Unspezifische Abwehrmechanismen

Zur Vermeidung von opportunistischen Infektionen haben Pflanzen und Tiere in den Epithelien Peptide mit antimikrobieller Aktivität entwickelt; eine der größten und wichtigsten dieser Peptid-Gruppen sind die Defensine, die u.a. von Keratinozyten und neutrophilen Granulozyten gebildet werden (HARDER et al. 1998, BALS et al.

1999, DIAMOND 2001, BOS et al. 2001, JIA et al. 2001, PESCHEL et al. 2001, YANG et al. 2001, MEYER u. SEEGERS 2004, SCHOFIELD et al. 2004). Während der letzten zwei Jahrzehnte konnten diese antimikrobiellen Peptide aus Pflanzen, Tieren und Menschen isoliert werden (BALS et al. 1999, YANG et al. 2001, SUGIARTO u. YU 2004, XIAO et al. 2004).

Defensine stellen eine große Familie kleiner (weniger als 100 AS), kationischer, amphiphiler Peptide dar, deren Hauptmerkmal das Auftreten von sechs Cystein-Resten in definierten Positionen ist, die untereinander drei intramolekulare Disulphid-Brücken ausbilden (BALS et al. 1999, ALI et al. 2001, CHRONNELL et al. 2001, HIRATSUKA et al. 2001, CAMPOPIANO et al. 2004, SUGIARTO u. YU 2004, XIAO et al. 2004). Diese kleinen Peptide lassen sich zunächst in drei Gruppen aufteilen, nämlich in die Defensine der Pflanzen, in die der Invertebraten und in die a-, ß- und

?-Defensine der Vertebraten. Während bei den Vertebraten a-Defensine nur bei Primaten und Nagetieren beschrieben sind, treten ß-Defensine in vielen verschiedenen Säugetier- und Vogel-Spezies auf (bisher nachgewiesen bei Mensch, Rind, Ziege, Seehund, Delphin, Schwein, Huhn, Truthahn, Strauß und Königs-Pinguin). Die – im Gegensatz zur ß-Faltblatt-Dimer-Struktur der beiden eben genannten Defensine – zyklischen ?-Defensine konnten bisher lediglich aus den Leukozyten von Rhesus-Affen isoliert werden (ALI et al. 2001, HARDER et al. 2001, YANG et al. 2001, Oono et al. 2003, MEYER u. SEEGERS 2004, SUGIARTO u. YU 2004, XIAO et al. 2004).

Literaturübersicht

Funktionell spielen diese kleinen Moleküle als chemisches Schutzschild eine wichtige Rolle in der unspezifischen, angeborenen Abwehr von Infektionen, da sie in der Lage sind, ein breites Spektrum an Pathogenen abzutöten, einschließlich verschiedener grampositiver wie auch gramnegativer Bakterien, Pilze, Hefen und bestimmter behüllter Viren (BALS et al. 1999, ALI et al. 2001, BOS et al. 2001, HARDER et al. 2001, SEO et al. 2001, YANG et al. 2001, SUGIARTO u. YU 2004, XIAO et al. 2004).

a-Defensine sind in erster Linie in humanen neutrophilen Granulozyten nachgewiesen worden und werden deshalb auch als „humane neutrophile Peptide“, HNP, bezeichnet, bei denen man mittlerweile vier verschieden Moleküle (HNP 1-4) identifiziert hat. Diese Defensine werden in erster Linie in der Granula von infiltrierenden, neutrophilen Granulozyten gespeichert, wo sie bis zu 50% der dort vorkommenden Proteine ausmachen können, wie auch in den Paneth-Zellen des Dünndarms (YANG et al. 2001, CHRONNELL et al. 2001, Oono et al. 2003, Oono et al. 2004, ZHANG et al. 2004). Das offensichtliche Fehlen von a-Defensinen in Nicht-Säugetierspezies legt für XIAO et al. (2004) den Schluß nahe, dass die a-Defensine sich erst nach der Abspaltung der Säugetiere von den anderen Vertebratengruppen aus den ß-Defensinen entwickelt haben.

In den neutrophilen Granulozyten fusionieren zur Zerstörung von in Phagosomen inkorporierten Pathogenen die Defensin-haltige Granula mit diesen und setzen ihre lytischen Enzyme frei. Die Defensine attackieren die Plasma-Membran der Mikroorganismen, indem sie sich in die Lipid-Doppelschicht einschleusen und auf diese Weise die Interaktionen zwischen den einzelnen Lipidmolekülen unterbrechen (TIZARD 2000). Des Weiteren besitzen a-Defensine die Fähigkeit, T-Zellen anzuziehen (HARDER et al. 2001).

Im Gegensatz dazu werden ß-Defensine auf epithelialen Oberflächen exprimiert, vor allem auf denen von Haut, Respirationstrakt, Urogenitaltrakt und Gastrointestinaltrakt. Lange Zeit kannte man nur die humanen ß-Defensine-1 und -2 (hBD-1 und -2); erst in jüngerer Vergangenheit konnten zusätzlich das hBD-3 aus humanen Keratinozyten und Epithelzellen des Respirationstraktes sowie das hBD-4

Literaturübersicht

2001, YANG et al. 2001, OONO et al. 2003, WEHKAMP et al. 2003). Darüber hinaus wurde das Peptid auch im geschichteten Plattenepithel (Epidermis, Haarfollikelwand) des Integuments von anderen Säugern nachgewiesen (MEYER et al. 2003, MEYER u. SEEGERS 2004). Die verschiedenen ß-Defensine werden entweder generell exprimiert – z. B. hBD-1 – oder die Epithelzellen erst durch Stimuli wie der Kontakt mit mikrobiellen Komponenten zur Expression dieser Peptide angeregt (hBD-2 und -3) (ALI et al. 2001, CHRONNELL et al. 2001, DIAMOND 2001, YANG et al. 2001, LIU et al. 2002, DINULOS et al. 2003). Verschiedene Autoren untersuchten das unterschiedliche Auftreten der verschiedenen ß-Defensine. Das erste Peptid, das in diesem Zusammenhang isoliert wurde, war das TAP (tracheal antimikrobial peptide) aus der Trachea der Kuh; darauf folgte die Isolierung des LAP (lingual antimikrobial peptide) aus der Zunge dieses Tieres. Das erste humane ß-Defensin, hBD-1, wurde ursprünglich aus einer großen Menge Hämodialysat isoliert, während man hBD-2 vor allem in Keratinozyten und normaler Haut entdeckte – dort ausschließlich in den suprabasalen Schichten (erster Nachweis im Cytoplasma der Zellen der oberen Lagen des Stratum spinosum) mit Konzentration im Stratum corneum – dort in den interzellulären Spalten (BALS et al. 1998, ALI et al. 2001, CHRONNELL et al. 2001, LIU et al. 2002, MEYER u. SEEGERS 2004). Die Verteilung des hBD-3 im Integument der Delphiniden gleicht der des hBD-2, allerdings ist der Nachweis dieses Defensins viel weniger deutlich (MEYER u. SEEGERS 2004). Verschiedene Säugetier-Spezies besitzen verschieden entwickelte ß-Defensine, jedes mit leichten Struktur-Unterschieden. Mittlerweile kennt man beim Rind insgesamt 14, bei der Maus 17 und beim Menschen 4 verschiedene ß-Defensine (DIAMOND 2001, HIRATSUKA 2001, YANG et al. 2001). BALS et al. (1998) siedelte das Auftreten von hBD-2 diffus über das Epithel vieler Organe verteilt an. Auch bezüglich ihres Wirkungsspektrums unterscheiden sich die einzelnen Defensine voneinander.

Während hBD-1 und hBD-2 gut gegen gramnegative Bakterien und Hefen wirken, ist ihre mikrobielle Aktivität gegen grampositive Mikroorganismen äußerst schwach.

Demgegenüber ist das Wirkungsspektrum von hBD-3 deutlich breiter und umfasst auch viele grampositive Bakterien (GARCIA et al. 2001, HARDER et al. 2001, HARADA et al. 2004).

Literaturübersicht

Wie schon die a-Defensine zerstören auch die ß-Defensine potentiell pathogene Mikroorganismen durch Zellwand-Perforation. Obwohl der genaue Mechanismus noch geklärt werden muß, vermuten die meisten Forscher, dass die antimikrobiellen Fähigkeiten dieser Peptide auf ihren beiden Hauptmerkmalen basieren, nämlich ihrer Amphiphilie und ihrer positiven Ladung (Kation). Die kleinen Moleküle interagieren mit den negativ geladenen Lipidmembranen der Mikroorganismen, indem sie sich aufgrund der elektrostatischen Anziehung in diese einlagern und dann durch Zusammenlagerung Poren bzw. Tunnel durch die Membran bilden. Auf diese Weise wird das elektrische Potential der Membran gestört und die Membranpermeabilität unterbrochen, wodurch die Zelle zugrunde geht. Des weiteren ziehen die hier beschriebenen Peptide zusätzlich unreife dendritische Zellen und memory T-Zellen an und stellen auf diese Weise eine Verbindung zwischen der angeborenen epithelialen Abwehr und der adaptiven Immunität her (HARDER et al. 1998, BOS et al. 2001, DIAMOND 2001, JIA et al. 2001, HARDER et al. 2001, YANG et al. 2001, SUGIARTO u. YU 2004, XIAO et al. 2004).