Charakterisierung der Bedeutung von Interleukin-6 und Prostaglandinen bei der Fieberentstehung nach systemischer oder lokaler Stimulation mit bakteriellem Lipopolysaccharid bei Meerschweinchen
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Zusammenfassung
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.Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
Beschreibung
Anmerkungen
Erstpublikation in
Wettenberg : VVB Laufersweiler 2005