Sowohl genetische Faktoren als auch Umweltfaktoren scheinen an der Pathogenese der Colitis ulcerosa und des Morbus Crohn beteiligt zu sein. Unter den Umweltfaktoren (Kapitel 2.1.3) spielt die normale Darmflora eine wichtige Rolle. Die physiologische Darmflora umfaßt mehr als 400 verschiedene Bakterienspezies (BERG, 1996). Der Großteil dieser Bakterien ist im distalen Ileum und Kolon lokalisiert wo sich die CED am häufigsten manifestieren. Hier liegt die Konzentration der anaeroben Bakterien um das 1000-fache über der von Aerobiern. Die Aufgabe der anaeroben Mikroflora besteht in der bakteriellen Fermentation von Nahrungspartikeln, Synthese von Vitaminen und Schutz vor pathogenen Organismen. Aerobe und anaerobe Bakterien stellen als Antigene eine ständige Herausforderung an die in der Mukosa residenten immunkompetenten Zellen dar (PRANTERA et al., 1994; TURUNEN, 1994; SARTOR, 1995; GREENBLOOM et al., 1998; ARNOLD et al., 1999; COLOMBEL et al., 1999). Beim Menschen gibt es zunehmend Hinweise auf die bedeutende Rolle von darmresidenten Bakterien und bakteriellen Produkten in der Pathogenese der CED (SARTOR et al., 1999; SARTOR et al., 2000). So konnte in mehreren Studien gezeigt werden, daß Antibiotika vor allem bei Morbus Crohn effektiv sind, aber auch bei Colitis ulcerosa
Th1- Zelle
IL10
Makrophage IL10-R
CRF2-4
Stat3
?
X X
X
unterstützend wirken (SUTHERLAND et al., 1991; PRANTERA et al., 1994; RUTGEERTS et al., 1995; ARNOLD et al., 1999; COLOMBEL et al., 1999; GIONCHETTI et al., 1999).
Des Weiteren konnten erhöhte Konzentrationen von Antikörpern gegen luminale Bakterien in Seren und Darminhalt von Morbus Crohn-Patienten nachgewiesen werden (HELPHINGSTINE et al., 1979; GUMP et al., 1981; TURUNEN, 1994; SARTOR, 1995;
GREENBLOOM et al., 1998).
2.3.1 Tiermodelle
Da verschiedene Tiermodelle unter keimfreien Bedingungen keine CED entwickeln, ist eine Mitbeteiligung der physiologischen Darmflora an der Entstehung der CED sehr wahrscheinlich. Zu diesen Tiermodellen zählen die HLA-B27-transgene Ratte (TAUROG et al., 1994; RATH et al., 1996), die IL-2-defiziente Maus (SADLACK et al., 1993;
CONTRACTOR et al., 1998), die IL-10-defiziente Maus (SELLON et al., 1998), die T-Zell-Rezeptor-α-Kette-defiziente Maus (DIANDA et al., 1997) und die SAMP1/Yit Maus (MATSUMOTO et al., 1998).
Für die Entstehung einer Kolitis spielen sowohl aerobe als auch anaerobe Bakterien eine Rolle, wobei insbesondere die obligat anaeroben Darmbakterien von Bedeutung sind (RATH et al., 2001). So entwickelten HLA-B27-transgene Ratten, welche nur mit fakultativ anaeroben Bakterien besiedelt waren, eine deutlich geringere Kolitis und Gastritis als solche, die sowohl mit fakultativ anaeroben als auch mit obligat anaeroben Bakterien assoziiert waren (RATH et al., 1996; RATH et al., 2001). Die Ausprägung der Kolitis und Gastritis in HLA-B27-transgenen Ratten korrelierte direkt mit der Zeit der bakteriellen Darmbesiedlung, wobei sich ca. 4 Wochen nach Kolonisation der keimfreien Ratten mit spezifiziert pathogenfreien Darmbakterien histologisch und laborchemisch die Kolitis voll entwickelt hatte (RATH et al., 1996).
Im Verlauf der chronischen intestinalen Entzündung scheinen den verschiedenen Bakterien unterschiedliche Funktionen zuzufallen (RATH et al., 1996). Keimfreie HLA-B27-transgene Ratten, die mit einem Bakteriencocktail, bestehend aus sechs obligat und fakultativ anaerob wachsenden Bakterienspezies, einschließlich Bacteroides vulgatus, einem strikt anaeroben Keim, infiziert wurden, bildeten eine stärkere Kolitis aus, als solche, die mit dem gleichen Bakteriencocktail ohne Bacteroides vulgatus infiziert wurden (RATH et al., 1996). Des Weiteren scheint Bacteroides vulgatus eher für die Entstehung einer Kolitis und Gastritis
verantwortlich zu sein, während andere Bakterien, wie z.B. Escherichia coli und Bakterien der Gattung Enterococcus (ONDERDONK et al., 1998) eher für die Chronifizierung und systemische Ausbreitung der Entzündung von Bedeutung sind. Dies zeigte sich in Experimenten, in denen es durch Monoassoziation von keimfreien Ratten mit Bacteroides vulgatus zwar gelang, die Kolitis, aber nicht die Gastritis zu initiieren. Bei der Monoassoziation mit Escherichia coli entwickelte sich weder eine Kolitis noch eine Gastritis, wohingegen es bei Kolonisierung der keimfreien Ratten mit einem Bakteriencocktail, welcher sowohl Bacteroides vulgatus als auch Escherichia coli enthielt, zur ausgeprägten Kolitis und Gastritis kam (RATH et al.,1996; RATH et al., 1999).
Wird HLA-B27 transgenen Ratten eine selbstfüllende blinde Schlinge in das Zäkum gelegt (siehe Abb. 2B), verändert sich die Zusammensetzung der bakteriellen Darmflora im Zäkum.
Die Anzahl der anaeroben Bakterien, insbesondere der Gattung Bacteroides, nimmt im Verhältnis zur aeroben Darmflora zu (RATH et al., 1999). Bei diesen Tieren konnte eine signifikant stärker ausgeprägte Kolitis als bei HLA-B27-transgenen Ratten ohne selbstfüllende blinde Schlinge beobachtet werden (RATH et al., 1999). Die Entzündung im Zäkum von HLA-B27-transgenen Ratten konnte geheilt werden, indem dort die bakterielle Konzentration mittels Ausschluß des Organs vom fäkalen Strom vermindert wurde (siehe Abb. 2C). Zusätzlich kam es zu einer Heilung der Gastritis, obwohl sich die Konzentration der Bakterien im Magen nicht verringert hatte (RATH et al., 1999).
Abb. 2: Schematische Darstellung eines physiologischen Kolons mit Zäkum (A), einer selbstfüllenden blinden Schlinge (B) sowie der Ausschluß des Zäkums (C) (RATH et al., 1999).
A: B: Ligatur C: Kolonfistel
Ileum-Kolon-Anastomose
Z: Zäkum; I: terminales Ileum; KT: Kolon transversum; KD: Kolon descendens
LEW-Ratten, denen eine selbstfüllende blinde Schlinge in das Jejunum gelegt und eine Woche später TNBS rektal appliziert wurde, entwickelten eine sekundäre nekrotisierende Entzündung in dieser Schlinge (FREITAG et al., 2000). Diese Studien zeigen, daß Bakterien nicht nur lokal wirken, sondern auch bei der Entstehung und Chronifizierung von Entzündungen an anderen Stellen des Gastrointestinaltraktes eine Rolle spielen.
Ein weiteres Rattenmodell für CED ist die Peptidoglykan-Polysaccharid (PG-PS)-induzierte chronische granulomatöse Enterokolitis (SARTOR et al., 1985; 1996b). PG-PS ist eine Zellwandkomponente von nahezu allen Bakterienspezies. SARTOR et al. (1985; 1996b) injizierten PG-PS von Gruppe-A-Streptokokken intramural in das distale Ileum und Zäkum von Ratten. Dies führte bei den für PG-PS suszeptiblen LEW-Ratten zu einer biphasischen Entzündungsantwort. Zunächst entwickelte sich eine akute Enterokolitis, die nach ein bis zwei Tagen ihren Höhepunkt erreichte und nach 7 bis 9 Tagen zurückging. Nach 12 bis 17 Tagen erfolgte eine spontane Reaktivierung in Form einer aktiven Entzündung, die für mindestens 4 Monate anhielt. Des Weiteren manifestierte sich die Erkrankung bei diesen Ratten in verschiedenen extraintestinalen Organen (Gelenke, Leber, Milz und Blut). Auch SPRD-Ratten erwiesen sich als suszeptibel für PG-PS. Dieser Stamm entwickelte eine mindestens 6 Monate andauernde granulomatöse Enterokolitis, die jedoch nicht mit extraintestinalen Manifestationen assoziiert war. Im Gegensatz zu diesen Ratten entwickelten Ratten der
KT
Z Z Z
KT KT
I I
KD KD I KD
Stämme F344 und BUF lediglich eine vorübergehende akute Darmentzündung nach PG-PS-Injektion (MC CALL et al., 1994; SARTOR et al., 1996b); eine Chronifizierung und extraintestinale Manifestationen traten nicht auf.
2.3.2 Wirkung von Antibiotika auf die Entwicklung der CED
Im humanen Bereich konnte in mehreren Studien gezeigt werden, daß Antibiotika vor allem bei Morbus Crohn effektiv sind, aber auch bei Colitis ulcerosa unterstützend wirken (PRANTERA et al., 1994; TURUNEN et al., 1994; SARTOR et al., 1995; GREENBLOOM et al., 1998; ARNOLD et al., 1999; COLOMBEL et al., 1999). Metronidazol, ein Antibiotikum mit anaerobem Wirkungsspektrum, war bei Morbus Crohn besonders wirksam (KROOK et al., 1981; SUTHERLAND et al., 1991). Patienten, bei denen die Erkrankung lediglich auf den Dickdarm bzw. auf den Dickdarm und Dünndarm beschränkt war, konnten erfolgreicher behandelt werden, als solche, bei denen nur der Dünndarm erkrankt war (SUTHERLAND et al., 1991). In einer Studie von GREENBLOOM et al. (1998) konnte gezeigt werden, daß eine Behandlung von Morbus Crohn-Patienten mit einer Kombination aus Metronidazol und Ciprofloxacin zu einer vorübergehenden Verbesserung des Krankheitsbildes führte. Auch hier fiel auf, daß die Antibiotikatherapie besonders wirkungsvoll war, wenn nicht nur der Dünndarm sondern auch der Dickdarm betroffen waren.
Auch die alleinige Behandlung von Morbus Crohn-Patienten mit Ciprofloxacin führte zu einer Remission (COLOMBEL et al., 1999).
Wie auch beim Menschen wurde die Wirkung verschiedener Antibiotika sowohl auf die Entstehung als auch auf den Verlauf der CED bei unterschiedlichen Tiermodellen untersucht.
So konnte Metronidazol, welches nur gegen anaerobe Bakterien, einschließlich Bacteroides, wirksam ist, (KROOK et al.,1981) die Entstehung einer Kolitis und Gastritis bei HLA-B27-transgenen Ratten verhindern, nicht aber eine bereits etablierte Darmentzündung heilen (RATH et al., 1995; RATH et al., 2001). Ciprofloxacin, welches gegen fast alle Darmbakterien aktiv ist, ausgenommen gegen Gram-negative anaerobe Stäbchen, wie z.B.
Bacteroides, zeigte nur einen partiellen Effekt in der Prävention und ebenfalls keine heilende Wirkung auf die Kolitis (RATH et al., 1998; RATH et al., 2001). Vancomycin/Imipenem, eine Kombination mit extrem breiter Wirkung, auch gegen Bacteroides, war wirksam sowohl in der Prävention als auch in der Therapie (RATH et al., 1998; RATH et al., 2001). Diese Befunde unterstützen nachfolgende Hypothesen. Ein schmales Spektrum intestinaler
Bakterien aus dem anaeroben Milieu ist ausreichend, um die Initiierung der chronischen Darmerkrankung zu unterstützen. Dabei scheinen die unterschiedlichen Bakterienspezies ein ungleich hohes Potential zu besitzen, welches zu der Entstehung einer Kolitis führt (RATH et al., 2001). Für die Chronifizierung einer bereits etablierten Entzündung ist jedoch fast die gesamte Vielzahl der aeroben und anaeroben Darmflora vonnöten (RATH et al., 1998; RATH et al., 2001). Mikrobiologische Untersuchungen vom Darminhalt HLA-B27-transgener Ratten zeigten ferner, daß Vancomycin/Imipenem zu einem initialen Zusammenbruch der bakteriellen Flora führt, die sich aber rasch wieder erholt, obwohl die antiinflammatorische Wirkung noch anhält. Dieser initiale Zusammenbruch ist auch in abgeschwächter Form bei Metronidazol zu sehen. Beide Gruppen zeigten jedoch eine anhaltende veränderte bakterielle Komposition mit einer relativen Verminderung der anaeroben Flora (RATH, et al., 2001).
Ähnliche Ergebnisse ergaben Versuche mit BALB/c-Mäusen im DSS-induzierten Kolitismodell. Metronidazol wirkte präventiv vor Gabe von DSS, konnte jedoch eine bereits durch DSS induzierte Kolitis nicht heilen. Die Breitspektrumantibiotikakombination Vancomycin/Imipenem zeigte sowohl in der Prävention als auch in der Heilung der Kolitis eine Wirkung (RATH et al., 2001). Ferner wurde eine protektive Wirkung der Kombination von Metronidazol und Ciprofloxacin bei der akuten DSS-induzierten Kolitis beschrieben (OHKUSA et al., 1987; HANS et al., 2000).
Eine Behandlung von IL-10-defizienten Mäusen (auf 129Sv/Ev-Hintergrund) mit den Antibiotika Neomycin/Metronidazol bzw. Ciprofloxacin vor Ausbruch der Kolitis führte zu einer Verminderung von schleimhautadhärenten bzw. -invasiven Bakterien, wie z.B.
Clostridium sp., Bacteroides sp. und Viridanz-Streptokoken und verhinderte die Ausbildung einer Kolitis (MADSEN et al., 2000). Wurden die Mäuse mit der Kombination Neomycin/Metronidazol während der bereits etablierten Kolitis behandelt, veränderte sich die Anzahl der schleimhautadhärenten Bakterien nicht und die Kolitis konnte geheilt werden.
Eine Behandlung mit Ciprofloxacin hingegen führte zu einer Reduktion der schleimhautadhärenten Bakterien, konnte die bereits bestehende Kolitis jedoch nicht heilen.
Aus diesen und anderen Befunden schlossen die Autoren, daß adhärente Bakterien in diesem Tiermodell eine wichtige Rolle bei der Initiierung der Kolitis, nicht aber bei der Perpetuation der Kolitis spielen.
2.3.3 Die Rolle des Genus Helicobacter im Krankheitsgeschehen der CED
Das Genus Helicobacter (H.) beinhaltet bis heute mehr als 20 verschiedene Spezies. Einige dieser Spezies werden für die Entstehung von Gastritiden und Enteritiden beim Menschen (QUINN et al., 1983; TOTTEN et al., 1985; BLASER, 1992; BURNENS et al., 1993; LEE et al., 1993) sowie bei verschiedenen Tierarten (FOX et al., 1994) verantwortlich gemacht.
Nachfolgend wird ausschließlich auf die Spezies H. hepaticus, H. bilis und H. typhlonicus eingegangen, da diese mit der Entstehung von CED bei der Maus in Zusammenhang gebracht worden sind.
In verschiedenen Studien konnte gezeigt werden, daß bestimmte Immundefektmutanten (z. B.
Foxn1nu, Prkdcscid, Il10tm1Cgn), die mit H. hepaticus (WARD et al., 1996; FOLTZ et al., 1998;
LI et al., 1998), H. bilis (SHOMER et al., 1998) oder H. typhlonicus (FOX et al., 1999) infiziert sind, wesentlich häufiger und schwerer an chronischen Entzündungen des Dickdarmes erkranken als entsprechende Helicobacter-freie Mutanten. Ferner konnten CAHILL et al. (1997) im CD45RBhigh T-Zelltransfer-induzierten Kolitismodell bei der Prkdcscid-Maus zeigen, daß H. hepaticus-infizierte Empfängertiere deutlich schwerer an CED erkranken als Helicobacter-freie Empfängertiere. Der Zusammenhang zwischen den genannten Helicobacter-Arten und der Entwicklung von CED wurde anschließend durch experimentelle Infektion von immundefizienten, Helicobacter-freien Mäusen im Sinne der Koch'schen Postulate bestätigt. So konnte beispielsweise bei NF-κB-defizienten Mäusen (ERDMANN et al., 2001) und bei T-Zellrezeptor-α/β-defizienten Mäusen (CHIN et al., 2000) eine chronische Typhlokolitis durch Infektion mit H. hepaticus induziert werden. Ähnliche Befunde ergaben Infektionsexperimente mit H. bilis bei Prkdcscid- (SHOMER et al., 1997;
FRANKLIN et al., 1998) und T-Zellrezeptor-α-defizienten Mäusen (BURICH et al., 2001) sowie mit H. typhlonicus bei Prkdcscid-Mäusen (FOX et al., 1999; FRANKLIN et al, 1999).
Unterschiedliche Befunde liegen hingegen für die Rolle von Helicobacter-Spezies im Krankheitsgeschehen bei der Il10tm1Cgn-Maus vor. So konnten KULLBERG et al. (1998;
2001) und BURICH et al. (2001) klinisch und histologisch zeigen, daß Il10tm1Cgn-Mäuse (mit den genetischen Hintergründen C57BL/10SgSnAi, C57BL/10J und C57BL/6J) schon 1,5 bis 3 Wochen nach experimenteller Infektion mit H. hepaticus eine deutlich schwerere CED entwickeln als Helicobacter-freie Il10tm1Cgn-Mäuse. Im Gegensatz dazu stellten MADSEN et al. (2000) und DIELEMANN et al. (2000) keine Assoziation zwischen dem Schweregrad der CED und einer Infektion mit H. hepaticus bei Il10tm1Cgn-Mäusen (mit den genetischen
Hintergründen 129Sv/Ev und C57BL/6J;129P2/OlaHsd) fest. Als mögliche Gründe für die abweichenden Befunde werden von den Autoren Unterschiede in der Versuchsdurchführung, in den Umweltbedingungen, im Alter, Hygienestatus und genetischen Hintergrund der verwendeten Mäuse sowie Unterschiede zwischen den H. hepaticus-Stämmen diskutiert.
Weiterhin konnten FOX et al. (1999) durch experimentelle Infektion mit H. typhlonicus eine CED bei Il10tm1Cgn-Mäusen (mit C57BL/6J;129P2/OlaHsd-Hintergrund) induzieren sowie BURICH et al. (2001) durch experimentelle Infektion mit H. bilis den Verlauf der CED bei Il10tm1Cgn-Mäusen (mit den Hintergründen C57BL/10J und C57BL/6J) potenzieren.
Zusammengefaßt legen diese Daten nahe, daß Infektionen mit den genannten Helicobacter-Spezies zwar keine Voraussetzung für das Entstehen von CED bei Il10tm1Cgn-Mäusen sind, daß sie aber unter bestimmten Umständen den Krankheitsverlauf beschleunigen können.