Bereich: Grundlagenforschung Infektiologie

Prof. Michael Klein Würzburg		Pascal Käser Zürich

Kurzübersicht der Arbeit
Prionerkrankungen sind übertragbare Erkrankungen mit fortschreitender Degeneration des Zentralnervensystems; sie werden auch übertragbare, spongiforme Enzephalopathien (TSEs) genannt. Nach erfolgter peripherer Infektion sammeln sich Prionen schon früh in lymphatischen Organen wie Milz und Lymphknoten an und können von dort Anschluss an das Nervensystem gewinnen. Bei diesem Prozess, als Neuroinvasion bezeichnet, spielen Elemente des Immunsystems eine wesentliche Rolle. Unsere Forschung konzentrierte sich in den letzten Jahren auf die Ausbreitung von Prionen im Organismus. Wir untersuchten die beteiligten Systeme in vivo an Mausmodellen nach Prionenverabreichung.

Beim Betrachten von gefärbten Gewebeschnitten fällt auf, dass sich Prionen überwiegend in bestimmten Regionen der lymphatischen Organe, den Keimzentren, anreichern und dort ein wesentliches Prionenreservoir bilden. Diese Keimzentren bestehen hauptsächlich aus zwei miteinander interagierenden Zellpopulationen: Follikulär-dendritische Zellen, die lange Zellfortsätze besitzen, bilden zusammen mit B-Lymphozyten, welche besonders für die Immunantwort mittels Antikörper von Bedeutung sind, ein hochspezialisiertes Netzwerk. In diesem sogenannten follikulär-dendritischen Netzwerk reifen B-Lymphozyten und erreichen durch vielfältige Wechselwirkungen mit den follikulär-dendritischen Zellen ihre Spezifität, um eine Immunantwort aufzubauen. Eine der Hauptaufgaben dieses follikulär-dendritischen Netzwerks ist das Festhalten von Antigenen. Einerseits können Antigene als Immunkomplexe via spezifische Antikörper an zelluläre Antikörperrezeptoren gebunden werden. Andererseits gibt es Antigene, die unspezifisch, zum Beispiel durch Aktivierung des Komplementsystems, agieren. Das Komplementsystem gehört zur unspezifischen, angeborenen Körperabwehr und besteht aus zahlreichen löslichen Eiweissen und mehreren zellmembranständigen Rezeptoren. Die direkte Aktivierung verläuft kaskadenartig und ist für Erreger von verschiedenen Krankheiten bekannt, unter anderem für das Humane Immundefizienz-Virus (HIV).
In den Experimenten der ausgewählten Forschungsarbeit untersuchten wir, welche der genannten Mechanismen der Antigenbindung im follikulär-dendritischen Netzwerk für Prionerkrankungen wesentlich sind. Nur die genaue Kenntnis der verschiedenen Schritte der Neuroinvasion von Prionen wird uns ermöglichen, allfällige Ansätze für eine frühe Diagnostik oder Postexpositionsprophylaxe zu finden.

In einem ersten Schritt wurde die Bedeutung spezifischer Antikörper in der Pathogenese von Prionenkrankheiten geprüft. Zu diesem Zweck infizierten wir Mausstämme mit (i) verschiedenen Defekten in der Bildung von spezifischen Antikörpern oder (ii) mit Defekten der zellständigen Antikörperrezeptoren zur Bindung von Antigen-Antikörper-Komplexen und analysierten die Krankheitsentwicklung über eine Zeitspanne von bis zu 500 Tagen nach Infektion. Wir bestimmten die Inkubationszeit bis zur Entwicklung der ersten klinischen Symptome und quantifizierten die Menge der abgelagerten Prionen in der Milz. Diese Experimente zeigten uns, dass spezifische Antikörper weder für die Neuroinvasion noch für die Prionablagerung in lymphatischen Organen wesentlich sind: Alle Mäuse waren für niedrige Dosierungen von Prionen empfänglich und wurden innerhalb einer normalen Inkubationszeit krank. Die Menge der in der Milz abgelagerten Prionen war identisch mit der in Kontrollmäusen.

In einem zweiten Schritt prüften wir den Einfluss und die Rolle des Komplementsystems bei der Ausbreitung von Prionen im infizierten Organismus. Wir verwendeten dazu gentechnologisch hergestellte Mäuse mit (i) Defekten für die löslichen Faktoren des Komplementsystems und solche (ii), die keine korrespondieren, zellständigen Rezeptoren für gewisse Komplementfaktoren haben. Nach der peripheren Infektion mit Prionen wurde wiederum die Zeitspanne bis zum Entwickeln von neurologischen Symptomen und der Priongehalt der Milz in frühen und späten Stadien der Inkubation gemessen.

Überraschend zeigte sich hier, dass das Fehlen von gewissen Komponenten des Komplementsystems bei Verwendung einer limitierenden Prionenanzahl zu einem vollständigen Schutz vor Prionerkrankungen führt, während die Kontrolltiere alle erkrankten. Zusätzlich fand sich, dass die Ansammlung von Prionen in der Milz dieser Komplement-defizienten Mäuse deutlich verzögert ist. Auch die Abwesenheit von Oberflächenrezeptoren für Komplementfaktoren zeigte eine Verzögerung der Neuroinvasion und eine Verzögerung der Krankheitsentwicklung. Aus diesen Resultaten schliessen wir, dass das Komplementsystem die Ablagerung von Prionen in lymphatischen Organen und den Prozess der Neuroinvasion wesentlich unterstützt; diese beiden Vorgänge finden nur teilweise oder überhaupt nicht statt, wenn Defekte im Komplementsystem bestehen.

Bedeutung der Arbeit
Eine kausale Therapie von Prionerkrankungen ist zur Zeit nicht möglich, und auch die unterstützenden und prophylaktischen Möglichkeiten sind sehr begrenzt. Das grundlegende Verständnis der Krankheitsprozesse bei der Erkrankung ist daher mitentscheidend, um neue Therapieansätze zu entwickeln.

Die Prionanhäufung in Abwehrorganen geschieht nahezu unverzüglich nach peripherer Infektion, lange bevor Veränderungen im Nervensystem entstehen. Auch bei der neuen Variante der Creutzfeldt-Jakob Krankheit (vCJD), der menschlichen Prionkrankheit, die mit grosser Wahrscheinlichkeit durch Übertragung der bovinen spongiformen Enzephalopathie (BSE) der Rinder entstanden ist, spielt der Befall der Lymphorgane eine wesentliche Rolle. Prionen können bei solchen Patienten früh im Krankheitsverlauf in den Gaumenmandeln nachgewiesen werden.
Unsere Experimente sind ein Hinweis dafür, dass ein Eingreifen mittels Ausschalten des Komplementsystems, zum Beispiel durch Inaktivierung verschiedener Komplementfaktoren, eine therapeutische Möglichkeit nach Prionenaufnahme darstellen könnte. Die tierexperimentell gewonnenen Erkenntnisse belegen, dass das Fehlen bestimmter Komplementfaktoren die Prionablagerung in den Abwehrorganen des Körpers verzögert und den Ausbruch der Erkrankung verhindern kann.

M.A. Klein, P.S. Käser, P. Schwarz, H. Weyd, I. Xenarios, R.M. Zinkernagel, M.C. Carroll, J. S. Verbeek, M. Botto, M.J. Walport, H. Molina, U. Kalinke, H. Acha-Orbea, A. Aguzzi
Complement facilitates early prion pathogenesis
Nature Medicine 2001, April; 7(4), 488-492

Die Forschungsarbeit
Das Komplementsystem moduliert die Ausbreitung von Prionen im Organismus	10 Kb