat, während dessen das proapoptotische Protein Bax die Aktivierung von Caspase 3 einleitet. Aktivierte Caspase 3 nimmt an Tag 6 (am Endpunkt verschiedener Apoptoseinduktionswege) an Konzentration zu und stimuliert seinerseits verschiedene Substrate, die für die morphologischen Veränderungen des Zelltodes verantwortlich sind. Eventuell sorgt Caspase 3 auch für die Spaltung des apoptosehemmenden Proteins Bcl-2 in ein kleineres Molekül (posttranskriptionelle Degradation) und beinflußt dadurch das Verhältnis des proapoptotischen Proteins Bax zu seinem Gegenspieler Bcl-2 zu Gunsten von Bax. Akt verliert in diesen Versuchen an Konzentration, dadurch vermindert sich möglicherweise sein hemmender Einfluss auf die proapototisch wirkenden Proteine Bax und Bad. Akt soll jedoch auch hemmend auf FasL einwirken und dieses seinerseits Apoptose induzieren können. Jedoch läuft die Induktion von Apoptose der Kardiomyozyten in diesem Modell vermutlich nicht über FasL. Obwohl Apoptose in diesem Modell zunimmt, kommt es zu einem Verlust an FasL. Das Fas-FasL-System könnte hier ein protektiver Mechanismus für die Kardiomyozyten sein, z.B. die Zellen gegen das Empfängerimmunsystem schützen, oder im Rahmen einer Entzündungsreaktion herunterreguliert werden. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, dass FasL in ein kleineres Molekül gespalten wird, das im Sinne eines Chemokines wirkt. Die Hemmung apoptoseinduzierender Mechanismen ist ein neuer möglicher Ansatz zur Verbesserung des Langzeitüberlebens von kardialen Transplantaten. Tiermodelle wie dieses scheinen geeignet, das Verständnis der komplizierten, biochemischen Abläufe zu vertiefen. Auf diesem Wege könnte es gelingen, eine vereinfachte und spezifische Fühdiagnostik sowie eine pharmakologische Prävention zu entwickeln, die in die Abstoßungskette eingreift. Dieser Ausblick bleibt weiteren Recherchen vorbehalten. Since the first human heart transplantation in 1967 much progress has been made in early diagnosis of rejection and immunosuppression. Rejection, however, remains a frequent cause of mortality and transplant loss after heart transplantation. Through analysis of diverse apoptose-regulating proteins in heterotopic and allogen model (Wistar-Furth to Lewis) used here, acute rejection of transplanted rat-hearts was examined. Herein Apoptosis can be detected in increasing number during early, intermediary and late stages of rejection. Programmed cell death is a mediator of graft destruction (apoptosis can be found in every 15th cardiomyocyte) and is assumed to lead, ultimately, to the loss of transplant function. The transplanted graft shows histologically progressive cell-infiltration, tissue-oedema and destruction (death) of cardiomyocytes. During acute rejection an alteration in the concentration of certain apoptosis-regulating proteins can be measured. The complex interplay of these proteins is probably responsible for programmed cell death in graft-infiltrating cells as well as in cardiomyocytes. In this model the transkription factor NF?B rises in concentration and activation during acute rejection, but without a measurable change of I?B-a. The increased activity of NF?B is probably noticeable in an increase of cytokines, bax und iNOS. As a result of a progressive iNOS-production you can find a release of NO, which supposably contribute to the induction of apoptosis in various cells. The cytokines lead to a progressive cell infiltration in the transplanted organ, while bax triggers the activation of caspase 3. Activated caspase 3 increases in concentration on day six after transplantation (at the end point of many apoptosis-induction ways) and stimulates on his part diverse substrates which are responsible for morphological changes during apoptotic cell death. Caspase 3 probably contributes to cleavage of bcl-2 into a smallish molecule (posttranscriptional degradation) and influences the proportion of proapoptotic bax to its antagonist bcl-2 in favour of bax. Akt loses concentration during these experiments; and this possibly leads to the reduction of its inhibitory effect on the proapoptotic bax and bad. It is also supposed that Akt inhibits FasL and that this can induce apoptosis on its part. In this model, however, the induction of apoptosis of the cardiomyocytes is probably indepent of FasL. Although apoptosis increases in this model, there is a decline in FasL. It is possible that Fas-FasL acts as a protective mechanism for the cardiomyocytes, by protecting the cells from host immune cells for example, or that it can be down-regulated within an inflammation. Another possibility is that FasL cleaves in a smallish molecule which functions as a chemokine. The impact on apoptosis-inducing metabolism could be a new diagnostic and therapeutic approach in the management of rejection after cardiac transplantation. In vitro models like this seem to be helpful for a further research. In this regard the comparison with human conditions should be confirmed. On the basis of a more profound knowledge of the complex biochemical interactions a more simple and specific early diagnosis, an improved and expanded selection of heart donors and the development of protecting agents are imaginable.