ACE (CD143) in granulomatösen Entzündungen von Mensch und Tier : Speziesspezifische Expression in Endothel und Makrophagen

Abstract

Vorkommen und Verteilungsmuster von Angiotensin I-converting enzyme (ACE, Kininase II, CD143), das die Auswirkungen des RAS unddes KKS über die Gewebespiegel bioaktiver Angiotensine und Kinine reguliert, ist in Geweben von Mensch und Tier unzureichendcharakterisiert. Erst kürzlich fiel seine endotheliale Heterogenität mit bemerkenswerter Gefäß-, Organ- und Speziesspezifität auf. Fernersind die bei Sarkoidose und einigen histiozytären Entzündungen abnorm erhöht gefundenen ACE-Serumspiegel morphogenetisch nichterklärt. Ziele dieser Arbeit waren daher, mit sechs gegen denaturiertes menschliches ACE hergestellten neu zur Verfügung stehendenmonoklonalen Antikörpern (mAk) (CG1, CG2, CG3, CG4, CG5 und 5F1) das Expressionsmuster von ACE (1.) in Makrophagen undätiologisch verschiedenen granulomatösen Entzündungen des Menschen zu vergleichen, (2.) diese mAk hinsichtlich einer möglichenKreuzreaktivität mit dem ACE verschiedener Tierarten zu prüfen, um dadurch (3.) mögliche speziesspezifische Unterschiede in derendothelialen, makrophagozytären und granulomatösen ACE-Expression zu analysieren. Außerdem wurden die mAk JC/70A gegenCD31, mAk KP1 gegen CD68 und mAk MR12/53 (unspezifisch) zu Kontrollzwecken eingesetzt. Grundlage bildeten formalinfixierte und in Paraffin eingebettete Gewebeproben von Patienten mit klinisch abgesicherter Tuberkulose (n=41), Sarkoidose (n= 29), Toxoplasmose (n= 30), Fremdkörpergranulomen unterschiedlicher Ätiologie (n= 14) und 20 Patientenfälle mitbesonderen granulomatösen und histiozytären Entzündungen wie Schistosomiasis, Blastomykose, mykobakterieller Histiozytose undMorbus Hansen (Lepra). Ferner wurden in Paraffin eingebettete Gewebeproben von 21 verschiedenen Tierarten untersucht. Histiozytäreund granulomatöse Gewebereaktionen konnten hier jeweils an der Tuberkulose von Menschenaffe, Hund, Katze und Großkatzen, an derLungenmykose des Kaninchens und an Fremdkörperreaktionen des Hundes erfasst werden. Das Gewebematerial entstammte denInstituten für Pathologie und Veterinär-Pathologie der JLU Giessen, die Sonderfälle der Abteilung für Pathologie der Universität Campinas,Brasilien. Als Detektionsmethode der Immunreaktivität diente die APAAP-Technik. Die geweblichen Expressionsmuster von ACE wurdeneinheitlich analysiert, wobei eine semiquantitative Erfassung morphologisch und immunhistologisch relevanter Gewebeveränderungen beiSarkoidose, Tuberkulose und Toxoplasmose eine vergleichende statistische Analyse zuließ. Von den analysierten mAk gegen humanes ACE reagierte der mAk CG2 kreuz mit dem ACE des Menschenaffen, der Carnivoren Hund,Katze und aller Großkatzen, des Kaninchens und des Gürteltieres, nicht jedoch mit dem ACE der Kleinnager Hamster, Maus, Ratte undMeerschweinchen oder der Omni- und Herbivoren wie Schwein, Schaf, Ziege, Rind und Pferd. Dies spricht für konservierteACE-Proteindomänen mit immunogener Ähnlichkeit untereinander verwandter Tierarten. Der mAk CG2 lokalisierte ACE in den Gewebender kreuzreaktiv gefundenen Tierarten jeweils eindeutig. Auffallende gefäß-, organ- und speziesspezifische Unterschiede betrafen jedochdie endotheliale Expression, besonders deutlich im direkten Vergleich der Lungen-, Nieren- und Lebervaskularisation. WährendAlveolarendothel allgemein stark und einheitlich exprimierte, fehlte ACE in den Endothelien aller Nierengefäße von Kaninchen und Affe, undnur die Carnivoren Hund und Katze zeigten eine Expression in venösen Endothelien des splanchnalen (und portalen) Gefäßsystems. DieErgebnisse bestätigen - über Mensch und Ratte hinaus - die Heterogenität der endothelialen ACE-Verteilung für zahlreiche weitereTierarten. Eine unterschiedliche Regulation von zirkulierendem RAS, KKS und Blutdruck ist daher zu vermuten, jeweils angepasst an dieBedürfnisse der betreffenden Spezies und des betreffenden Organsystems. In einer überraschenden Heterogenität präsentierte sich ebenfalls das von Makrophagen exprimierte ACE, das spezies- und zudemaktivierungsabhängigen Mustern folgte. Alveolarmakrophagen und andere aktivierte Makrophagen zeigten sich beim Menschen geringimmunreaktiv für ACE, jedoch in keiner der untersuchten Tierarten. Eine dem Menschen vergleichbare Morphologie und stets ausgeprägteACE-Immunreaktivität waren kennzeichnend für die epitheloidzellig granulomatöse Entzündungsreaktion des Menschenaffen beiTuberkulose, wurden aber nur unregelmäßig und sporadisch bei Hund und Katze und nicht bei Großkatzen gefunden. Trotz massiverTuberkulose gehörte eine ACE-Expression bei Großkatzen offenbar nicht zu dem Reaktionsspektrum aktivierter Makrophagen,ebensowenig wie bei aktivierten Makrophagen des Kaninchens. Beim Menschen dagegen unterschieden sich Sarkoidose, Tuberkuloseund Toxoplasmose nicht substanziell in der histiozytären Fähigkeit zur ACE-Expression. Die hinsichtlich zellulärer Art und Intensität faktischgleichartigen Expressionsmuster von Sarkoidose und Tuberkulose erklären ihre unterschiedlich beschriebenen ACE-Serumspiegel nicht.Daher müssen hier andere Einflußfaktoren diskutiert werden, wie eine unterschiedliche Aktivität von Sekretasen, die das plasmatischerfassbare ACE generieren. Die multifaktorielle Analyse ergab, dass nicht Lymphozyten, sondern die Makrophagen selbst signifikantenEinfluss auf ihre Akkumulation und ACE-Expression in der granulomatösen Entzündungsreaktion haben. Diese Befunde decken sich gutmit der kürzlich bekanntgewordenen Beziehung zwischen ACE und dem von Makrophagen gebildeten Zytokin MCP-1, das - zumindestexperimentell von Angiotensin II induziert - für die Makrophagen-akkumulation verantwortlich ist und beim Menschen mit ACE-Gehalt undAusprägungsgrad granulomatöser Gewebereaktionen korreliert. Die eigenen Befunde sprechen dafür, dass Tierarten, denen dasReaktionsspektrum mit lokal ausgeprägter ACE-Expression fehlt, tatsächlich keine vergleichbare epitheloidzellig granulomatöseEntzündungsreaktion aufbauen können. Angiotensin I-converting enzyme (ACE, Kininase II, CD143) mediates the effects of the renin-angiotensin system (RAS) and kallikrein-kininsystem (KKS) by regulating the tissue levels of bioactive angiotensins and kinins. Though remarkable vessel, organ and species specificityhas recently been reported, only little is known about the distribution of ACE in tissues of man and animals. Furthermore, the abnormallyincreased serum levels of ACE found in sarcoidosis and other histiocytic diseases were not adequately explained by morphologicalmethods. Therefore, the tissue expression of the enzyme was assessed by novel monoclonal antibodies (mAbs) andimmunohistochemistry. This allowed (1) a comparison of ACE-expression of macrophages in human diseases of different etiology, (2) thedetection of possible cross-reactivity of anti-ACE mAbs between different animal species, and (3) the subsequent analysis of speciesspecific differences in the distribution of ACE in endothelial cells, macrophages and granulomatous diseases. Formalin-fixed and paraffin-embedded tissue specimen of patients with clinically confirmed tuberculosis (n = 41), sarcoidosis (n = 29),toxoplasmosis (n = 30) and foreign body granuloma (n = 14) were obtained from the Institute of Pathology, JL-University of Giessen. Tissuespecimens of patients with peculiar granulomatous and histiocytic diseases such as leprosy (n = 9), blastomycosis (n = 10),schistosomiasis (n = 1), and mycobacterial histiocytosis (n = 2) were obtained from the Department of Pathology, University of Campinas,Brazil. Furthermore, formalin-fixed and paraffin-embedded tissue specimen of 21 different animal species, received from the tissuearchives of the Institute of Veterinary Pathology, JL-University of Giessen, were examined. Here, histiocytic and granulomatous diseaseswere analyzed in cases of tuberculosis of anthropoid ape, dog, cat and bulk-cat, pulmonary mycosis of rabbit and foreign body granulomaof dog. A set of six mAbs (CG1, CG2, CG3, CG4, CG5 and 5F1) to denatured human ACE were applied on the tissues of man anddifferent animal species, supplemented by the mAbs JC/70A to human CD31, KP1 to human CD68 and MR12/53 as an unspecific control.Immunoreactivity was detected by the APAAP-technique and was uniformly analyzed. A semiquantitative evaluation and statisticalcomparison of relevant morphological and immunohistochemical features was performed in sarcoidosis, tuberculosis and toxoplasmosis ofman. Among all mAbs to human ACE, only CG2 showed a cross-reactivity with the ACE-molecule of anthropoid ape, carnivores (dog, cat,bulk-cat), rabbit and armadillo as indicated by similar tissue expression, for example at the brush borders of proximal kidney tubules. Incontrast, the denatured ACE of mouse, rat, hamster, guinea-pig and herbi- and omnivores (cow, sheep, goat, horse and pig) was notimmunoreactive. This implies that certain domains of the ACE-protein, exhibiting immunogenic similarity between different species, areevolutionary preserved. However, the endothelial distribution of ACE differed markedly in the analyzed vessels, organs and animal species.Whereas alveolar endothelium generally showed a strong and uniform ACE-expression in all cross-reactive species, ACE was largelyabsent from endothelial cells of most animal kidneys and completely missed in renal vessels of the rabbit and anthropoid apes. Onlycarnivores like dog and cat showed an expression of ACE in the venous endothelium of the splanchnic and portal vessel system. Farbeyond former findings in man and rat, these results confirmed the heterogeneity in endothelial distribution of ACE for numerous animalspecies. Furthermore, this suggests a different regulation of blood pressure and circulating RAS and KKS, adapted to organ and speciesspecific requirements. Depending on species and cell activation, heterogeneous ACE-expression was found in macrophages as well. Whereas human alveolarmacrophages and activated histiocytes regularly showed some immunoreactivity, these cells were completely negative for ACE in allexamined animal species. Nevertheless, in animals affected by tuberculosis, strong ACE-expression for example was found in allepitheloid cell granulomas of anthropoid ape and to some extent also in granulomas of dog and cat. In contrast, rabbits did not show anyACE-expression in macrophages or histiocytes despite massive tuberculosis, and typical epitheloid cell reactions were not found. Thesame was true for most tuberculous tissues of bulk-cats. This indicates that the capability of ACE-expression in macrophages may belinked with the epitheloid cell reaction. However, there was no substantial difference in ACE expression between sarcoidosis, tuberculosisand toxoplasmosis in man. The similar morphology and ACE-expression of epitheloid-cell granulomas in sarcoidosis and tuberculosis maynot explain the different serum levels of the enzyme, suggesting other factors of influence in these diseases. For example, secretasesgenerating the measurable form of plasmatic ACE could belong to those still unknown factors. Multifactorial analysis showed that notlymphocytes but macrophages themselves had a significant influence on their own accumulation and ACE-expression in granulomatousdiseases. This finding fits the recently discovered relationship between ACE and the macrophage chemotactic protein 1 (MCP-1) that isproduced by macrophages. At least experimentally, MCP-1 is inducible by angiotensin II. Moreover, MCP-1 is responsible for theaccumulation of macrophages and correlates with both the ACE-content and degree of granulomatous tissue alterations. The own resultsindicate that animal species lacking ACE in the spectrum of macrophage activation may not be able to form epitheloid cell granulomaswhich are comparable