Open Access

Felix Nagel

• Pancreatitis is an inflammatory disorder of the pancreas with a mortality rate of 5% and severe negative effects on the quality of life. Of all non-malignant gastrointestinal diseases, it is the most common reason for hospitalization. Pancreatitis is a disease of multiple etiologies with different underlying pathomechanisms. Due to the diversity of mechanisms by which homeostasis within the exocrine pancreas can be disrupted, finding appropriate therapeutic approaches is challenging. Current treatment options are inadequate and are mostly limited to supportive treatment like fluid administration, bowel rest, antibiotics and pain control. Although significant advancements have been achieved in recent decades, the mortality rate for pancreatitis has not decreased. Furthermore, progress is slow due to limited patient sample availability and lack of an appropriate cell model. Taking samples from a human pancreas is typically avoided, because damaging the pancreatic tissue can itself induce pancreatitis. Additionally, while it is possible to keep individual acini in culture, it is not possible to grow pancreatic acinar cells. Thus, less appropriate cell models, often derived from pancreatic cancer samples, have to be used. The most common animal model for pancreatitis is mice, with caerulein administration being the most common method of inducing pancreatitis. However, the use of animal models has significant drawbacks, as they are time-consuming, costly, and pose ethical questions. Furthermore, exposing the pancreas to appropriate stimuli in animal models is difficult. For example, alcohol is the leading cause of pancreatitis in humans, but is typically avoided by animals. Thus, alcohol feeding methods had to be developed to overcome the natural aversion of rodents to alcohol. Results obtained from animal models are also often not transferable into clinical trials and outcomes in humans remain largely unpredictable. Due to the lack of experimental models, our understanding of this highly complex disease is still limited and significant progress is required for the development of effective therapy options. In this dissertation recombinantly expressed trypsin isoforms and variants of the serine protease inhibitor Kazal-type 1 (SPINK1) inhibitor are used to investigate mechanisms, by which tryptic activity is regulated in pancreatic acinar cells. With premature tryptic activity in the exocrine pancreas being the common focal point of most etiologies connected to pancreatitis, trypsin represents by far the most promising target for treating pancreatitis. Understanding the mechanisms by which the pancreas protects itself and rationalizing mutations that can undermine these protective mechanisms, are important steps towards developing effective therapies.
• Die Bauchspeicheldrüsenentzündung (Pankreatitis) ist eine entzündliche Erkrankung der Bauchspeicheldrüse mit einer Sterblichkeitsrate von 5 % und schwerwiegenden negativen Auswirkungen auf die Lebensqualität. Von allen nicht-bösartigen Magen-Darm-Erkrankungen ist sie der häufigste Grund für eine Krankenhauseinweisung. Die Bauchspeicheldrüsenentzündung (Pankreatitis) ist eine Erkrankung mit verschiedenen Ätiologien und unterschiedlichen zugrunde liegenden Pathomechanismen. Aufgrund der Vielfalt der Mechanismen, durch die die Homöostase im exokrinen Pankreas gestört werden kann, ist es eine Herausforderung, geeignete therapeutische Ansätze zu finden. Die derzeitigen Behandlungsmöglichkeiten sind unzureichend und beschränken sich zumeist auf unterstützende Maßnahmen wie Flüssigkeitszufuhr, Darmentleerung, Antibiotika und Schmerzbekämpfung. Obwohl in den letzten Jahrzehnten erhebliche Fortschritte erzielt wurden, ist die Sterblichkeitsrate bei Pankreatitis nicht gesunken. Darüber hinaus werden nur langsam Fortschritte erzielt, da nur wenige Patientenproben zur Verfügung stehen und es an einem geeigneten Zellmodell fehlt. Die Entnahme von Proben aus der menschlichen Bauchspeicheldrüse wird in der Regel vermieden, da eine Schädigung des Pankreasgewebes selbst eine Pankreatitis auslösen kann. Außerdem ist es zwar möglich, einzelne Azini in Kultur zu halten, aber es ist nicht möglich, Pankreas-Azinuszellen zu züchten. Daher müssen weniger geeignete Zellmodelle verwendet werden, die häufig aus Bauchspeicheldrüsenkrebsproben stammen. Das gängigste Tiermodell für Pankreatitis sind Mäuse, wobei die Verabreichung von Caerulein die häufigste Methode zur Auslösung einer Pankreatitis ist. Die Verwendung von Tiermodellen hat jedoch erhebliche Nachteile, da sie zeitaufwändig und kostspielig sind und ethische Fragen aufwerfen. Außerdem ist es schwierig, die Bauchspeicheldrüse in Tiermodellen geeigneten Reizen auszusetzen. So ist beispielsweise Alkohol die Hauptursache für Pankreatitis beim Menschen, wird aber von Tieren normalerweise gemieden. Daher mussten Methoden zur Alkoholfütterung entwickelt werden, um die natürliche Abneigung von Nagetieren gegenüber Alkohol zu überwinden. Die Ergebnisse von Tiermodellen lassen sich häufig nicht auf klinische Studien übertragen, und die Ergebnisse beim Menschen bleiben weitgehend unvorhersehbar. Aufgrund des Mangels an experimentellen Modellen ist unser Verständnis dieser hochkomplexen Krankheit immer noch begrenzt, und für die Entwicklung wirksamer Therapiemöglichkeiten sind erhebliche Fortschritte erforderlich. In dieser Dissertation werden rekombinant exprimierte Trypsin-Isoformen und Varianten des Serinprotease-Inhibitors Kazal-Typ 1 (SPINK1) verwendet, um die Mechanismen zu untersuchen, durch die die tryptische Aktivität in pankreatischen Azinuszellen reguliert wird. Da eine vorzeitige tryptische Aktivität in der exokrinen Bauchspeicheldrüse der gemeinsame Brennpunkt der meisten Ätiologien im Zusammenhang mit Pankreatitis ist, stellt Trypsin das bei weitem vielversprechendste Ziel für die Behandlung von Pankreatitis dar. Das Verständnis der Mechanismen, mit denen sich die Bauchspeicheldrüse selbst schützt, und die Aufklärung von Mutationen, die diese Schutzmechanismen untergraben können, sind wichtige Schritte zur Entwicklung wirksamer Therapien.