Die Rolle von Interleukin-6 (IL-6) in der zentralnervös vermittelten Fieberentstehung der Ratte

Abstract

Im Verlauf von Infektionen oder Entzündungsprozessen werden zirkulierende Zytokineals humorale Botenstoffe des aktivierten Immunsystems angesehen, die unter anderemdas Gehirn beeinflussen und dort an der Entstehung von Fieber und weiterenzentralnervös kontrollierten Krankheitssymptomen mitwirken. Eine direkteBeeinflussung des Gehirns durch hochmolekulare Zytokin-Proteine kann nach gängigerVorstellung nur an Stellen mit unvollständig ausgebildeter Blut-Hirn-Schranke erfolgen.Eine besondere Bedeutung in diesem Zusammenhang haben die sogenanntensensorischen zirkumventrikulären Organe (CVOs), zu denen das Organum vasculosumlaminae terminalis (OVLT), das Organum subfornicale (SFO) und die Area postrema(AP) gehören. In der vorliegenden Studie wurde an Ratten ein Modell etabliert, welches dieBeteiligung des Zytokins IL-6 an der zentralnervösen Vermittlung der Fieberantwortaufklären sollte. Als Stimulus zur Fieberinduktion wurden als exogenes Pyrogenbakterielles Lipopolysaccharid (LPS), als endogenes Pyrogen rekombinantesrattenspezifisches Interleukin-6 (rrIL-6) verwendet, da dieses Zytokin als einzigesfieberrelevantes Pyrogen während des Gesamtverlaufes der LPS-induziertenFieberreaktion in erhöhter Konzentration im Blut auftrat. Die intraperitoneale (i.p.)Applikation von LPS (100µg/kg) führte bei Ratten innerhalb von 60min zu einemmoderaten und danach über einen Zeitraum von 2-8h zu einem starken Anstieg von IL-6im Blut. Parallel dazu entwickelte sich eine robuste biphasisch verlaufendeFieberreaktion. In Zellen des OVLT und SFO, nicht aber der AP war 120min nach LPSInjektioneine starke nukleäre STAT3 ('Signal Transducer and Activator ofTranscription 3') Translokation zu sehen, die nach einer weiteren Stunde nahezu nichtmehr nachzuweisen war. STAT3 wird als spezifischer Transkriptionsfaktor der IL-6-vermittelten Signaltransduktion angesehen. Die direkte Beteiligung des Zytokins IL-6wurde deshalb durch intraperitoneale Injektion von rrIL-6 (45µg/kg) überprüft. DieApplikation von rrIL-6 führte innerhalb von 60min zu einem starken Anstieg derzirkulierenden Konzentration dieses Zytokins in der Blutbahn und zur Ausbildung einermoderaten Fieberreaktion. Eine nukleäre STAT3-Translokation war in Zellen desOVLT und SFO nach Behandlung mit IL-6 dementsprechend bereits nach 60minfestzustellen. Auch diese nukleären Signale waren 120min nach IL-6-Injektion nichtmehr zu detektieren. Der zelluläre Ursprung der nukleären STAT3-Signale sollte mitHilfe immunhistochemischer Doppel- und Dreifachmarkierungen durch zellspezifischeMarkerproteine nachgewiesen werden. Durch Verwendung von neuronalen, glialen oderendothelialen Zellmarkerproteinen konnte gezeigt werden, daß es sich bei einem hohenProzentsatz der Zellen, in denen eine nukleäre STAT3-Translokation 60min nach rrIL-6- bzw. 120min nach LPS-Gabe auftrat, um Astrozyten handelte. Diese Befunde legennahe, daß bei Ratten durch das Zytokin IL-6 im Verlauf des LPS-induzierten Fieberseine genomische Aktivierung von Astrozyten im Bereich des OVLT und SFO erfolgt.Da bekannt ist, daß im Verlauf des LPS-induzierten Fiebers auch innerhalb des Gehirnseine Bildung und Freisetzung von IL-6 erfolgt, wurde dieses Zytokin auch zentralmittels intrazerebroventrikulärer (i.c.v.) Mikroinjektion in den lateralen Gehirnventrikelappliziert. Neben einer robusten Fieberreaktion wurde durch das i.c.v. applizierte rrIL-6(200ng/Tier) eine nukleäre STAT3-Translokation nicht nur in den CVOs OVLT undSFO induziert, sondern auch in anderen Hirnstrukturen, die zur Ausbildung einerFieberantwort als wichtig angesehen werden. Diese befinden sich jedoch innerhalb derBlut-Hirn-Schranke, so daß sie für zirkulierendes IL-6 (nach i.p. Applikation) nichtdirekt zugänglich sind. Die Ergebnisse dieser Studie unterstützen eine wichtige Rolle für peripher und zentralgebildetes IL-6 bei der Manifestation einer Fieberantwort. Erstmals wurde hierbei einNachweis für die direkte Beeinflussung von Gehirnzellen durch dieses Zytokin mittelsder Dokumentation einer nukleären STAT3-Translokation geführt. DieCharakterisierung der Gene, die durch STAT3 im Fieberverlauf aktiviert wurden, bleibtkünftigen Studien vorbehalten. During infection or inflammation circulating cytokines are regarded as humoral signalsof the activated immune system, which influence the brain and induce fever and otherbrain-controlled signs of illness. With regard to their high molecular weight cytokinescan target the brain only within areas which lack a tight blood-brain-barrier, namely theso-called sensory circumventricular organs such as the vascular organ of the laminaterminalis (OVLT), the subfornical organ (SFO) and the area postrema (AP). Fever was induced by bacterial lipopolysaccharide (LPS) as an exogenous pyrogen, orrat-recombinant Interleukin-6 (rrIL-6), a representative endogenous pyrogen, since IL-6is the only cytokine implicated in fever, which is circulating in increased amountsduring the whole time course of LPS-induced fever. Intraperitoneal (i.p.) injection ofLPS (100µg/kg) led to a slight (1h) and then a strong increase (2-8h) in plasma IL-6levels and a pronounced biphasic fever. Nuclear translocation of the transcription factorSTAT3 ( signal transducer and activator of transcription 3 ) was observed within theOVLT and SFO, but not in the AP, 120min after LPS treatment, which almostdisappeared again within the following 60min. Intraperitoneal administration of rrIL-6(45µg/kg) caused a strong increase of circulating concentrations of this cytokine within60min and a rather moderate febrile response. Accordingly, nuclear translocation ofSTAT3 in response to IL-6 within the OVLT and SFO occurred already after 60min andalmost disappeared again within the following hour. STAT3 immunohistochemistry wascombined with the detection of marker proteins for cells of neuronal, glial or endothelialorigin to phenotype LPS- or IL-6-activated cells. At time points with high pyrogeninducedIL-6 plasma levels (60min after injection of IL-6 and 120min after injection ofLPS) a high percentage of STAT3 positive cells was co-localized with astrocytic cellmarker. IL-6 might therefore mediate genomic cell activation of OVLT and SFOastrocytes during LPS-induced fever. During LPS-fever endogenous IL-6 is alsoproduced and released locally within the brain. Therefore IL-6 was microinjected intothe lateral cerebral ventricle (intracerebroventricular, i.c.v.).Intracerebroventricular microinjections of IL-6 caused a robust fever and nucleartranslocation of STAT3 besides the CVOs OVLT and SFO in additional brain areaswhich are implicated in fever, but located within the blood-brain-barrier and thus notdirectly accessible for i.p. administered circulating IL-6. The results of this study support the evidence for an important role of peripheral andbrain intrinsic IL-6 in the manifestation of a febrile response. For the first time thedemonstration of nuclear STAT3 translocation under the influence of IL-6 providesdirect evidence for a genomic activation of brain cells by this cytokine. Identificationand functional characterization of target genes which are activated in the brain duringfever requires further studies.