Regulation der Zytokine IL-4, IL-10 und IL-13 und deren Signalfaktoren in der Rattenlunge nach Endotoxinstimulation im Vergleich zur konstitutiven Expression im Organismus von Ratte und Mensch

Abstract

Regulation der Zytokine IL-4, IL-10 und IL-13 und deren Signalfaktoren in der Rattenlunge nach Endotoxinstimulation im Vergleich zur konstitutiven Expression im Organismus von Ratte und Mensch IL-4, IL-10 und IL-13 sind Zytokine, die vornehmlich von T-Helfer2 (Th)-Zellen produziert und sezerniert werden. IL-4 und IL-13 sind biologisch verwandt und teilen ein großes synergistisches Wirkspektrum. Sie haben einen starken Einfluss auf die Genese von Asthma und anderen atopischen Erkrankungen. Th2-Zytokine, im besonderen IL-10, spielen ferner eine besondere Rolle für die Ätiologie chronisch entzündlicher Darmerkrankungen und fibrotischer Lungenerkrankungen. Der genaue Einfluss dieser Mediatoren auf die Entstehung und den Verlauf schwerer akut-entzündlicher Lungenerkrankungen (z.B. ARDS) ist jedoch nur unvollständig untersucht. In erster Linie wird angenommen, dass diese Zytokine vornehmlich von immunkompetenten Zellen exprimiert werden. In den letzten Jahren konnten einige Arbeiten eine Expression und Sezernierung dieser Proteine in Zellen nicht-leukozytären Ursprungs zeigen. Diese Daten erlauben einen tieferen Einblick in organspezifische Mechanismen der Krankheitsentstehung und stellen organspezifische Regulationsmechanismen in Aussicht. Deshalb hat die vorliegende Arbeit zum Ziel zunächst ein konstitutives zelluläres Expressionsmuster der Zytokinfaktoren IL-4, IL-13, IL-10 sowie deren signaltransduzierenden Faktoren IL-4Ra, STAT6 und IL-10R im Organismus der Ratte zu erarbeiten. Ferner wird speziell auf eine zelluläre Kompartimentierung neben immunkompetenten Zellen fokussiert. Da ein besonderer Einfluss dieser Mediatoren auf die Genese pulmonaler Erkrankungen bekannt ist wird im speziellen die pulmonale konstitutive Expression zwischen den Spezies Ratte und Mensch verglichen. Darüber hinaus wird die zell-spezifische Regulation dieser Zytokinfaktoren unter dem Einfluss von Endotoxin (häufige Ursache schwerer entzündlicher Lungenerkrankungen) in isolierten und blut-frei perfundierten Rattenlungen untersucht. Fasst man die zentralen Beobachtungen der vorliegenden Arbeit zusammen, zeigt sich eine konstitutive Expression von IL-4, IL-13, IL-10 und den signal-vermittelnden Komponenten in allen untersuchten Organen der Ratte. Dabei wurde ein sehr differenziertes zelluläres Expressionsmuster gefunden, welches epitheliale und endotheliale Zellen hervorhebt. Besonders glatte Muskelzellen zeigen eine differenzierte Expression, überwiegend in Bronchien und pulmonalen Gefäßen. Der Vergleich zwischen normalen Rattenlungen und humanen Lungengewebeproben legt dar, dass das konstitutive zelluläre Expressionsprofil zwischen diesen beiden Spezies in weiten Teilen identisch ist. Die vaskuläre Endotoxin-Exposition isoliert-perfundierter Rattenlungen ergab eine differenzierte Regulation der Mediatoren in den einzelnen Zellkompartimenten. Jedoch steht eine Abnahme der Expression von IL-4, IL-13, IL-10 und deren Signalfaktoren nach einer frühen zweistündigen Endotoxin-Exposition im Vordergrund. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen auf ein komplexes organ- und zellspezifisches Expressionsmuster immunmodulierender Th2-Zytokine hin, welches unter inflammatorischen Bedingungen spezifisch reguliert wird. Dies stellt die Möglichkeit in Aussicht, das die Pathogenese schwerer pulmonaler Erkrankungen, wie ARDS, Fibrose oder Asthma, durch lokale nicht-immunkompetente Zellen stark beeinflusst wird. Schlagworte: IL-4, IL-10, IL-13, IL-4R, IL-10R, STAT-6, LPS, Endotoxin, Lunge, Immunohistologie, Ratte, Human, Mensch, Organismus, Expression, ARDS, Inflammation, Asthma, Fibrose Regulation of IL-4, IL-13, IL-10, and their downstream components in LPS exposed rat lungs as well as comparison of the constitutive expression between rats and humans. IL-4, IL-10, and IL-13 are T-helper2 cell derived cytokines, suppressing pro-inflammatory cytokine production. Biologically related IL-4 and IL-13 have impact on development of atopic inflammation, whereas IL-10 is mostly mentioned responsible for fibrotic disorders or inflammatory bowel disease. Their influence on the etiology of severe lung injury is widely unknown. The protein expression of these proteins is mostly assumed to be restricted to immunocompetent cells. Recently, some non-leukocytic cell types have been described as sources of the mediators, which conceded deeper insight in organ specific disease development. In the present study, the constitutive cellular distribution pattern of IL-4, IL-13, IL-10, IL-4Ra, STAT6 and IL-10R was elaborated by immunohistochemistry in the rat organism. Cytokine specific regulation in LPS-challenged rat lungs was performed and constitutive expression was compared with human lungs. Strong expression of all mediators in different non-leukocytic cell types is demonstrated, especially in endothelial and epithelial cells in the entire organism. Rat lung cytokine expression compared with human lungs showed strong similarities. Moreover, vascular LPS-challenge of rat lungs generally demonstrated cell type specific down regulation of the mediators. In conclusion, non-immunocompetent cells in the organism play an important role in regulating organ specific inflammatory reactions, especially in the lungs. Schlagworte: IL-4, IL-10, IL-13, IL-4R, IL-10R, STAT-6, LPS, Endotoxin, Lung, Immunohistochemistry, Rat, Human, Organism, Expression, ARDS, Inflammation, Asthma, Fibrosis