Die wichtigsten Mediatoren von Mastzellen und deren

Mastzellen, jedoch ist inzwischen bekannt, dass sie in weitaus geringeren Mengen auch in basophilen Granulozyten vorkommen (PEJLER et al. 2007). Sie bilden den Hauptbestandteil der in der Mastzelle gespeicherten und sezernierten Proteine, weshalb ihnen eine wichtige Bedeutung für die Funktionen der Mastzellen beigemessen wird (WELLE 1997). Expressionsmuster, Aktivität, Diversität, Menge und Eigenschaften dieser Serinpeptidasen differieren in Abhängigkeit von der Lokalisation im Gewebe, der dort vorherrschenden Mikroumgebung und der untersuchten Spezies. Anhand dieser Unterschiede in der Proteasenausstattung lassen sich Mastzellen in verschiedene Subtypen untergliedern, die vermutlich auch unterschiedliche Funktionen besitzen. Bei Mensch und Hund wurden im Gastrointestinaltrakt Mastzellen, die entweder nur Chymase (MCC) oder nur Tryptase (MCT) oder beide Proteasen (MCCT) enthalten, nachgewiesen (WEIDNER u.

AUSTEN 1993; BISCHOFF et al. 1996; KLEINSCHMIDT et al. 2007, 2008).

Beide Proteasen fördern Entzündungsreaktionen, die Zerstörung von Matrix und den Umbau von Gewebe über verschiedene Mechanismen. Diese umfassen die Destruktion von Wachstums- und Differenzierungsfaktoren sowie die Aktivierung von Metalloproteinasen, Urokinasen und Angiotensin. Sie modulieren Immunantworten, indem sie Zytokine und Chemokine hydrolysieren. Es wurde jedoch auch eine protektive Wirkung beider Proteasen nachgewiesen, da sie Allergene und Neuropeptide spalten und somit inaktivieren können, welche ansonsten zu Entzündungsprozessen führen würden. Daher besitzen die beiden Hauptbestandteile der Mastzellen ebenso wie die Mastzellen selbst multiple Funktionen in der Immunabwehr. Ihre Effekte sind abhängig vom auslösenden Kontext mal förderlich und mal schädlich für den Körper (WELLE 1997; CAUGHEY 2007). Die Zusammensetzung der neutralen Proteasen kann sich im Verlauf von Krankheitsprozessen verändern (PEJLER et al. 2007). Ob dies bei der felinen IBD der Fall ist, soll unter anderem im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden.

2.6.5.1 Histamin

Histamin ist das biogene Amin, dessen Funktionen am besten bekannt sind durch seine Effekte bei allergischen Typ I Hypersensitivitätsreaktionen. Im Körper werden vier verschiedene Histaminrezeptoren exprimiert (H1- bis H4-Rezeptor). Das vasoaktive Histamin führt über den H1-Rezeptor an Endothelzellen zur Induktion von Stickstoffmonoxid (NO) und dadurch zur Vasodilatation. Ebenso vermittelt der H1 -Rezeptor die Kontraktion von glatter Muskulatur und Endothelzellen, so dass eine gesteigerte Darmmotilität und eine erhöhte Gefäßpermeabilität resultieren. Durch Bindung von Histamin an H1-Rezeptoren wird die Sekretion von Natriumchlorid durch die Epithelzellen erhöht, woraus eine sekretorische Diarrhö resultiert. Ein Großteil der Symptome allergischer und entzündlicher Reaktionen wird durch ihn vermittelt, ebenso wie er die Antikörperproduktion initiiert (FOGEL et al. 2005). H2-Rezeptoren kommen auf Belegzellen vor und regulieren die Säureproduktion des Magens.

Außerdem werden sie auf suppressorischen Lymphozyten exprimiert, durch deren Aktivierung möglicherweise die von Suppression dominierte Funktion des GALTs wieder hergestellt wird (GUILFORD 1996c). H3-Rezeptoren kommen an präsynaptischen Membranen von Nervenendigungen vor und werden in Autorezeptoren und Heterorezeptoren unterteilt. Die Autorezeptoren vermitteln einen negativen Feedback-Mechanismus und kontrollieren so Histaminproduktion und -freisetzung an den Nervenendigungen. Die Heterorezeptoren hemmen die Freisetzung weiterer Botenstoffe und führen im Dünndarm zu einer verminderten Propulsion (SPASOV u. CHERNIKOV 2002). Ebenso führt der Einfluss von Histamin auf H3-Rezeptoren des Plexus myentericus zu einer verlängerten Transitzeit des Futterbreies durch den Darm (POZZOLI et al. 2002). Der H4-Rezeptor wird auf der Oberfläche von NK-Zellen, Monozyten und dendritischen Zellen exprimiert. Histamin wirkt auf diese Immunzellen chemotaktisch (DAMAJ et al. 2007). Von FUNG-LEUNG et al. (2004) wird eine Beteiligung dieses Rezeptortyps an der Entwicklung allergischer Prozesse angenommen. Histaminrezeptoren werden ebenfalls auf Mastzellen exprimiert und hemmen über einen negativen Feedback-Mechanismus die weitere Exozytose von Histamin (ISHIKAWA et al. 1979). Die höchste Histaminkonzentration im Körper befindet sich im Gastrointestinaltrakt, in der Lunge

und in der Haut (MÖSTL 2005). Die Wirkungen von Histamin sind jedoch nur von kurzer Dauer, weil es durch Amin-spezifische Transportsysteme relativ schnell aus dem Extrazellularraum entfernt wird (ABBAS et al. 2000).

2.6.5.2 Heparin

Heparin ist ein Proteoglykan, das sich aus einer Polypeptidkette mit stark negativ geladenen Glykosaminoglykanen als Seitenketten zusammensetzt. Proteoglykane stellen die Speichermatrix in den Granula der Mastzellen dar, an welche biogene Amine, neutrale Proteasen, Zytokine und Wachstumsfaktoren gebunden sind. Nach Exozytose dissoziieren die löslichen Bestandteile der Granula (Histamin und Zytokine) von Heparin oder Chondroitinsulfat und diffundieren in die Umgebung, wo sie Effektorzellen durch Bindung an ihre Rezeptoren aktivieren. Die Mastzell-spezifischen Proteasen Chymase bzw. Tryptase bleiben länger an die Proteoglykane gebunden und bilden proteolytisch aktive Granulareste. Somit regulieren Proteoglykane die Aktivität und die Kinetik der Mediatoren (ABBAS et al. 2000;

LINDSTEDT u. KOVANEN 2006). Von ELLYARD et al. (2007) konnte gezeigt werden, dass Eotaxin selektiv an die Glykosaminoglykan-Seitenketten von Heparin bindet und so die Entwicklung und Anlockung von eosinophilen Granulozyten fördert.

Die Autoren leiten daraus eine Rolle für Heparin der Mastzellen in der Polarisation der Immunantwort in eine TH2 ähnliche Richtung ab.

In verschiedenen humanmedizinischen Studien konnte ein positiver Effekt von Heparin bei IBD Patienten festgestellt werden. Dieser antiinflammatorische Effekt wird einerseits auf eine Hemmung der Rekrutierung neutrophiler Granulozyten und andererseits auf eine Reduktion proinflammatorischer Zytokine zurückgeführt (PAPA et al. 2000). Des Weiteren erfolgt durch Heparin eine Wiederherstellung der Bindungskapazitäten für bFGF (basic fibroblast growth factor) und ermöglicht so eine normale Wundheilung (DAY u. FORBES 1999; PAPA et al. 2000)

2.6.5.3 Chymase

Bei der Chymase handelt es sich um eine neutrale Serinprotease, die in Mastzellen in besonders großen Mengen vorkommt, sich aber vereinzelt auch in glatten Muskelzellen befindet. Chymase spaltet Proteine und Peptide nach aromatischen Aminosäuresequenzen, im Besonderen aber hinter Phenylalanin und Tyrosin (CAUGHEY 2007). Es gibt große Variationen zwischen den einzelnen Spezies bezüglich des Vorkommens verschiedener Chymase Isoformen. Diese betreffen Ladung, Löslichkeit, Glykosylierung, Proteoglykanbindung, Expressionsmuster und katalytische Effizienz. Im Gegensatz zur Vielfalt an Isoformen bei Nagern wurde beim Mensch und beim Hund bisher nur eine Chymase Isoform identifiziert (WELLE 1997).

Die besondere Bedeutung der Chymase liegt in der Modellierung von Geweben durch Umbauprozesse (UNGER u. LI 2004). Im Rahmen dieser Umbauvorgänge degradiert sie einerseits Komponenten der extrazellulären Matrix auf verschiedene Arten und aktiviert andererseits Faktoren für die Wiederherstellung der Gewebetextur. Auf diese Weise reguliert sie die Homöostase des Bindegewebes (PEJLER et al. 2007). Die Zerstörung von extrazellulärer Matrix erfolgt einerseits durch direkte Spaltung von Fibronektin und Vitronektin durch Chymase. Andererseits spaltet sie Prokollagenase und Promatrixmetalloproteinasen MMP-9 und MMP-2 und aktiviert so die Matrixmetalloproteinase-Kaskade. Dies führt zum Abbau weiterer Matrixproteine (ABBAS et al. 2000; CAUGHEY 2007; PEJLER et al. 2007). Aufgrund ihres hohen zerstörerischen Potentials wird sie relativ schnell nach der Freisetzung inaktiviert, wenn sie nicht an stabilisierende Proteoglykane gebunden ist, die sie vor der Inaktivierung schützen (CAUGHEY 2007). Auf der anderen Seite besitzt Chymase auch ein reparatives Potential. Sie spaltet Matrix gebundenes latentes TGF-β1 und induziert so dessen stimulierende Aktivität auf Fibroblasten. Dies führt zur Produktion und Deposition von neuer extrazellulärer Matrix. Des Weiteren spaltet Chymase Prokollagen, so dass fibrilläres Kollagen entsteht (WELLE 1997; PEJLER et al. 2007). Sie hydrolysiert Teile des Protease-aktivierten Rezeptors 1 (PAR-1), der von Fibroblasten exprimiert wird und aktiviert diese dadurch direkt zur Kollagenproduktion (SCHECHTER et al. 1998; REED u.

KITA 2004). Von TCHOUGOUNOVA et al. (2005) wurde gezeigt, dass es bei

Mäusen, deren Chymase Isoenzym mMCP-4 defekt ist, zu einer vermehrten Deposition von Kollagen und Hydroxyprolin kommt, woraus die Autoren die Bedeutung von Chymase bei der Regulation der Bindegewebshomöostase ableiten.

Neben dieser Funktion hat Chymase auch immunmodulatorische Wirkungen. Von ZHAO et al. (2005) wurde gezeigt, dass vor allem Chymase und Cathepsin G für eine Immunmodulation durch Spaltung der Interleukine-5, -6, -13 und TNF-α verantwortlich sind. Jedoch ist noch unklar, in welchem Ausmaß diese Inaktivierung von Zytokinen und Chemokinen einen Einfluss auf die Limitierung von Entzündungsreaktionen hat (CAUGHEY 2007). Bei Mäusen wurde nachgewiesen, dass sie vor intestinalen Wurminfektionen schützt. Aufgrund der Differenz der murinen Isotypen dieses Enzyms zu den Isotypen anderer Spezies, kann diese Beobachtung nicht auf letztere übertragen werden (CAUGHEY 2007). Weitere Funktionen der Chymase liegen in der Spaltung von Angiotensin I in das vaskulär hochwirksame Angiotensin II, welches wiederum latentes TGF-β aktiviert (FUKUSHIMA et al. 2006), in der Degradierung epithelialer tight junctions mit einer daraus resultierenden, erhöhten Permeabilität und in der Rekrutierung von eosinophilen bzw. neutrophilen Granulozyten. Weiterhin vermitelt sie die Migration von eosinophilen Granulozyten und induziert über einen autokrinen Mechanismus die weitere Degranulation von Mastzellen mit einer Potenzierung der Histaminfreisetzung (ABBAS et al. 2000; CAUGHEY 2007; PEJLER et al. 2007).

2.6.5.4 Tryptase

Bei der Tryptase handelt es sich um eine neutrale, Trypsin-ähnliche Serinprotease, die in wesentlich geringeren Mengen auch in basophilen Granulozyten vorkommt (PEJLER et al. 2007). Sie dient als Markersubstanz für die Degranulation von Mastzellen, wenn sie in Körperflüssigkeiten festgestellt wird und reflektiert den Schweregrad einer anaphylaktischen Reaktion (ABBAS et al. 2000; CAUGHEY 2007). Bei Urzeittieren und wirbellosen Manteltieren konnten Mastzell-ähnliche Zellen nachgewiesen werden, die Tryptase-Heparin-Komplexe in ihren Granula enthalten. Da Manteltieren T- und B-Lymphozyten fehlen, nehmen STEVENS und ADACHI (2007) an, dass diese Protease-Proteoglykan-Komplexe in niederen Organismen eine wichtige Rolle bei der angeborenen Immunabwehr spielen. Sie scheinen für das Überleben wichtig zu sein, weil es keine Menschen ohne Mastzellen gibt und transgene Mäuse mit einem Mastzelldefizit Klebsiella pneumoniae Infektionen nicht erfolgreich bekämpfen können.

Tryptase kommt beim Menschen in allen Mastzellen vor und macht ca. 25%

des gesamten zellulären Proteins aus. Die Struktur als Homotetramer aus vier gleichen beta-Tryptase-Monomeren wird durch das Proteoglykan Heparin stabilisiert und macht es gegenüber biologischen Inhibitoren äußerst resistent. Bei Verlust der Stabilisierung durch Heparin zerfällt das Molekül in seine Monomere und wird inaktiv (WELLE 1997; FUKUOKA u. SCHWARTZ 2007). Bereits vor der Exozytose findet intrazellulär eine Präaktivierung statt. Tryptase spaltet Substrate hinter den Aminosäuren Lysin und Arginin (CAUGHEY 2007).

Genauso wie Chymase hat auch Tryptase destruktive und reparative Eigenschaften. Zu den zerstörerischen gehört die Fähigkeit Fibrinogen, Fibronektin, Pro-Urokinase, Komplementfaktor C3 und Pro-Matrixmetalloproteinase-3 zu spalten und so entweder zu aktivieren oder zu degradieren. Sie löst ebenfalls die Matrixmetalloproteinase-Kaskade aus und trägt so zur Gewebeschädigung bei (FUKUOKA u. SCHWARTZ 2007). Im Gegensatz zur Chymase hydrolysiert Tryptase Teile des PAR-2 (COELHO et al. 2003; BARNES et al. 2004), der auf Mastzellen, glatten Muskelzellen und Nervenzellen vorkommt (REED u. KITA 2004). Durch einen positiven Feedback-Mechanismus stimuliert Tryptase über PAR-2 Mastzellen zur

Degranulation und ist daher an perpetuierenden chronischen Entzündungsprozessen beteiligt (HE 2004; FUKUOKA u. SCHWARTZ 2007; CAUGHEY 2007;

THEOHARIDES et al. 2007).

Die proinflammatorische Wirkung von Tryptase beruht auf zwei Mechanismen. Einerseits werden neutrophile Granulozyten rekrutiert und eine gesteigerte Mediatorfreisetzung aus benachbarten Mastzellen induziert. Andererseits findet ein Abbau von Fibronektin, denaturiertem Kollagen und Typ IV Kollagen von Basalmembranen durch die hydrolytischen Eigenschaften der Tryptase statt. Durch Aktivierung von MMP-3 und MMP-1 erfolgt eine Regulation der Zusammensetzung der extrazellulären Matrix (PEJLER et al. 2007).

Auf der anderen Seite ist Tryptase auch an Reparaturprozessen beteiligt, da sie auf Fibroblasten, Endothelzellen und glatte Muskelzellen mitogen wirkt und so eine Sekretion von Matrixproteinen, Angiogenese und Gewebeumbau induziert (WELLE 1997; CAUGHEY 2007). RAUTER et al. (2008) wiesen nach, dass β-Tryptase des Menschen IgE spaltet und vermuten eine wichtige Beteiligung dieser Protease an der Kontrolle allergischer Immunreaktionen. Außerdem spaltet Tryptase das Chemoattraktant Eotaxin, das üblicherweise eosinophile Granulozyten anlockt.

Daher treten bei Asthmatikern zahlreiche Mastzellen mit Tryptase aber kaum eosinophile Granulozyten auf. Auch Neuropeptide, die üblicherweise zu einer Entspannung glatter Muskelzellen führen, werden von Tryptase gespalten, so dass eine erhöhte Kontraktilität von Bronchien und Darm resultiert (WELLE 1997).

Zwischen den einzelnen Spezies existieren einige Unterschiede in der Expression und Funktion der Tryptase. So sind beim Menschen inzwischen sechs verschiedene Tryptase Isoenzyme bekannt (α-, βI-, βII-, βIII-, γ-, δ-Tryptase), die entweder membranständig oder löslich sind. Beim Hund wurde bislang nur die aktive tetramere Form sowie eine verwandte, Tryptase-ähnliche Protease genannt Mastin, bei welcher es sich um ein aktives Multimer handelt, entdeckt. Beide Isoenzyme sind löslich (CAUGHEY 2007). Für die Katze existieren bisher keine Untersuchungen über das Vorkommen von Tryptase Isoformen.

Beide Mastzellproteasen spalten die Protease-aktivierten Rezeptoren (PAR) hydrolytisch. Dies resultiert in einem Integritätsverlust der tight junctions von Epithelzellen und in einer Degranulation von eosinophilen Granulozyten und weiteren Mastzellen. Bei Fibroblasten und ihren Vorläufern induziert die Aktivierung der PAR Reifungs- und Proliferationsprozesse sowie die Produktion von Kollagen. Folglich wirken Mastzellproteasen auf Fibroblasten mitogen (REED u. KITA 2004). Weiterhin haben sie das Potential, humorale und zelluläre Immunantworten im Gewebe zu modulieren sowie Gefäßpermeabilität, Sekretionsvorgänge, Gewebszerstörungen, Wirkungen von Zytokinen, Wachstumsfaktoren und Neuropeptiden zu regulieren sowie den Muskeltonus der glatten Muskelzellen zu beeinflussen (WELLE 1997).

2.6.6 Vorkommen von Mastzellen bei Inflammatory Bowel Disease