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Die Entstehung und Entwicklung der akuten Pankreatitis in BPI-Knockout Mäusen im Taurocholat-Modell
(2023)
Die akute Pankreatitis kann einen schweren, lebensbedrohlichen Verlauf nehmen. Dabei bestimmen vor allem die Komplikationen der Pankreatitis wie Multiorganversagen und Sepsis die Mortalität. Eine wichtige Rolle in der akute Pankreatitis nimmt das Immunsystem ein. Neben dem Ausmaß der lokalen Schädigung im Pankreas bestimmt das Immunsystem die weitere Entwicklung der Pankreatitis und die damit einhergehende systemische Reaktion. Sowohl eine überschießende pro- als auch anti- inflammatorische Reaktion können eine Schädigung anderer Organe und bakterielle Infektionen begünstigen. Das bactericidal/permeability-increasing protein (BPI) ist ein Protein, welches sich hauptsächlich in den azurophilen Granula neutrophiler Granulozyten befindet. Durch seine Struktur wirkt es anti-mikrobiell und kann zudem eine überschießende Immunantwort verhindern. In der akuten Pankreatitis könnte das BPI aufgrund der beschriebenen Funktionen neben der antimikrobiellen Wirkung auch Einfluss auf die Entwicklung der Immunreaktion nehmen. Um die Rolle des Bactericidal/permeability-increasing Protein in der Entwicklung und dem Verlauf der experimentellen akuten Pankreatitis zu untersuchen, wurden in der vorliegenden Arbeit C57BL/6-Mäuse mit einem Knock-out des BPI-Genes mit C57BL/6 Wildtyp-Mäusen verglichen. In beiden Gruppen wurde durch Taurocholat-Injektion eine Pankreatitis induziert. Die Gruppen wurden bezüglich des lokalen Schadens im Pankreas und bezüglich der systemischen Immunreaktion untersucht. In der Taurocholat-induzierten Pankreatitis in BPI -/- Mäusen konnte eine zunächst mildere Pankreatitis als in der Vergleichsgruppe nachgewiesen werden. Durch eine geringere Leukozyteninfiltration trat eine mildere Pankreatitis auf. Am ehesten scheint die Ursache im veränderten Verhalten bzw. Fehlen der neutrophilen Granulozyten zu liegen. Im weiteren Verlauf der Erkrankung trat eine deutliche Zunahme der Ausprägung der Pankreatitis auf. Neben der verstärkten Schädigung der Pankreata der BPI -/- Mäuse ist eine verstärkte bakterielle Translokation aufgetreten. Auffällig war in dieser Phase der Erkrankung der vermehrte Nachweis von Makrophagen und des Chemokins MCP-1, welches vor allem den Makrophagen und der Pro-Inflammation zuzuordnenden ist. Gemeinsam könnten sie ursächlich für die deutliche Zunahme der Pankreatitis in den BPI -/- Mäusen sein. Insgesamt lag aber kein signifikanter Unterschied in den systemischen Komplikationen oder der Mortalität vor, sodass die Rolle des BPI in der akuten Pankreatitis vor allem in der lokalen Immunantwort anzunehmen ist.
Die akute Pankreatitis ist durch eine vorzeitige Aktivierung von Verdauungsenzymen noch innerhalb der Azinuszellen gekennzeichnet. Die lysosomale Hydrolase Cathepsin B (CTSB) spielt hierbei eine entscheidende Rolle, indem sie Trypsinogen zu Trypsin aktiviert. Für die Trypsinogenaktivierung durch CTSB ist eine Co-Lokalisierung beider Enzyme innerhalb desselben subzellulären Kompartiments erforderlich. Ziel dieser Arbeit war es, die Regulation der CTSB-Aktivität durch den Cysteinprotease-Inhibitor Cystatin C im Verlauf der akuten und chronischen Pankreatitis näher zu untersuchen.
Subzelluläre Fraktionierungsexperimente zeigten eine deutliche Lokalisation von Cystatin C und aktiven Cathepsin B im sekretorischen Kompartiment muriner Azinuszellen. Immunofluoreszenzfärbungen zeigten ebenfalls, dass Cystatin C zusammen mit der pankreatischen Amylase im sekretorischen Kompartiment von Azinuszellen lokalisiert ist. Auch in humanen Probenmaterial konnten wir zeigen, dass Cystatin C im sekretorischen Kompartiment lokalisiert ist und auch sekretiert wird. Experimente mit rekombinanten Proteinen zeigten eine deutliche pH-abhängige inhibitorische Wirkung von Cystatin C auf Cathepsin B. Unter sauren pH Bedingungen dimerisiert Cystatin C und ist somit nicht mehr in der Lage die Aktivität von CTSB zu inhibieren. Weiterhin konnten wir zeigen, dass aktives Trypsin Cystatin C prozessiert. Bei dieser Spaltung entsteht ein Cystatin C-Fragment, welches nicht mehr in der Lage ist, CTSB zu inhibieren, sondern vielmehr die auto-inhibitorische Kapazität von Cathepsin B unterbindet und somit die Aktivität stabilisiert. Neben Cystatin C wird in Azinuszellen auch Cystatin B exprimiert, ein weiterer Inhibitor der Cystein-Proteasen. Im Gegensatz zu Cystatin C ist Cystatin B exklusiv im cytosolischen Kompartiment der Azinuszelle lokalisiert. Dies ist wahrscheinlich ein Schutzmechanismus, welcher die Zelle vor einer cytosolischen Cathepsin-Aktivität schützen soll. Die genetische Deletion von Cystatin C im Mausmodell der akuten Pankreatitis führte zu einer erhöhten Aktivität sekretorischer Proteasen in Azinuszellen, sowie im Gesamthomogenat und in subzellulären Fraktionen. Dementsprechend zeigte sich auch ein deutlich erhöhter Schweregrad in der akuten und chronischen Pankreatitis.
Unsere Experimente lassen vermuten, dass die Aktivität von Cathepsin B unter physiologischen Bedingungen durch Cystatin C unterbunden wird, um so eine verfrühte Aktivierung des Trypsinogens zu verhindern. Im Verlauf der Pankreatitis wird dieser protektive Mechanismus jedoch überwunden. Die Aktivität von Cathepsin B steigt deutlich in der schweren Zymogengranula-Fraktion an, trotz der Präsenz von Cystatin C.
Zusammenfassend lassen unsere Ergebnisse vermuten, dass prozessiertes (aktives) Cathepsin B selbst unter physiologischen Bedingungen im sekretorischen Kompartiment von Azinuszellen bereits vorhanden ist. Seine Aktivität wird dort durch Cystatin C inhibiert, wodurch eine vorzeitige, durch CTSB induzierte Trypsinogenaktivierung verhindert wird. Die Ansäuerung der sekretorischen Vesikel, wie bei der Pankreatitis, verringert die CTSB-Hemmung durch Cystatin C, während es gleichzeitig zu einer Cystatin C-Degradation durch Trypsin kommt. Dies ermöglicht eine verlängerte und pH-unempfindliche Protease-Aktivierung über CTSB in der Anfangsphase der Pankreatitis. Cystatin C spielt somit eine wesentliche Rolle für die Regulation der CTSB-Aktivität im sekretorischen Kompartiment von Azinuszellen und stellt damit einen entscheidenden pathophysiologisch relevanten Mechanismus für die akute und chronische Pankreatitis dar.