Zusätzlich zu den Funktionen der Verdauung, des Nährstofftransports, des Wasser- und Elektrolytaustauschs sowie der parakrinen Hormonproduktion stellt die Darmschleimhaut auch eine Barriere des Körpers gegenüber der Umwelt dar. Die Mukosa schützt den Körper permanent vor dem Eindringen von Antigenen in Form kommensaler und pathogener Mikroorganismen sowie von Futterbestandteilen (SANSONETTI 2004). Hierfür existieren drei Arten von Barrieren: physikalische, chemische und immunologische (JANEWAY et al. 2002; SANSONETTI 2004). Diese können nur von enteroinvasiven Pathogenen durchbrochen werden, die sich durch ihre Fähigkeit auszeichnen, Muzinasen, Anheftungs-, Kolonisations- und Invasionsfaktoren bilden zu können. Durch exzessive Stimulation der angeborenen Abwehrmechanismen rufen sie durch eine Entzündungsreaktion epitheliale Integritätsverluste hervor (SANSONETTI 2004).
2.2.1 Physikalische Barrieren
Die hauptsächliche Strategie besteht bei der physikalischen Abwehr darin, den Kontakt von Antigenen mit Epithelzellen bereits im Vorfeld zu minimieren. Die physikalische Barriere wird durch die Epithelzellen mit ihrer Basalmembran, die Glykokalix auf den Enterozyten, die Mukusschicht mit dem bakterizid wirkenden Lysozym und durch sekretorisches Immunglobulin A (sIgA) gebildet. Auch die Peristaltik und die kommensale Bakterienflora spielen eine Rolle beim unspezifischen Schutz der Enterozyten (DOE 1989; SIEGENTHALER 1994;
LIEBICH 1999; JANEWAY et al. 2002; SANSONETTI 2004).
Die Enterozyten sind durch feste Zell-Zell-Verbindungen (tight junctions) eng mit einander verbunden und liegen direkt einer Basalmembran auf, welche semipermeabel für Wasser und Elektrolyte ist (STROMBECK 1996; JANEWAY et al.
2002). Durch eine hohe mitotische Aktivität können beschädigte oder infizierte Epithelzellen relativ schnell abgeschilfert und durch neue ersetzt werden. Die Epithelzellen exprimieren verschiedene Rezeptoren, mit denen sie eine Kolonisation und Invasion durch Mikroorganismen wahrnehmen können. Um eine solche zu
verhindern, besitzen die Enterozyten eine Glykokalix, die erst von Pathogenen überwunden werden muss (SANSONETTI 2004). Zusätzlich bedeckt der durch Becherzellen produzierte Mukus das Schleimhautepithel. Er enthält das bakterizide Lysozym und kann sowohl Toxine binden als auch die Oberflächenrezeptoren von Bakterien besetzen und so eine Besiedelung der Epithelien verhindern (MAGNE 1992; LIEBICH 1999; JANEWAY et al. 2002; SANSONETTI 2004). Sekretorisches dimeres Immunglobulin A (sIgA) stellt den hauptsächlich gebildeten Isotyp aller von Plasmazellen der Mukosa produzierten Immunglobuline dar (MAGNE 1992;
SIEGENTHALER 1994; JANEWAY et al. 2002; WALY et al. 2001, 2005;
KLEINSCHMIDT et al. 2008). Es bindet bakterielle Toxine, Viren, Haptene und andere Antigene bereits im Darmlumen, neutralisiert sie und hemmt ihre transepitheliale Aufnahme in die Darmmukosa. Somit verhindert sIgA ebenso wie der Mukus einen schädigenden Einfluss auf die mukosale Barriere. Dieser Antikörperisotyp bewirkt eine Antigenexklusion und vermeidet somit schon im Vorfeld Infektionen und allergische Hypersensitivitätsreaktionen (SIEGENTHALER 1994;
DOE 1989). Durch die Darmmotilität wird der Futterbrei kontinuierlich durchmischt und peristaltisch weiter transportiert, so dass der Kontakt von Antigenen und Pathogenen mit der Oberfläche der Mukosa limitiert wird. Eine kurze Kontaktzeit reduziert die Möglichkeiten einer bakteriellen Anheftung an die Epithelzellen und minimiert so das Eindringen dieser in die Mukosa. Außerdem wird durch die Darmperistaltik der Bakterien und Toxin haltige Schleim abtransportiert und schließlich ausgeschieden. Ist die Darmmotorik gestört, kommt es häufig zu einer bakteriellen Überbesiedelung (JANEWAY et al. 2002; SIEGENTHALER 1994). Die kommensalen Mikroorganismen schützen den Darm vor der Ansiedlung pathogener Keime, indem sie die ökologischen Nischen dieses Lebensraumes komplett ausnutzen und so mit pathogenen Mikroorganismen um diesen konkurrieren. Zusätzlich ergänzen sie die Nahrung durch die Produktion von Vitamin K und denen des B-Komplexes (LIEBICH 1999; JANEWAY et al. 2002).
2.2.2 Chemische Barrieren
Zu den chemischen Barrieren gehören der saure Magensaft und die im oberen Verdauungstrakt von Leber, Pankreas und Darm produzierten Verdauungsenzyme.
Sie führen zu einer Aufspaltung der Proteine, so dass nur wenige intakte Antigene in Berührung mit der Schleimhaut kommen (ALLENSPACH u. GASCHEN 2003). Auch die von einigen Epithelzellen im gesamten Gastrointestinaltrakt sezernierten Stoffe Lysozym und β-Defensin wirken bakterizid, indem sie die Oberfläche der Mikroorganismen angreifen (JANEWAY et al. 2002; SANSONETTI 2004).
2.2.3 Immunologische Barrieren
Die immunologische Barriere lässt sich untergliedern in die angeborenen und die erworbenen Immunreaktionen. Das Darmimmunsystem erfüllt hierbei die besondere Herausforderung auf der einen Seite invasive Pathogene effektiv zu bekämpfen sowie auf der anderen Seite auf Nahrungsantigene und kommensale Mikroorganismen adäquat zu reagieren, indem eine überschießende Immunantwort vermieden wird (JAMES 1993; JANEWAY et al. 2002; SANSONETTI 2004; STOKES u. WALY 2006).
2.2.4 Angeborene Immunantwort
Die wichtigsten Zellen des angeborenen Immunsystems sind dendritische Zellen, Makrophagen, neutrophile Granulozyten, γδ T-Zellen und natürliche Killerzellen (NK-Zellen) (STOKES u. WALY 2006). Epithelzellen und dendritische Zellen interagieren hauptsächlich mit den intraluminalen Antigenen und Pathogenen und koordinieren die angeborenen Abwehrmechanismen durch Produktion von proinflammatorischen Zytokinen, wenn eine bakterielle Kolonisation oder Invasion erfolgt (SANSONETTI 2004). Über verschiedene Rezeptoren können Epithelzellen Mikroorganismen anhand deren Pathogen-assoziierten molekularen Muster (PAMPs) erkennen. Es handelt sich hierbei um prokaryotische Komponenten wie Lipopolysaccharide (LPS), Proteoglykane, Flagellin und CpG-enthaltende unmethylierte DNA. Diese PAMPs werden jedoch von kommensalen Mikroorganismen ebenso exprimiert wie von pathogenen. Zu den Erkennungsrezeptoren gehören unter anderem Glykan-, NOD- und verschiedene, teilweise oberflächlich, teilweise intrazellulär gelegene Toll-like Rezeptoren (TLR).
Die Aktivierung dieser Rezeptoren induziert die Expression proinflammatorischer Zytokine in den Epithelzellen durch den Transkriptionsfaktor NF-κB (CAVE 2003;
SANSONETTI 2004). Diese fungieren als Warnsignale und führen zur Expression kostimulatorischer Moleküle auf Antigen präsentierenden Zellen (APC). Auf diese Weise stellen die PAMP-Erkennungsrezeptoren eine wichtige Verbindung zwischen angeborenen und erworbenen Immunreaktionen dar. Sie sind auch für die Aufrechterhaltung der oralen Toleranz und der immunologischen Balance der normalen intestinalen Mukosa relevant (CAVE 2003; STOKES u. WALY 2006).
Durch Freisetzung von Interleukin 8 (IL-8) werden neutrophile Granulozyten rekrutiert, die sich unter Einfluss des ebenfalls abgegebenen Faktors PEEC (pathogen elicited epithelial chemoattractant) entlang der basalen Seite der Epithelzellen ausbreiten. Einzelne neutrophile Granulozyten wandern auch in das Darmlumen aus, um dort ebenso wie an der Epithelzellbarriere ihre antibakterielle Funktion auszuüben, indem sie weitere Entzündungszellen rekrutieren und antibakterielle Proteine exprimieren (SANSONETTI 2004). Bei Makrophagen handelt es sich um Phagozyten, die über CD14 sowie über Mannose-, Scavenger- und Komplementrezeptoren unspezifisch Antigene erkennen. Dies führt entweder zur Elimination durch Phagozytose oder zur Freisetzung von Zytokinen, durch die weitere Immunzellen wie beispielsweise NK-Zellen durch Interferon-γ (IFN-γ) rekrutiert werden (JAMES 1993; JANEWAY et al. 2002; STOKES u. WALY 2006).
NK-Zellen stellen eine besondere Immunzellpopulation dar, die bei fehlender Expression von MHC-Klasse I Molekülen zytotoxische Granula freisetzen und so zu Zelllyse oder Apoptose führen (JANEWAY et al. 2002). γδT-Zellen kommen im intestinalen Epithel bei gesunden Hunden gehäuft als eine Subpopulation der intraepithelialen Lymphozyten vor und exprimieren weder CD4 noch CD8 (JAMES 1993; GERMAN et al. 1999). Ihre Reaktion unterliegt folglich keiner Restriktion durch MHC-Moleküle, jedoch präsentieren ihnen manchmal CD1 Moleküle Antigene. γδZellen erkennen dabei keine Proteinstrukturen, auf welche die anderen T-Lymphozyten in der Regel reagieren (PICHLER 1997). Es wird eine Beteiligung in der frühen Immunantwort angenommen (JAMES 1993).
2.2.5 Erworbene Immunantwort
Das Darm-assoziierte lymphatische Gewebe (gut-associated lymphoid tissue, GALT) stellt die größte Ansammlung lymphatischen Gewebes des Körpers dar und kann unabhängig vom systemischen Immunsystem agieren (DOE 1989; GEBBERS u.
LAISSUE 1989; JAMES 1993; ELWOOD u. GARDEN 1999; ALLENSPACH u.
GASCHEN 2003). Es umfasst zum einen in Aggregaten organisierte lymphatische Strukturen wie die Peyerschen Platten, einzelne Lymphknötchen und die mesenterialen Lymphknoten, die den afferenten, induktiven Teil der zellulären Abwehr bilden und zum anderen die nicht aggregierten lymphatischen Zellen. Zu diesen gehören die dicht mit dem Epithel assoziierten luminalen Lymphozyten, die intraepithelialen Lymphozyten (IEL) und die diffus in Mukosa und Submukosa verteilt liegenden Lymphozyten, Plasmazellen, Mastzellen, dendritischen Zellen, neutrophilen und eosinophilen Granulozyten, die zusammen den efferenten Teil der zellulären Immunantwort bilden (SCHMUCKER u. DANIELS 1986; DOE 1989;
GEBBERS u. LAISSUE 1989; SIEGENTHALER 1994; STOKES u. WALY 2006).
Für das erworbene Immunsystem des Darms spielt das Follikel-assoziierte Epithel eine besondere Rolle. Es handelt sich hierbei um M-Zellen (microfold cells), die eine gefaltete Oberflächenmembran besitzen und das Epithel über den sogenannten Domregionen der Peyerschen Platten bilden. Im Gegensatz zu den anderen Epithelzellen werden sie nicht von einer Glykokalix überzogen und nehmen endozytotisch permanent Antigene und Pathogene aus dem Darmlumen auf, um diese weitgehend unverändert an ihre basolaterale Seite zu translokalisieren (SCHMUCKER u. DANIELS 1986; SIEGENTHALER 1994; SANSONETTI 2004).
Dort stehen sie in engem Kontakt mit Antigen präsentierenden Zellen (APC) wie dendritischen Zellen, Makrophagen und Lymphozyten. In den aggregierten Lymphgeweben befinden sich naive B- und T-Lymphozyten, die sich nach Kontakt mit den ihnen präsentierten Antigenen in den Mesenteriallymphknoten vermehren und lymphogen über den Ductus thoracicus in die Blutzirkulation gelangen. Als ausgereifte B- oder T-Gedächtniszellen gelangen sie durch Anheftung an spezifische Homingrezeptoren wieder zurück in die Mukosa (DOE 1989; JAMES 1993). Dort bilden sie als residente Effektorzellen den efferenten Teil des adaptiven
Immunsystems und sind für die schnelle Reaktionsfähigkeit nach erneutem Antigenkontakt verantwortlich (SIEGENTHALER 1994; STOKES u. WALY 2006).
Bei den intraepithelialen Lymphozyten (IEL) handelt es sich vorwiegend um CD8+ zytotoxische T-Zellen und γδT-Zellen, während in der Lamina propria mucosae eher CD4+ T-Zellen überwiegen (DOE 1989; JAMES 1993; PICHLER 1997; DAY 2006; WALY et al. 2005). WALY et al. (2001, 2004, 2005) konnten dieses Verteilungsmuster auch für die Spezies Katze nachweisen. Sie fanden außerdem heraus, dass die Anzahl intraepithelialer Lymphozyten speziesabhängig variiert und diese bei Katzen im Gegensatz zu Hunden häufiger im Zotten- als im Kryptepithel vorkommen. Vom Duodenum bis ins Ileum steigt ihre Anzahl an (DAY 2006). Die Epithelzellen präsentieren ihnen Antigene, induzieren durch die Aktivierung der IEL die Produktion und Freisetzung von Interferon, welches wiederum eine verstärkte Antigenpräsentation durch die Epithelzellen hervorruft. Die hauptsächliche Funktion der IEL liegt vermutlich in der Suppression von Immunantworten und trägt so zur oralen Toleranz gegenüber nicht invasiven Antigenen bei (GUILFORD 1996a). Als eine spezielle Subpopulation der IEL kommen im felinen Gastrointestinaltrakt auch large granular lymphocytes (LGL) vor, die charakteristische große, azidophile, intrazytoplasmatische Granula enthalten (ROCCABIANCA et al. 2006).
Bezüglich der Polarisierung der in der Lamina propria mucosae vorhandenen CD4+ T-Zellen besteht Unklarheit. WALY et al. (2001, 2004, 2005) vermuten, dass in der Kryptenregion vorrangig immunmodulatorische T-Helferzellen vom Typ 2 (TH2) vorkommen und in der Zottenregion eher entzündungsfördernde T-Helferzellen vom Typ 1 (TH1) überwiegen. Von den mukosalen Plasmazellen wird vorrangig IgA produziert, so dass dieser Isotyp gegenüber den Isotypen IgM und IgG vorherrscht (DOE 1989; MAGNE 1992; JAMES 1993; SIEGENTHALER 1994; ELWOOD u.
GARDEN 1999; CAVE 2003; STOKES u. WALY 2006). Durch IgA kann im Gegensatz zu IgG keine Aktivierung des Komplementsystems ausgelöst werden (DOE 1989). Somit ist der IgA Isotyp für die Aufrechterhaltung der oralen Toleranz entscheidend.
2.2.6 Orale Toleranz - Teil der spezifischen Immunreaktion
Eine Immunantwort führt entweder zu Toleranz oder Sensitivität gegenüber einem Antigen. Das GALT verfügt über die einzigartige Eigenschaft, Immunantworten durch suppressorische T-Lymphozyten zu dominieren und dadurch eine Toleranz herbeizuführen. Die Toleranz gegenüber persistierend vorhandenen, harmlosen Antigenen verhindert die Entstehung der schädigenden Effekte einer lang anhaltenden immunmediierten Entzündung. Die Sensitivität hingegen ermöglicht die effektive Elimination von Pathogenen zum einen Antigen-unspezifisch über mononukleäre Phagozyten oder alternative Komplementaktivierung und zum anderen Antigen-spezifisch durch Aktivierung der zellvermittelten Immunantwort mit daraus resultierender Antikörperproduktion (GUILFORD 1996a).
In der unveränderten Darmmukosa exprimieren die APCs in Abwesenheit von entzündungsfördernden Zytokinen keine kostimulierenden Rezeptoren (CD80 und CD86) (CAVE 2003). Dies führt zur Deletion oder zur Anergie von Lymphozyten, die mit diesen APCs interagieren (JAMES 1993; ELWOOD u. GARDEN 1999). Anergie bedeutet, dass diese Lymphozyten selbst bei anschließender idealer Stimulation nicht mehr auf ihr Antigen reagieren (JANEWAY et al. 2002). Zusätzlich sezernieren die residenten T-Lymphozyten der normalen Mukosa mehrheitlich ein entzündungshemmendes und immunsuppressives TH2- und TH3-Zytokinspektrum.
Hierzu zählen im Speziellen die antiinflammatorischen Zytokine Interleukin-10 (IL-10), Interleukin-13 (IL-13) und Transforming-Growth-Factor-β (TGF-β), die innerhalb der B-Lymphozyten einen Isotypenswitch hin zur IgA-Produktion verursachen und gleichzeitig die IgG-Produktion sowie die Entwicklung von TH 1-Lymphozyten verhindern (JENKINS et al. 2001; ALLENSPACH u. GASCHEN 2003;
CAVE 2003). Diese Kombination aus Deletion, Anergie und Immunmodulation durch suppressorische T-Zellen liegt bei der Reaktion des Immunsystems auf kommensale Bakterien oder Nahrungsantigene üblicherweise zugrunde und wird orale Toleranz genannt. Hierbei spielen außerdem genetische Einflüsse, das Alter des Tieres sowie Verdauungsgrad und Menge der absorbierten Antigene eine Rolle (ELWOOD u.
GARDEN 1993). Die orale Toleranz schützt den Gastrointestinaltrakt vor
überschießenden Immunreaktionen gegenüber den unzähligen Antigenen aus der Nahrung und den Antigenen kommensaler Mikroorganismen (JAMES 1993).
Es wird deutlich, dass diese komplexen Regulationsmechanismen sehr fein aufeinander abgestimmt sind und dass eine Störung dieses aus Antigenexklusion, -elimination und Toleranz bestehenden Systems zur Entstehung verschiedener Erkrankungen führen kann (JAMES 1993). Vermutlich ist eine fehlerhafte Suppression der Effektorzellen an der Pathogenese der Inflammatory Bowel Disease (IBD) beteiligt (GUILFORD 1996a). Eine Störung im Gleichgewicht der toleranzinduzierenden Immunreaktionen kann durch Verletzungen, Infektionen, eine erhöhte Permeabilität der Mukosabarriere oder eine inadäquate Immunreaktion ausgelöst werden (ELWOOD u. GARDEN 1993; ALLENSPACH u. GASCHEN 2003).
Es resultiert das vermehrte Eindringen von Antigenen und Pathogenen in die Schleimhaut. Dies führt zur Freisetzung proinflammatorischer Zytokine wie IFN-γ, IL-12 und Tumornekrosefaktor-α (TNF-α) und zur Induktion einer TH1-dominierten Immunantwort anstelle der üblicherweise vorherrschenden TH2-/TH3-Immunreaktion (ALLENSPACH u. GASCHEN 2003). Durch proinflammatorische Zytokine erfolgt die Expression kostimulatorischer Rezeptoren auf den APCs. Dies induziert eine massive klonale Expansion der aktivierten B- und T-Lymphozyten sowie einen Isotypenswitch der Plasmazellen, sodass vermehrt IgM, IgG oder IgE sezerniert wird (JANEWAY et al. 2002). Aus der Entzündung resultiert eine zusätzliche Gewebszerstörung, und daher kann sich relativ schnell ein sich selbst unterhaltender Prozess entwickeln (ALLENSPACH u. GASCHEN 2003).