Zytokine und Zytokin­rezeptoren

20.1 Definition, Klassifizierung, Struktur und Funktion der Zytokine

Lothar Thomas

Das Netzwerk der Zytokine besteht aus den Zytokinen, den Zytokinrezeptoren der Zellmembran und einem System der Signaltransduktion, das die Information der Zytokine in das Zellinnere, vorwiegend den Zellkern weiterleitet.

20.1.1 Zytokine

Der Begriff Zytokine leitet sich aus dem Griechischen Zyto (Zelle) und Kinese (Bewegung) ab und bedeutet so viel wie „sich zwischen den Zellen bewegend“ /1/. Zytokine sind Proteine, bestehend aus 100–200 Aminosäuren. Es handelt sich um Mediatoren, die von verschiedenen Körperzellen, inklusive den Immunzellen sezerniert werden. Sie wirken als Botenstoffe und lösen spezifische Signale entweder in der gleichen Zelle (endokrin) oder nach dem Transport über den Blutweg an entfernten Zielzellen (parakrin) aus /2/.

Zytokine üben eine Hormon-ähnliche Wirkung aus und werden meist erst nach Stimulierung der Zellen sezerniert. Sie teilen eine Anzahl gemeinsamer Merkmale und haben das Vermögen an vielen Zellen zu wirken (Pleiotropie) und anderen Zytokinen in ihrer Wirkung zu gleichen (Redundanz) /2/. Es handelt sich um regulatorische Proteine mit Wirkungen in der Entzündung, Immunabwehr, Gewebereparatur, Kontraktilität von Herz und Gefäßen, Aufrechterhaltung von Körperfunktionen und Aktivierung von Apoptose und Zelltod.

Die Klassifikation der Zytokine richtet sich nach der erstmalig beschriebenen biologischen Funktion (Tab. 20.1-1 – Funktionelle Klassifikation der Zytokine). Auch werden die Zytokine auf Grund struktureller Merkmale in Klassen eingeteilt (Tab. 20.1-2 – Klassifikation der Zytokine anhand struktureller Merkmale):

• Die erste Klasse der Zytokine, sind α-helikale Proteine mit 4 Helices wovon 2 jeweils anti-parallel liegen. Die Vier-helikalen Zytokine haben eine bevorzugte Rolle in der Hämatopoese und in der angeborenen und erworbenen Immunität.
• Die zweite Klasse der Zytokine hat eine Faltblattstruktur. Diese Zytokine haben bevorzugt Funktionen im Wachstum und der Differenzierung von Zellen, aber auch in der Immunregulation (IL-1 und TNF-α).
• Die Zytokine derFamilie TNF-α haben die Struktur einer Biskuitrolle (Zytokine mit Ringstruktur oder zylindrischer Struktur) und kommen meist als Trimere vor.
• Die Proteine der IL-1-Familie besitzen β-Kleeblattstruktur.

Nur wenige Zytokine einer strukturellen Klasse haben mehr als 20–30 % Homolologie.

20.1.2 Zytokinrezeptoren

Die Zytokinrezeptoren bestehen aus drei funktionellen Strukturen /1, 3/:

• Die extrazelluläre Domäne ist die Bindungsstelle für Zytokine und ist spezifisch für den Liganden.
• Die transmembrane Region liegt im Lipidbilayer der Plasmamembran.
• Die intrazelluläre Domäne ist für die Signalübertragung zuständig und hat entweder enzymatische Aktivität oder bindet andere Moleküle, so dass das Signal als Antwort auf das gebundene Zytokin zum Zellkern gelangt.
• Siehe auch Abb. 20.1-1 – Rezeptorkomplex zur Transduktion des IL-6 Signals.

Zytokine üben ihre Wirkung an der Zelle über Rezeptoren aus. Alle Zytokinrezeptoren sind Typ-1-Membranproteine. Die Liganden binden an den extrazellulären Teil von Rezeptorproteinen und induzieren über eine Di- oder Multimerisierung von Rezeptorproteinen einen funktionell aktiven Rezeptor. Dieser leitet über einen Transduktionsweg das Information in das Zellinnere, z.B. an den Zellkern.

Ein Teil der Zytokinrezeptoren hat eine Death domain oder es handelt sich um einen Decoy receptor. Es wird das Zytokin gebunden, aber kein Signal weitergeleitet. Somit werden Zytokine aus der Zirkulation entfernt und können keine Funktion ausüben.

Analog der Struktur der Zytokine, können auch ihre Rezeptoren in Klassen eingeteilt werden.

Klasse-I-Rezeptoren

Diese Rezeptoren binden die Vier-helikalen Zytokine und die Bildung des Rezeptorkomplexes geschieht auf einem von zwei Wegen:

• Der Rezeptor besteht aus einem Protein, z.B. dem gp130 der IL-6-Familie. Klasse-I-Rezeptoren bilden nach Bindung des Liganden häufig Heterodimere. Die intrazelluläre Domäne des Rezeptorproteins leitet die Signaltransduktion ein.
• Der Rezeptorkomplex besteht aus einem Protein (α-Untereinheit), das nach Bindung des Zytokins mit einer weiteren Proteineinheit (β-Untereinheit) assoziiert. Die β-Untereinheit übt die Signaltransduktion aus. Anstatt über eine β-Untereinheit signalisieren einige Zytokine (Il-2, IL-7, IL-4, IL-9, IL-15 und IL-21) über die Gamma chain (γc) der Zellmembran. Die Liganden der Klasse-I-Rezeptoren, die Vier-helikalen Zytokine sind eine große Gruppe. Somit ist verständlich, dass viele dieser Zytokine ähnliche funktionelle Aktivitäten haben.

Klasse-II-Rezeptoren

Es handelt sich um die Familie der Interferonrezeptoren. Im Unterschied zu den Klasse-I-Rezeptoren, die zwei extrazelluläre Domänen von jeweils 100 Aminosäuren besitzen, haben die Klasse-II-Rezeptoren nur eine Domäne mit 210 Aminosäuren.

Klasse-III-Rezeptoren

Diese Rezeptoren binden Zytokine der Familie TNF-α. Es handelt sich um zwei Proteine (p55, p75), die beide selbständig als Trimer den Liganden binden und ein intrazelluläres Signal auslösen. Klasse-III-Rezeptoren befinden sich auf vielen Zellen und ihr Aktivitätsspektrum überlappt teilweise. Der p55-Rezeptor übermittelt vorwiegend inflammatorische Signale und der p75-Rezeptor Signale, die für die T-Zellproliferation wichtig sind.

Klasse-IV-Rezeptoren

Sie binden Zytokine der Familie IL-1. Die Rezeptoren haben drei Immunglobulin-ähnliche Domänen. Es existieren zwei Rezeptortypen, der IL-1-RI und der IL-1-RII. Der IL-1-RI überträgt mit Hilfe eines Korezeptors (IL-1 receptor accessory protein, IL-RacP) das IL-1-Signal in die Zelle. Der IL-1-RII ist ein Decoy receptor, er bildet mit IL-RacP einen Komplex, der nicht mehr zur Signalübertragung fähig ist. Somit werden dem Signalweg Korezeptoren entzogen und die IL-1 Information abgeschwächt.

IL-1-Rezeptoren sind mit den Toll-like receptors (TLR) verwandt, die auf Monozyten, dendritischen Zellen und Endothelzellen lokalisiert sind. Die TLR werden durch Bindung bakterieller Strukturen (Lipopolysaccharide, bakterielle DNA, Flagellin) aktiviert und bilden Zytokine.

Expression von Zytokinrezeptoren

Die Verteilung und Dichte der Zytokinrezeptoren in den Geweben ist für die Spezifität der Wirkung von Zytokinen verantwortlich. Da die einzelnen Gewebe nur ein limitiertes Spektrum an Rezeptoren tragen, kommen nur diese als Ziel der Zytokine in Frage. Die Rezeptordichte ist ebenso Mechanismen der Regulation unterworfen wie die Zytokinproduktion selbst. Rezeptoren werden häufig nicht konstitutiv exprimiert, sondern erscheinen erst auf der Zellmembran nach entsprechender Stimulation. Einige Zytokine, wie IL-2, können die Expression ihres eigenen (autologen), Rezeptors IL-2R induzieren. Dies geschieht aber auch durch heterologe Zytokine, so induziert IL-1 ebenfalls die Expression des IL2R.

20.1.2.1 Lösliche Zytokinrezeptoren

Neben Membran-gebundenen gibt es auch lösliche Rezeptoren (sIL-2R, sIL-4R, sIL-6R). Sie entstehen:

• Durch Shedding; darunter verstanden wird die limitierte Proteolyse von Membran gebundenen Proteinen im extrazellulären Bereich. Die Zell gebundenen Rezeptoren werden dadurch zu löslichen Proteinen und erscheinen in der Zirkulation.
• Durch einen eigenen Syntheseprozess (alternatives mRNA splicing) werden schon primär lösliche Rezeptoren in die Zirkulation abgegeben.

Lösliche Zytokinrezeptoren konkurrieren kompetitiv mit den Zell gebundenen Rezeptoren um die Bindung des freien Zytokins /2/. Die Folge ist, dass die Fähigkeit der Zellen reduziert wird, ein Zell spezifisches Signal auszulösen. Auch wird das Rezeptor gebundene Zytokin an einen entfernten Ort getragen und kann dort eine biologische Wirkung ausüben (z.B. sIL-6R und gp 130). Auch kann der lösliche Rezeptor mit den Membran gebundenen Rezeptoren um das Zytokin konkurrieren und wirkt so als Antagonist wie im Fall des sIL-4R. Lösliche Rezeptoren können als Ergebnis einer Zellaktivierung induziert werden und so mit der Aktivität von immun vermittelten Erkrankungen korrelieren.

20.1.3 Signaltransduktion

Etwa 30 % der Zytokine führen die Signaltransduktion über vier Januskinasen und/oder sieben Signal transducers and activators of transcription (STAT)-Faktoren durch. Klasse I- und Klasse-II-Rezeptoren sind intrazellulär mit den Januskinasen (JAK) assoziiert. Bei den JAK handelt es sich um Tyrosinkinasen. Nach Zytokinbindung werden durch Dimerisierung der Rezeptorproteine die JAK aktiviert und sowohl diese selbst als auch die Tyrosinreste der intrazellulären Domäne der Rezeptorproteine phosphoryliert. An den phosphorylierten Rezeptor docken STAT-Faktoren an, die nach Dimerisierung und Translokation in den Zellkern eine Zytokin spezifische Genexpression induzieren Klasse-I- und Klasse-II-Rezeptoren vermitteln ihre Wirkung über STAT3. Siehe Abb. 20.1-1 – Rezeptorkomplex zur Transduktion des IL-6-Signals.

20.1.4 Funktion der Zytokine

Die Zytokine spielen eine wichtige Rolle bei den Vorgängen zur Differenzierung von Zellen und der Kontrolle und Koordinierung des Immunsystems /1, 2/.

Differenzierung von Zellen

Zytokine sind Kontrollproteine während der embryonalen Entwicklung mit der Funktion eine verfrühte Differenzierung zu verhindern und somit die Pluripotenz von Stammzellen aufrecht zu erhalten. So kontrollieren sie beispielsweise die Proliferation und Differenzierung hämatopoetischer Stammzellen in reife Blutzellen (Abb. 20.1-2 – Kontrolle der Hämatopoese durch Zytokine). Entsprechend wird während der Embryonalentwicklung auch die Differenzierung neuronaler Stammzellen und Zellen der Keimbahn reguliert.

Koordination des Immunsystems

Bei Störung der Integrität des Organismus und Auftreten einer Entzündung wirken Zytokine als Mediatoren zwischen den Zellen der Immunabwehr und koordinieren die angeborene und erworbene Immunantwort (Abb. 20.1-3 – Funktion der Zytokine in der angeborenen und erworbenen Immunität). So bedarf die Entzündungsreaktion einer sorgfältigen Kontrolle, um eine unnötige Gewebeschädigung oder eine systemische Manifestation (Systemic inflammatory response syndrome, SIRS) zu vermeiden /3/.

Zytokine werden in der Regel nach Stimulierung kurzzeitig produziert und wirken lokal. Sie können auf die produzierende Zelle oder Zellen des gleichen Typs in autokriner Weise wirken, es können aber auch andere Zelltypen in parakriner Weise stimuliert werden.

Pleiotropie

Zytokine können auf unterschiedlichen Zellen eine differente Wirkung auslösen, ein Vorgang der als Pleiotropie bezeichnet wird. So stimuliert IL-6 am Hepatozyten die Synthese von CRP und hemmt die Synthese von Hepcidin, in der Hämatopoese wirkt es als Differenzierungsfaktor und ist für neuronale Zellen ein Proliferationsfaktor.

Redundanz

Verschiedene Zytokine können auf einer Zielzelle die gleiche Antwort auslösen und sich somit ersetzen. Dieser Vorgang wird als Redundanz bezeichnet. Ein Grund für dieses Phänomen ist, dass unterschiedliche Zytokine den gleichen Rezeptor benutzen. So können neben IL-6 auch Oncostatin und IL-11 die Synthese von CRP aktivieren. Redundante Zytokine sind auch IL-1 und TNF-α. Sie teilen viele Funktionen, stimulieren die Bildung weiterer Zytokine, verursachen Fieber und induzieren die Proliferation von Fibroblasten.

20.1.5 Synthese und Wirkprinzip der Zytokine

Zytokine werden von bestimmten Zelltypen nach Stimulation gebildet /1, 2/. Die Stimulation erfolgt direkt durch Antigene oder Antigen-stimulierte Immunzellen, die dann Zytokine bilden. So sezernieren T-Helferzellen erst nach Aktivierung das IL-2, das stimulierend auf Zellen der Immunabwehr wirkt. Die Aktivierung der T-Helferzellen erfolgt durch das Antigen und durch die von Monozyten produzierten pro-inflammatorischen Zytokine TNF-α, IL-1 und IL-6. Zentrales pro-inflammatorisches Zytokin ist TNF-α, denn es stimuliert nicht nur die Synthese von IL-1 und IL-6, sondern inhibiert auch die Zytokine IL-4 und IL-10 und verstärkt somit die pro-inflammatorischen Signale, die zu einer durch Makrophagen und Granulozyten vermittelten T-Zellaktivierung führen (Abb. 20.1-3 – Funktion der Zytokine in der angeborenen und erworbenen Immunität).

20.1.6 Zytokinnetzwerk

Unter pathologischen Bedingungen werden mehrere Zytokine gleichzeitig gebildet und die Summe ihrer Wirkungen hat einen pro- oder antagonistischen Effekt /1, 2/. Bei diesen Effekten wird die Bildung neuer Zytokine induziert oder die Produktion schon präsenter Zytokine herauf oder herunter reguliert. Häufig kommt es zur Ausbildung einer Zytokinkaskade. So bewirken bei Entzündungsreaktionen Zytokine wie TNF-α oder IL-1 die Produktion zahlreicher weiterer Zytokine. Die in einem Zytokinnetzwerk ablaufenden grundlegenden Mechanismen sind:

• Synergistische oder antagonistische Effekte.
• Rezeptoreffekte.
• Bildung löslicher Rezeptoren.

20.1.6.1 Synergistische und antagonistische Effekte

In Gegenwart mehrerer Zytokine kann es zu synergistischen Effekten kommen, die zu einer Verstärkung des Signals führen. So stimulieren IFN-γ und IL-2 separat die Expression von TNF-α nur unwesentlich, gemeinsam bewirken sie aber eine starke Expression.

IL-4 und IL-5 können zwar beide den Klassenwechsel in B-Zellen zu IgE hin auslösen, sind aber in Kombination deutlich wirksamer.

Eine negative Modulation der Produktion von Zytokinen kann die Synthese bestimmter Zytokine unterbinden. So reduziert IL-10 die Bildung von Tissue factor und die IL-1-Synthese in Monozyten. IFN-γ kann den IL-4 induzierten Klassenwechsel zur Bildung von IgE hemmen, fördert aber gleichzeitig die Synthese von Immunglobulinen der Klasse IgG₂.

Zytokin spezifische Antagonisten kommen auch physiologisch vor. Das IL-1-System besteht aus den zwei strukturell verschiedenen Molekülen IL-1α und IL-1β, die an den Rezeptor IL-1R binden. Ein weiterer Ligand ist der IL-1-Rezeptorantagonist (IL-1Ra). Bindung von IL-1Ra an einen IL-1R führt nicht zu einer Auslösung eines Signals. Der Rezeptor wird durch die Bindung von IL-1Ra blockiert und steht temporär für die Signalübermittlung nicht mehr zur Verfügung. IL-1Ra spielt in der Begrenzung entzündlicher Reaktionen eine Rolle. Ein weiteres Mitglied der IL-1-Familie, IL-18, kann durch ein Bindeprotein (IL-18 bp) in seiner Wirkung inaktiviert werden.

Abhängig vom Antigen, dass die Antigen präsentierende Zelle (APC) der ruhenden T-Zelle (Th0) präsentiert, entscheidet es sich, ob der Th1- oder Th2-Subzelltyp entsteht und welche Zytokine produziert werden. Bei Selektion der Th1-Antwort werden, aktiviert durch IL-12, die Zytokine IL-2, IFN-γ und TNF-α produziert und die Zell vermittelte Immunantwort dominiert. Bei der Selektion der Th2-Antwort werden, aktiviert durch IL-4, die Zytokine IL-5, IL-6, IL-10 und IL-13 produziert und der humoralen Immunantwort der Vorzug gegeben (Abb. 20.1-4 – Entwicklung der Subpopulationen von T-Helferzellen unter Einwirkung von IL-4 bzw. IL-12).

20.1.6.2 Rezeptoreffekte

Rezeptorexpression

Die Effekte von Zytokinen sind auf bestimmte Populationen von Zellen beschränkt. Das geschieht durch die Kontrolle der Expression ihres Rezeptors. Da gewisse Zelltypen nur Rezeptoren für bestimmte Zytokine besitzen oder exprimieren können, sind sie auch nur für diese Zytokine ansprechbar. Da die Rezeptoren vielfach nicht konstitutiv exprimiert werden, sondern erst nach entsprechender Stimulation, ist abhängig von der Situation nur ein bestimmtes Spektrum an Zytokinrezeptoren auf der Oberfläche einer Zelle vorhanden. So wird der IL-2R nur von aktivierten T-Zellen synthetisiert und IL-2-Rezeptoren werden nur nach IL-1-Stimulierung exprimiert /1, 2/.

Nutzung gleicher Rezeptorproteine durch verschiedene Zytokine

Auf Rezeptorebene findet eine Vernetzung der Zytokinsignale auf der Zelloberfläche statt. Das beruht auf der gemeinsamen Nutzung einer Rezeptorpopulation durch verschiedene Zytokine. So haben die Rezeptoren verschiedene Liganden-bindende Untereinheiten. Beispielsweise sind die β-Untereinheiten der Rezeptoren von IL-3 und IL-5 identisch, ein Grund, warum beide Zytokine an beide Rezeptoren binden können.

Effekte der Signaltransduktion

Nach Bindung des Zytokins an den korrespondierenden Rezeptor erfolgt die Übertragung eines Signals. Abhängig von der jeweiligen Situation können die Signale:

• Mehrerer Zytokine die gleiche Reaktion auslösen. Während einer Inflammation werden viele Zytokine gebildet und die Signalvermittlung vieler Zytokine fokussiert sich auf wenige intrazelluläre Moleküle der Signalübertragung. Die Reaktion ist deshalb relativ uniform. Denn die Vier-helikalen Zytokine, die Interferone und Zytokine der IL-10-Familie nutzen alle Moleküle der JAK- bzw. STAT-Signalübertragung.
• Eines Zytokins unterschiedliche Antworten an verschiedenen Zielzellen bewirken. So kann das Signal von TNF-α eine Entzündungsreaktion oder die Apoptose auslösen. IL-1 hat zahlreiche Funktionen bei verschiedenen Zelltypen.

Shedding

Shedding hat im Netzwerk der Zytokine folgende Effekte:

• Die Fähigkeit der Zellen ein Zell spezifisches Signal auszulösen ist reduziert.
• Das Zytokin wird Rezeptor gebunden an eine andere Lokalisation im Organismus transportiert und kann dort wirksam werden. Auch kann das an den löslichen Rezeptor gebundene Zytokin mit dem Zellmembran gebundenen Zytokin konkurrieren.
• Der lösliche Rezeptor-Zytokinkomplex kann an eine neue Zielzelle, die keinen kompletten Rezeptor besitzt, binden und diesen komplettieren. Diese Form der Signalübertragung wird als trans signaling bezeichnet. So bilden durch Shedding entstandene lösliche α-Untereinheiten des IL-6R mit zellgebundenen gp130 einen neuen Rezeptor, wodurch das potentielle Spektrum des IL-6-Signaling erweitert wird.

20.1.7 Zytokinwirkung

Eine Abschätzung der Wirkung von Zytokinen kann auch anhand ihrer biologischen Effekte auf Systeme des Organismus erfolgen, die auf Grund der Zytokinwirkung Indikatormoleküle in das Plasma abgeben. Eine exakte Zuordnung zu einem bestimmten Zytokin ist jedoch nicht möglich. Siehe Tab. 20.1-3 – Charakteristika und Funktion von 30 Zytokinen.

Auf Grund der Wirkung von Zytokinen von sind folgende Indikatormoleküle und entsprechende klinische Aussage möglich:

• C-reaktives Protein; der Anstieg weist auf eine Akute-Phase Reaktion, ausgelöst durch pro-inflammatorische Zytokine, hin.
• Neopterin; eine erhöhte Konzentration erlaubt den Rückschluss auf die IFN-γ-Synthese und somit die Aktivierung des zellulären Immunsystems. Daher ist dieser Parameter gut geeignet für das Monitoring von Patienten mit Virusinfekten, Transplantaten und Tumoren sowie zur Beurteilung der Effektivität einer IFN-γ-Therapie.
• Procalcitonin; dieser Inflammationsmarker wird durch systemische TNF-α-Wirkung induziert. Da sich eine systemische TNF-α-Wirkung auf Situationen wie die Invasion von Endotoxin und vor allem die bakterielle Sepsis beschränkt, ist PCT ein Sepsis-Parameter.
• E-Selectin: Die Höhe der Konzentration von E-Selektin im Plasma ist ein Maß der Zytokin bedingten Aktivierung von Endothelzellen. Hohe Werte treten bei SIRS, Vaskulitiden und der Herzinsuffizienz auf.
• Löslicher IL-2-Rezeptor (sIL-2R); die Konzentration des sIL-2R im Plasma ist der Hinweis auf eine Zytokin-bedingte T-Zellaktivierung. Erhöhte Werte zeigen die Aktivität einer Sarkoidose an und sind zur Therapie- und Verlaufsbeurteilung von T-Zell-Malignomen (akute T-Zell-Leukämie) geeignet.

20.1.8 Diagnostischer Einsatz der Zytokine

Die Bestimmung eines breiten Spektrums der Zytokine hat in der klinischen Diagnostik auf Grund ihrer Pleiotropie und Redundanz keine diagnostische Wertigkeit erlangt. Der diagnostischer Wert einzelner Zytokine beschränkt sich auf bestimmte Fragestellungen, insbesondere in der Diagnostik einer Inflammation.

Einen Überblick zu den etablierten diagnostischen Indikationen der Zytokinbestimmung gibt Tab. 20.1-4 – Indikationen zur quantitativen Bestimmung von Zytokinen und Zytokinrezeptoren.

20.1.8.1 Indikation

• Aktivität einer systemischen Entzündung, Infektions- und Trauma-assoziierte Pathogenesen, Transplantatabstoßung, Immunprozesse, Autoimmunerkrankungen.
• Prognosemarker in der Intensivmedizin (IL-6, IL-8, IL-10).

20.1.8.2 Untersuchungsmaterial

Plasma, Serum, Liquor cerebrospinalis und andere extravaskuläre Flüssigkeiten: 1 ml

20.1.8.3 Bestimmungsmethode

Immunoassays wie der Enzyme-linked immunoassay (ELISA).

20.1.8.4 Bewertung

Zytokine üben ihre biologische Wirkung bei Konzentrationen im pikomolaren Bereich aus und ihre biologische Halbwertszeit in Blut und Körperflüssigkeiten ist kurz und liegt für die meisten Zytokine im Minutenbereich (Ausnahme z.B. IL-12) /4/. Ursachen der kurzen Halbwertszeit sind die Bindung an Zellmembran gebundene Rezeptoren, an Plasmaproteine, an lösliche Rezeptoren, der proteolytische Abbau und die Eliminierung über die Nieren. Hinzu kommt, dass Zytokine nach Stimulation meist nur für wenige Stunden und im Allgemeinen lokal und nicht systemisch produziert werden. Die Beurteilung der Konzentration im Plasma/Serum und im Liquor cerebrospinalis ist problemlos möglich. Zur Beurteilung der Konzentration von Zytokinen in der bronchoalveolären Lavage (BAL) sind konstante Spülvolumina erforderlich.

Einen wesentlichen Einzug hat die Bestimmung von Zytokinen routinemäßig nur in der Intensivmedizin und der Transplantationsmedizin.

In der Intensivmedizin liegt ein wesentliches Problem darin, die Entwicklung einer lokalen Entzündung (Infektions- oder Trauma-bedingt) zum SIRS frühzeitig zu erkennen. Die Entwicklung wird begleitet durch eine Anstieg der pro-inflammatorischen Zytokine TNF-α, IL-1, IL-6 und IL-8 im Plasma. Hohe Konzentrationen von IL-6 und IL-8 sind mit einem SIRS assoziiert, persistierend hohe Werte mit einer schlechten Prognose /5/.

Zur Frühdiagnostik immunologischer Komplikationen nach Organtransplantation werden zur Erkennung einer Rejektionskrise IL-6, IFN-γ und TNF-α bestimmt. Die diagnostischen Sensitivitäten betragen 90–95 % bei einer Spezifität von 40–60 % /6/.

20.1.8.5 Hinweise und Störungen

Blutentnahme

Ein Anstieg der Zytokine tritt auf bei der Aktivierung von Immunzellen, bei der Blutgerinnung und dem Kontakt mit dem Spritzenmaterial. Deshalb ist die Zytokinbestimmung aus Plasma (Heparin, EDTA) zu empfehlen. Die Separation des Plasmas von den Blutzellen sollte innerhalb von 4 h erfolgen und die Proben sollten bis dahin kühl gelagert werden. Manche Tests werden durch Antikoagulantien (besonders EDTA) beeinträchtigt. Generell müssen die Vorschriften der Hersteller des Testkits beachtet werden.

Bestimmungsmethode

Tests unterschiedlicher Hersteller zum Nachweis des gleichen Zytokins erbringen oft differente Ergebnisse obwohl die Kalibration sich auf internationale Zytokinstandards (NIH/WHO-Standards) bezieht. Ursachen für differente Resultate beruhen auf einer unterschiedlichen Epitopspezifität und auf der Affinität der im Testkit verwendeten Antikörper.

Viele Zytokine sind nur als Dimer oder Trimer biologisch aktiv. Jedoch erkennen manche ELISA auch noch die biologisch inaktiven Monomere oder proteolytische Spaltprodukte. Dies muss für die Diagnostik aber nicht von Nachteil sein, da die Halbwertszeit des biologisch aktiven Zytokins in vivo so kurz ist, dass es oft dem Nachweis entgeht. Der Nachweis von Spaltprodukten, der viel lang andauernder nach einer zeitlich limitierten Zytokinfreisetzung möglich ist, gibt jedoch einen Hinweis auf die Historie einer Zytokinfreisetzung in den letzten Stunden oder gar Tagen. Dies ist besonders für den Nachweis von TNF-α ausführlich untersucht worden /6/.

Die Nachweisempfindlichkeit der Immunoassays liegt bei unter 10 pg/ml, in einigen Assays sogar bei unter 1 pg/ml, so dass auch Konzentrationen von Zytokinen im Plasma/Serum Gesunder gemessen werden können.

Hämolyse

IL-8 wird an den Duffy-Rezeptor von Erythrozyten gebunden. Eine Hämolyse führt zur Freisetzung großer Mengen an IL-8 und zu falsch-hohen Werten von IL-8 im Plasma oder Serum.

Stabilität

Die Messung sollte innerhalb von 4 h nach Blutentnahme erfolgen. Im Serum/Plasma sind Zytokine bei –70 °C über Jahre haltbar.

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20.2 Interleukin-6 (IL-6)

Lothar Thomas

IL-6 ist ein multifunktionelles Zytokin mit einem breiten Bereich von biologischen Aktivitäten an Zielzellen/1, 2, 3/. Es reguliert Immunfunktionen, die Akute-Phase Reaktion und hat Einfluss auf die Hämatopoese und den Metabolismus des Knochens. Die Signalübertragung von IL-6 erfolgt über den IL-6 Rezeptor, der aus zwei funktionellen Proteinen der Zellmembran besteht:

• Dem 80 kDa bestehenden Liganden bindenden Protein, auch als IL-6 Rezeptor (IL-6R), IL-6R alpha Kette oder CD126 bezeichnet.
• Der 130 kDa, nicht Liganden bindenden, zur Signal übertragende Kette gehörenden Komponente, bekannt als Glykoprotein 130 (gp130), IL-6R β-Kette oder CD130.

In Zellen, die genügend IL-6R in der Zellmembran enthalten, bindet IL-6 an diese Rezeptoren, der IL-6/IL-6R Komplex induziert eine Homodimerisierung des Moleküls gp130 und ein hoch affiner funktioneller Komplex aus IL-6, IL-6R and gp130 wird gebildet.

In Zellen die nur ungenügend IL-6R in der Zellmembran haben beginnt die IL-6 vermittelte Signalübertragung mit der Bindung von IL-6 an die ungebundene gelöste Form des IL-6R (sIL6-R). Dieser Form fehlt der membranöse und intrazytoplasmatische Anteil des 80kDa IL-6R Moleküls. Somit kann sowohl der Membran-gebundene IL-6R, als auch die ungebundene Form ein Signal des IL-6 in die Zelle tragen, wenn die Zellmembran das gp130 exprimiert. Beträchtliche Mengen von sIL-6R sind im Serum und den Körperflüssigkeiten enthalten.

IL-6 spielt physiologisch eine wichtige Rolle, aber eine nicht regulierte Überproduktion kann pathologische Zustände bewirken wie inflammatorische, autoimmune und lymphoproliferative Störungen. Tocilizumab ist ein gegen IL-6 gerichteter Antikörper und hemmt kompetitiv die IL-6 Wirkung. Tocilizumab ist wirksam in der Behandlung der rheumatoiden Arthritis und der Castleman disease /3/.

20.2.1 Indikation

• Diagnostischer und prognostischer Parameter bei Trauma, SIRS, Sepsis und bei kritisch kranken Patienten.
• Frühdiagnostik der neonatalen Sepsis.
• Nach isoliertem Schädel-Hirn Trauma.
• Verlaufsbeurteilung bei ARDS und künstlicher Beatmung.

20.2.2 Bestimmungsmethode

Immunoassays, vorwiegend ELISA-Verfahren.

20.2.3 Untersuchungsmaterial

Plasma, Serum, Liquor cerebrospinalis, Broncho-alveoläre Lavage: 0,5–1 ml

20.2.4 Referenzbereich

20.2.5 Bewertung

Wesentlich sind die Funktionen von IL-6 im Ablauf der Entzündung durch Kontrolle, Differenzierung, Proliferation, Migration und Apoptose von Zielzellen. IL-6 hat aber auch wichtige Funktionen im Metabolismus, der embryonalen Entwicklung und des immunologischen Gedächtnisses.

Siehe auch Tab. 20.2-1 – Aktivierende Funktionen von IL-6.

IL-6 ist ebenfalls von Bedeutung:

• Als wesentlicher Faktor in der Pathologie der Anämie chronischer Erkrankungen (anemia of chronic disease, ACD), denn IL-6 induziert die vermehrte Bildung von Hepcidin, das einen funktionellen Eisenmangel bewirkt (Beitrag 7.6 – Hepcidin). Dieser führt zu einer Eisenmangel-Erythropoese, da Hepcidin den Eisentransporter Ferroportin hemmt. Als Folge resultiert eine mangelnde Eisenresorption und ungenügende Eisenfreisetzung aus den Speichern (Hepatozyten und retikuloendotheliales System), wodurch die Eisenkonzentration im Serum erniedrigt ist /4/.
• IL-6 verstärkt die Expression des Zinkimpoters ZIP14 der Hepatozyten und führt somit zu einem Zinkmangel im Serum, der bei einer Entzündung gemessen wird.
• Im Knochenmark verstärkt IL-6 die Megakaryozytenreifung mit der Folge einer Vermehrung der Thrombozyten.
• IL-6 stimuliert die Differenzierung naiver CD4+T-Zellen, wodurch die angeborene und erworbene Immunität verlinkt werden.
• IL-6 wird in den Stromazellen des Knochenmarks gebildet. Es erfolgt die Aktivierung von RANKL. Dieser Faktor ist unverzichtbar für die Differenzierung und Aktivierung von Osteoklasten (Beitrag 6.1 – Knochenstoffwechsel).

20.2.5.1 Akute Inflammation

IL-6 ist ein Frühmarker der Inflammation. Siehe:

• Tab. 20.2-2 –Verhalten von IL-6 bei Erkrankungen und weiteren Zuständen.
• Tab. 20.2-3 –Anti- und proinflammatorische Aktivitäten des IL-6 Rezeptors

Erhöhte Werte sind schon 24–48 h vor dem Auftreten klinischer Symptome wie Fieber messbar. In der Frühphase der Inflammation ist IL-6 anderen Inflammationsmarkern wie Leukozytenzahl, CRP und Procalcitonin überlegen. Bei einer systemischen Infektion erkennen Immunzellen wie Monozyten/Makrophagen und dendritische Zellen über ihre Toll-like receptors molekulare Strukturen von grampositiven Bakterien (Pathogen-associated molecular patterns, PAMPS) und das Lipopolysaccharid gramnegativer Bakterien. Immunzellen bilden IL-6, vermittelt durch TNF-α. IL-6 steigt nach 1 h an und kann bis zu 48 h erhöht sein (Abb. 20.2-1 – Anstieg und Abfall von IL-6 nach einem inflammatorischen Stimulus durch Injektion von Lipopolysaccharid).

Auch Nicht-Immunzellen wie Endothelzellen, Keratinozyten und Fibroblasten werden durch nicht infektiöse Faktoren wie Hypoxie direkt stimuliert und führen zu einer längerfristigen (24–72 h) Produktion von IL-6. Deshalb kann ein erhöhter IL-6-Wert auf infektiöser oder nicht-infektiöser Genese beruhen. Hohes IL-6 bei persistierend niedrigem TNF-α ist eher auf eine Hypoxie und nicht-infektiöse Faktoren, als auf eine Infektion hinweisend /5/.

Während IL-6 bei einer komplikationslosen Inflammation durch Gewebeschädigung (postoperativ) rasch wieder abfällt, weisen hoch bleibende Werte auf eine infektiöse Komplikation hin. Die IL-6-Konzentration und der Verlauf sind von dem Schweregrad der Inflammation und der auslösenden Ursache abhängig. Die relative Änderung von IL-6 während der Inflammation ist diagnostisch bedeutsam.

Es gibt keine klaren Grenzwerte von IL-6 für die Ursache und das Ausmaß einer akuten Inflammation. Denn die interindividuellen Schwankungen der IL-6-Freisetzung sind, bedingt durch die phasenweise Freisetzung anti-inflammatorischer Zytokine, erheblich. Somit hat die IL-6 Bestimmung vorwiegend eine Bedeutung in der individuellen Verlaufsbeurteilung.

Generell gilt aber schätzungsweise:

• Werte < 10 ng/l schließen die akute Inflammation aus.
• Konzentrationen ≤ 150 ng/l sind durch lokale Infektionen wie Pyelonephritis, Pneumonie oder Abszess bedingt.
• Werte > 150 ng/l sind auf eine systemische Inflammation (SIRS, Sepsis) hinweisend.
• Konzentration ≥ 1.000 ng/l charakterisieren den Patienten mit hohem Risiko einer schweren Sepsis, insbesondere, wenn die Werte mehr als 3 Tage persistieren.

Untersuchungen des Verlaufs haben eine höhere Aussagekraft als Einzelbestimmungen, ausgenommen sind die neonatale Sepsis und extrem hohe IL-6-Werte nach Trauma, bei SIRS und Sepsis. Sie sind prognostisch ungünstig.

Im sogenannten cytokine storm, einer potentiell fatalen Immunreaktion, verursacht durch eine Hyperaktivität von Immunzellen, wird ein starker Anstieg von IL-6 gemessen, ohne dass es zu einem Anstieg anderer Inflammationsmarker kommt.

20.2.5.2 Neonatale Sepsis

Zum Nachweis der neonatalen Sepsis ist die deutlich erhöhte Konzentration von IL-6 im Nabelschnurblut ein guter Indikator. Das gilt auch für hohe IL-6-Konzentrationen im Plasma von kritisch kranken Kindern mit Verdacht auf SIRS und Sepsis. Eindeutige Erhöhungen von CRP sind erst 24–36 h später messbar. Generell ermöglicht die Bestimmung von IL-6 eine frühzeitigere Intervention als andere Inflammationsmarker.

20.2.5.3 Chronische Inflammation

Die Bedeutung von IL-6 für die Diagnostik der Aktivität chronischer Entzündungen ist weniger klar, da nur wenige Vorteile gegenüber den protrahiert reagierenden indirekten Entzündungsmarkern wie CRP bestehen.

20.2.5.4 Nicht-inflammatorische IL-6-Antwort

Isoliert hohes IL-6, vor allem über mehrere Tage anhaltend, deutet auf eine Aktivierung nicht-immunologischer Zellen hin. Dies kann Folge einer direkten Interaktion von Bakterien und deren Produkte (LPS) mit Endothelzellen und Keratinozyten sein.

Gewebehypoxie und -trauma verursachen ebenfalls die Freisetzung von IL-6 aus nicht immunologischen Zellen. Daher ist die IL-6-Konzentration ein guter Marker zur Einschätzung des Ausmaßes einer Organschädigung bei SIRS und der peripheren Hypoxie. Das erklärt die Indikation der IL-6-Messung vor allem in der Intensivmedizin.

Zustände, die ebenfalls mit Erhöhungen von IL-6 einhergehen sind die Schwangerschaft und das ovarielle Hyperstimulations-Syndrom (OHSS). IL-6 steigt in der Schwangerschaft im Trimenon 1 und 2 kontinuierlich an und zeigt im Plasma mediane Werte um 50 ng/l, im Fruchtwasser ist die Konzentration 100 fach höher. Beim OHSS betragen die Werte im Plasma über 100 ng/l und sind in der Peritonealflüssigkeit bzw. dem Ascites 20–50 fach höher/6/.

Bei sterilen operativen Eingriffen geht der Anstieg von IL-6 dem Anstieg der Körpertemperatur und der Akute-Phase Proteine voraus.

20.2.6 Hinweise auf Störungen

Bestimmungsmethode

Ein Grund für unterschiedliche Werte mit den Tests verschiedener Hersteller beruht darauf, dass IL-6 als Monomer, Dimer oder Multimer auftritt oder aber gebunden an weitere Proteine wie CRP oder den löslichen IL-6-Rezeptor. Es ist fraglich, ob ein Test nur das freie IL-6 oder welchen zusätzlichen Anteil des IL-6-Spektrums erfasst.

Einflussgrößen

Antikörpertherapien (OKT 3, ATG) führen zu einem Anstieg mit falsch-positiven Werten. Ebenso finden sich in den ersten 2–3 Tagen nach Operationen erhöhte Konzentrationen ohne sichtbare klinische Relevanz.

Stabilität

Plasma und Zellen sollten innerhalb von 4 h separiert werden. Bei Aufbewahrung über 1 Tag ist eine Lagerung bei –20 °C empfehlenswert, bei Aufbewahrung über 1 Woche bei –70 °C. Ähnliches trifft für Proben aus anderen Körperflüssigkeiten zu.

20.2.7 Pathophysiologie

Biologische Effekte von IL-6

Die IL-6 Zytokin Familie hat folgende Mitglieder IL-11, IL-27, IL-31, OSM, leukemia inhibitory factor (LIF9 cardiotrophin-1 (CT-1) cardiotrophin-like cytokine CLC) , neuropoietin/cardiotrophin2 (NP) and CTNF.

IL-6 besteht aus 212 Aminosäuren und gehört zur Familie der Vier-helikalen Zytokine. Das Gen IL-6 ist auf dem Chromosom 7p21 lokalisiert und hat glucocorticoid- responsive elements. Erhöhungen der Glucokortikoid-Konzentration aus Krankheits bedingter Ätiologie oder die Therapie mit Glucokortikoiden unterdrücken die Produktion von IL-6 und somit auch von CRP.

IL-6 wird von einem breiten Spektrum von Immunzellen gebildet, insbesondere Makrophagen, dendritischen Zellen, Lymphozyten, Endothelzellen, Fibroblasten und Muskelzellen . Die Funktionen von IL-6 werden meist als pro-inflammatorisch bezeichnet und als wesentliche Funktion die Vermittlung der Akute-Phase Reaktion angesehen. Daneben übt IL-6 aber noch weitere Aktionen aus. So hat es wichtige Aufgaben im Immunsystem bei der Reifung von Immunzellen, der Aktivierung von T-Zellen und der Bildung von Immunglobulinen durch B-Zellen. Auch aktiviert es Endothelzellen zur Produktion von Chemokinen und Adhäsionsmolekülen und rekrutiert somit Leukozyten an den Entzündungsherd /5/.

Bei der T-Zellaktivierung spielt IL-6 eine regulierende Rolle. Es gibt drei Gruppen von Effektorzellen (T-regulatorische Zellen) /7/:

• Th1 Zellen. Sie bilden große Mengen von Interferon-gamma, induzieren eine Hypersensitivitätsreaktion, aktivieren Makrophagen und sind wichtig für die Abwehr von intrazellulären Pathogenen.
• TH2-Zellen. Sie produzieren Il-4 und sind wichtig für die Produktion von IgE und die Rekrutierung von Eosinophilen an den Ort der Inflammation, z.B. zur Abwehr einer parasitären Infektion.
• TH17-Zellen. Sie bilden eine Reihe von Zytokinen, z.B. IL-17, aber kein Interferon-gamma oder IL-4. IL-17 ist ein pro-inflammatorisches Zytokin das an dem Zusammenspiel einer spezifischen Immunantwort teilnimmt /7/.

Siehe auch Abb. 20.2-2 – Zytokin-aktivierte Transformation ruhender T-Helferzellen in verschiedene CD4+-T-Zellsubtypen).

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20.3 Interleukin-8 (IL-8)

Lothar Thomas

IL-8 ist ein Mitglied der Chemokinfamilie CXC der Zytokine. Es wird zwar von vielen Zelltypen produziert, aber hauptsächlich handelt es sich um Leukozyten. Die IL-8 Produktion wird von verschiedenen Signalen stimuliert wie bakteriellen Lipopolysacchariden oder anderen pro-inflammatorischen Signalen. IL-8 ist wichtig in der Immunabwehr, da es die Rekrutierung von Granulozyten und Monozyten an den Ort der Entzündung vermittelt. IL-8 ist in unterschiedliche systemische inflammatorische Erkrankungen involviert /1/.

Durch eine Hämolyse wird die Konzentration im Plasma erheblich beeinflusst. Das Gesamt-IL-8 im Blut wird im Hämolysat bestimmt.

20.3.1 Indikation

• Frühdiagnostik der neonatalen Sepsis.
• Prognosemarker bei Trauma, SIRS und Sepsis.
• Prognostische Bedeutung in der BAL-Flüssigkeit für die Frühdiagnose eines akuten Lungenversagens (ARDS) nach Trauma oder Verbrennung.

20.3.2 Bestimmungsmethode

Immunoassays, vorwiegend ELISA-Verfahren.

20.3.3 Untersuchungsmaterial

• Plasma: 0,1–1 ml
• EDTA-Blut: 0,05–1 ml

Für die Herstellung des Hämolysats werden im Labor 0,05 ml Vollblut mit 0,05 ml Hämolyselösung versetzt.

• Bronchoalveoläre Lavage (BAL)-Füssigkeit: 5 ml

20.3.4 Referenzbereich

20.3.5 Bewertung

IL-8 ist ein Marker der Aktivierung von Immunzellen und einer akuten Entzündung unterschiedlichster Genese. Wie bei IL-6 ermöglichen auch erhöhte Werte von IL-8 keine differentialdiagnostischen Aussagen. Untersuchungen des Verlaufs haben eine größere Aussagekraft als Einzelbestimmungen. Eine Ausnahme sind die neonatale Sepsis und hohe IL-8-Werte in der BAL-Flüssigkeit beim beginnenden ARDS.

Isoliert hohes IL-8 mit gering oder nicht erhöhter TNF-α-Konzentration, aber kombiniert mit hohen IL-6-Werten, vor allem über mehrere Tage anhaltend, deuten auf die Aktivierung nicht-immunologischer Zellen hin. Dies kann Folge einer Gewebehypoxie, oder eines malignen Tumors sein.

Die Bedeutung von IL-8 für die Diagnostik der Aktivität chronischer Entzündungen oder von Organerkrankungen wie z.B. der Schilddrüse oder der Leber ist weniger eindeutig. In Tab. 20.3-1 – Verhalten von IL-8 bei Erkrankungen und Zuständen sind Beispiele von Erkrankungen und Zuständen aufgezeigt, bei denen IL-8 von diagnostischer Bedeutung ist oder werden könnte.

20.3.6 Hinweise auf Störungen

Bestimmungsmethode

Leichte Hämolysen führen zu einer Erhöhung der IL-8-Konzentration, wenn die Bestimmung im Plasma oder Serum erfolgt. Auch ist die IL-8-Konzentration im Plasma positiv mit dem Hämatokrit korreliert, nicht aber bei der Bestimmung im Hämolysat /8/.

Stabilität

Plasma und Zellen sollten innerhalb von 4 h separiert werden. Bei Aufbewahrung über 1 Tag ist eine Lagerung von Plasma bei –20 °C empfehlenswert, die Aufbewahrung über 1 Woche muss bei –70 °C erfolgen. Ähnliches trifft für Proben aus anderen Körperflüssigkeiten zu.

20.3.7 Pathophysiology

IL-8 ist ein Protein des Molekulargewichts von 8,4 kDa und wird von Makrophagen, Endothelzellen und neutrophilen Granulozyten gebildet. Es gehört zur Familie der CXC-Chemokine und signalisiert über die beiden Rezeptoren CXCR1 und CXCR2 der Zellmembran. IL-8 ist ein Chemoattractant für neutrophile Granulozyten und involviert in die Angiogenese, Zellproliferation und Apoptose. Die erhöhte Expression von IL-8 und seiner Rezeptoren wird bei der Gewebeinfiltration von Leukozyten, in Tumor-assoziierten Makrophagen und in Krebszellen gemessen.

IL-8 wird wie IL-6 reguliert, 1–3 h nach Endotoxininvasion sezerniert und sofort an seine korrespondierenden Rezeptoren auf den neutrophilen Granulozyten gebunden. Die Halbwertszeit beträgt unter 4 h.

Nur ein kleiner Teil des im Plasma befindlichen IL-8 liegt in freier Form vor, denn 97 % sind an zelluläre Rezeptoren wie die Duffy-antigen related chemokine receptors (DARC) gebunden /3/. Das DARC-gebundene IL-8 ist biologisch inaktiv gegenüber den neutrophilen Granulozyten, kann aber wieder freigesetzt werden durch Pathogene oder wenn es durch andere Zytokine verdrängt wird. Etwa 85 % des IL-8 im Blut liegen an Erythrozyten gebunden vor.

Literatur

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20.4 Tumornekrosefaktor-α (TNF-α)

Lothar Thomas

TNF-α ist ein zytotoxisches Zytokin, das den apoptotischen Zelltod induziert unter Aktion mit seinem Rezeptor TNFR1. Die Bindung von TNF-α an TNFR1 ermöglicht der TNF Rezeptor-1-assoziierten death domain (TRADD) spezifisch mit der death domain von TNFR1 zu interagieren Diese dient als Plattform zur Aktivierung verschiedener Signalmoleküle. TNF-α hat eine wichtige Funktion in der Apoptose von Zellen /1/.

20.4.1 Indikation

• Überschießende Entzündungsreaktion bei Sepsis und Trauma.
• Aktivitätsdiagnostik chronischer Entzündungen, z.B. rheumatoide Arthritis.
• Multiple Sklerose (Bestimmung im Liquor cerebrospinalis).
• Differenzierung der bakteriellen Meningitis von anderen Meningitiden (Bestimmung im Liquor cerebrospinalis).

20.4.2 Bestimmungsmethode

ELISA oder Lumineszenz-Immunoassay. Es werden zwei Antikörper eingesetzt, die gegen verschiedene Epitope von TNF-α gerichtet sind. Unterschieden werden:

• Kommerzielle Tests. Sie erfassen nur das bioaktive soluble TNF-α (sTNF-α).
• Gesamt-TNF-α. Sie erfassen transmembranöses TNF-α (tmTNF-α) und sTNF-α.

20.4.3 Untersuchungsmaterial

Heparin- oder EDTA-Plasma, Serum: 1 ml

20.4.4 Referenzbereich

20.4.5 Bewertung

Lokale, durch TNF-α vermittelte Signale sind für die normale Entwicklung und Funktion des Immunsystems erforderlich /2/.

Die systemische Freisetzung von TNF-α durch aktivierte Makrophagen modifiziert die anti-koagulatorischen Eigenschaften von Endothelzellen, aktiviert neutrophile Granulozyten und induziert die Produktion anderer Zytokine.

Die exzessive Produktion von TNF-α führt zu schweren inflammatorischen Reaktionen, Gewebeschädigung und Schock.

Die chronisch leicht erhöhte Produktion von TNF-α trägt zur chronischen Entzündung, Fieber, Anämie und neurologischen Erkrankungen bei. Bei herzinsuffizienten Patienten charakterisiert ein erhöhtes TNF-α eine Subgruppe mit ausgeprägter Kachexie und deutlich schlechterer Prognose /3/. Eine erhöhte Konzentration von TNF-α erlaubt keine differentialdiagnostischen Schlussfolgerungen, sondern ist lediglich ein Marker für einen ablaufenden Entzündungsprozess unterschiedlichster Genese.

Nach akuter Aktivierung wird TNF-α nur kurzfristig (< 6 h) sezerniert, bei aktivierten Mastzellen nur in einem einzelnen Schuss. Die Halbwertszeit im Plasma beträgt < 5 Minuten. Der Nachweis von bioaktivem TNF-α-Homomonomer (sTNF-α) bedeutet, dass dies innerhalb der letzten 4–6 h produziert wurde, tmTNF-α lässt sich oft noch 24 h und länger nachweisen. Damit haben beide Testsysteme eine unterschiedliche Aussage:

• Der Nachweis von sTNF deutet auf eine kurzfristig abgelaufene oder noch laufende systemische Entzündung.
• Der Nachweis nur von tmTNF zeigt an, dass eine inflammatorische Reaktion in den letzten 1–2 Tagen stattgefunden hat.

Erkrankungen und Zustände mit erhöhtem TNF-α sind in Tab. 20.4-1 – Verhalten von TNF-α bei Erkrankungen und Zuständen aufgeführt.

Das Verhalten von TNF-α in Relation zu weiteren Markern einer Inflammation in der Beurteilung der entzündlichen Aktivität unter der Therapie mit Methotrexat ist aufgeführt in Tab. 20.4-2 – TNF-α und andere Inflammationsmarker vor und unter Methotrexat-Therapie der rheumatoiden Arthritis

20.4.6 Hinweise auf Störungen

Bestimmungsmethode

Die Präsenz löslicher Rezeptoren von TNF-α in der zu untersuchenden Probe kann die Immunoassays stören, in dem sie zum einen eine den TNF-α stabilisierende Bindung eingehen, zum anderen durch Kompetition mit den Capture-Antikörpern den Immunoassay stören /4/.

Stabilität

Im Liquor cerebrospinalis bei –70 °C etwa 5 Jahre, bei –20 °C und +4 °C jeweils 190 und 90 Tage /5/.

20.4.7 Pathophysiologie

TNF-α is ein Mitglied der Zytokin-Superfamilie mit gut charakterisierten Funktionen in Bezug auf das Überleben von Zellen, der Differenzierung, der Apoptose und der Antwort auf eine Inflammation /2, 5/.

TNF-α wird als monomeres Typ 2 transmembranes Pro-Protein (tmTNF) aus 233 Aminosäuren synthetisiert und hat ein MG von 26 kD. Der zytoplasmatische Anteil des tmTNF wird von dem TNF-α converting enzyme (TACE), einer Metalloprotease, abgespalten unter Freisetzung von sTNF, einem Peptid mit 157 Aminosäuren und einem MG von 17 kD. Zur Ausübung einer Signalfunktion aggregieren drei sTNF oder drei mTNF zu einem Homotrimer unter Bildung einer Kegelform /5/. Das den TNF-α kodierende Gen ist im MHC-Locus auf Chromosom 6 zwischen 6p21.1 und 6p21.3 lokalisiert.

Immunzellen, insbesondere Makrophagen, aber auch dendritische Zellen, NK-Zellen, T- und B-Zellen, Mikroglia, Astrozyten und bestimmte neuronale Zellen produzieren beide molekularen Formen des TNF-α (sTNF und tmTNF) nach Aktivierung. Beide Formen sind biologisch aktiv und ihr Verhältnis im Blut ist vom Zelltyp, dessen Aktivierungsstatus und dem Stimulus, der die Produktion von TNF-α triggert, abhängig.

TNF-α übt pleiotrope Funktionen aus in der Immunität, der Inflammation, der Zellproliferation und der Apoptose.

TNF-α (sTNF und tmTNF) reagiert mit zwei strukturell ähnlichen, aber funktionell verschiedenen Rezeptoren (TNFR), und zwar TNFR1 (p55, CD120a) und TNFR2 (p75, CD120b) /2, 5/. Die trimäre Struktur der Rezeptoren gleicht derjenigen des aktiven TNF-α. Die TNFR sind transmembrane Proteine, die aus zwei identischen Untereinheiten bestehen. Die extrazelluläre Domäne enthält 3er bis 6er Sequenzen Cystin-reicher Aminosäuren /5/. Siehe auch Abb. 20.4-1 – Produktion von TNF-α und Reaktion mit Zielzellen.

TNFR1 wird konstitutiv von nahezu allen Körperzellen, außer den Erythrozyten exprimiert und enthält eine 60 Aminosäuren lange zytoplasmatische Sequenz die als Death domain bezeichnet wird. Diese Domain ist erforderlich zur Transduktion eines apoptotischen Signals. TNF-α bindet bevorzugt an TNFR1.

TNFR2 ist induzierbar und wird von Endothelzellen, Immunzellen und einigen Populationen neuronaler Zellen gebildet. Die Signaltransduktion über diesen Rezeptor aktiviert pro-inflammatorische Signale und Überlebenssignale. TNFR2 haben keine Death domain und aktivieren deshalb keine die Apoptose einleitende Caspasen. Die tmTNF-α binden bevorzugt an TNFR2.

Der prinzipielle Weg zur Übermittlung von Signalen führt zur Aktivierung von Nuclear factor Kappa B mit nachfolgender Transkription pro-inflammatorischer und anti-apoptotisch wirkender Gene, während ein besonderer Weg zur Apoptose führt. Der erfolgt über die Aktivierung der Caspasen 8 und 3 (programmierter Zelltod) /6/.

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20.5 Löslicher IL-2-Rezeptor (sIL-2)

Lothar Thomas

Nach Aktivierung setzen T-Zellen den löslichen Interleukin-2 Rezeptor (sIL-2R) frei und eine Anzahl von Zytokinen wie IL-2 und IL-4. Diese sind involviert in die Verstärkung und Modulation des Netzwerks von Immunzellen und induzieren die Proliferation von B-Zellen.

Erhöhte Konzentrationen von sIL-2R im Serum werden bei zahlreichen Autoimmunerkrankungen gemessen wie der rheumatoiden Arthritis, dem systemischen Lupus erythematodes, der Kawasaki-Erkrankung, bei Transplantierten kurz vor Abstoßung des Transplantats, bei viralen Infektionen wie HIV, Hepatitis, hämatologischen Neoplasien und Lungentumoren, und auch bei Patientinnen mit Präkanzerose oder Krebs der Zervix /1, 2, 3/.

Erfolgt die Bestimmung von sIL2-R mit Immunoassays, so ist der detektierende Antikörper gegen die α-Kette des sIL2R gerichtet. Diese Tests werden als IL-2Rα Assays bezeichnet

20.5.1 Indikation

• Nach Organtransplantation (Früherkennung von Komplikationen wie Abstoßungsreaktion oder Infektion).
• Aktivitätsbeurteilung der Sarkoidose.
• Aktivitätsbeurteilung lymphoproliferativer Erkrankungen.

20.5.2 Bestimmungsmethode

Enzyme-linked Immunoassay. Bei einem Sandwich-Enzyme-linked Immunoassay werden zwei monoklonale Antikörper gegen IL-2Rα eingesetzt. Der erste ist an die Kavität der Mikrotiterplatte gebunden, der Zweite mit Meerrettichperoxidase konjugiert. Nach Bindung von IL-2Rα an die Antikörper der Kavität und einem Waschschritt, werden die Kavität gebundenen IL-2Rα-Moleküle durch den konjugierten Antikörper markiert.

20.5.3 Untersuchungsmaterial

• Heparinplasma, Serum: 1 ml
• Liquor cerebrospinalis: 0,5 ml

20.5.4 Referenzbereich

• Plasma/Serum: 112–502 U/ml /4/
• Liquor cerebrospinalis (in zytologisch normalen Proben): ≤ 10 U/ml /3/

1 U entsprechen 3,3 pg.

20.5.5 Bewertung

Erhöhte Konzentrationen an sIL-2Rα sind der Indikator für einen aktiven zellvermittelten Immunprozess (Tab. 20.5-1 – Ursachen erhöhter sIL-2R-Werte). Der Nachweis im Plasma/Serum dient zur Beurteilung der Aktivität bestimmter Erkrankungen. Signifikante Erhöhungen werden bei Transplantatabstoßung, Autoimmunerkrankungen, Neoplasien, Infektionen, der Behandlung mit IL-2 und im Endstadium chronischer Nierenerkrankungen diagnostiziert /4/. Die erhöhte sIL-2Rα-Konzentration erlaubt keine differentialdiagnostische Aussagen, sondern ist nur ein Marker für eine zelluläre Immunaktivierung unterschiedlichster Genese.

In der klinischen Diagnostik ist sIL-2Rα ein brauchbarer Marker:

• In der nicht invasiven Aktivitätsdiagnostik der Sarkoidose und zuverlässiger als Angiotensin-Converting Enzyme. Siehe Beitrag 1.5 – Angiotensin-Converting Enzyme (ACE).
• Ein frühes Alarmzeichen für beginnende Komplikationen nach Organtransplantation, wobei über die Art der Komplikation (Infektion, Rejektion) keinerlei Aussagen getroffen werden können.
• Ein guter Parameter zur Untersuchung des Verlaufs (Rezidiverkennung) IL-2R-positiver T-Zell-Neoplasien.

Einzelbestimmungen sind nur begrenzt sinnvoll, oft sind nur Untersuchungen des Verlaufs aussagekräftig. Das Verhalten von IL-2R bei ausgewählten Erkrankungen und Zuständen ist aufgezeigt in Tab. 20.5-2 – Verhalten von sIL-2R bei Erkrankungen und Zuständen.

20.5.6 Hinweise und Störungen

Bestimmungsmethode

Bestimmt wird immer die α-Kette des IL-2R, unabhängig davon, ob der Test sIL-2R oder sIL-2Rα genannt wird. Die mit verschiedenen kommerziellen Tests gemessenen Werte zeigen eine akzeptable Vergleichbarkeit.

Referenzbereich

Bis zum 6. Lj. ist die sIL-2Rα Konzentration von Kindern höher als von Erwachsenen, fällt bis zum Alter von 17 Lj. und erreicht dann die Werte Erwachsener /5/. Ältere Menschen haben in der Tendenz höhere Werte als junge Erwachsene.

Stabilität

Bei Aufbewahrung über 1 Tag ist eine Lagerung bei –20 °C empfehlenswert.

20.5.7 Pathophysiologie

Interleukin-2 (IL-2)

IL-2 ist ein Marker der Aktivierung von T-Zellen und wird vorwiegend von aktivierten CD4⁺T-Zellen produziert. Siehe Abb. 20.1-4 – Entwicklung der Subpopulationen von T-Helferzellen unter Einwirkung von IL-4 bzw. IL-12. IL-2 kann aber auch von nicht stimulierten CD8⁺T-Zellen, dendritischen Zellen und Thymuszellen gebildet werden. IL-2 ist ein Zytokin mit immunmodulatorischen Funktionen, die wichtig zur Aufrechterhaltung der Immunfunktion sind. Die Proliferation und Expansion Antigen-spezifischer T-Zellen wird in autokriner (CD4⁺T-Zellen) und parakriner Weise (CD8⁺T-Zellen, B-Zellen, NK-Zellen, Lymphokin aktivierte Zellen, neutrophile Granulozyten, Monozyten, γ/δ-T-Zellen) durch IL-2 stimuliert. Auch erfolgt dadurch die Produktion weiterer Zytokine.

Eine weitere wichtige Rolle spielt IL-2 in der Förderung des Überlebens von T-regulatorischen Zellen (CD4⁺CD25⁺ Tregs), deren Aufgabe in der Aufrechterhaltung der Selbsttoleranz besteht. Durch eine mangelnde IL-2 Wirkung wird der supportive Effekt von IL-2 auf Treg-Zellen reduziert, es resultiert ein Immun-verstärkender Effekt mit Vermehrung von T- und B-Zellen und der Ausbildung von Autoantikörpern /6/. Die Aktivierung von Treg-Zellen erfolgt durch IL-2 über den IL-2R.

Membran-gebundener Interleukin-2-Rezeptor (IL-2R)

Der IL-2R ist in der Zellmembran lymphatischer Zellen lokalisiert (aktivierte T-Zellen, NK-Zellen), von Monozyten und eosinophilen Granulozyten. Der IL-2R besteht aus folgenden obligaten drei Signaluntereinheiten

• IL2Rα (CD25), 251 Aminosäuren, MG 55 kDa.
• IL2Rβ (CD122), MG 75 kDa.
• IL2Rγ (CD132), MG 64 kDa.

Die β- und γ-Unterheiten des IL-2R gehören der Superfamilie der Hämatopoetine an. Die β-Kette hat auch der IL-15R und die γ-Kette auch IL-4R, IL-7R, IL-9R und IL-15R.

Der komplette Rezeptor ist ein Trimer, bestehend aus der α-, β- und γ-Kette. Die β- und γ-Kette werden konstitutiv von den Lymphozyten exprimiert. Diese haben lange intrazytoplasmatische Domänen, die nach Bindung von IL-2 an den Rezeptor das JAK-STAT-Signaltransduktions-System aktivieren. Die α-Kette, identisch mit dem IL-2Rα ist induzierbar nach Aktivierung durch IL-2. Da IL-2Rα nur eine kurze intrazytoplasmatische Domäne besitzt, ist er nicht an der Signalgebung beteiligt. Nach Bindung von IL-2 an IL2-Rα assoziiert dieser mit der β-Kette und γ-Kette zu einem signalfähigen Rezeptor.

Der IL-2R ist dargestellt in Abb. 20.5-1– IL-2 Rezeptor.

Die Signalgebung beginnt nach Oligomerisierung der Untereinheiten des Rezeptors. Im Zytoplasma assoziieren die Domänen der β- und der γ-Kette des Rezeptors mit zytoplasmatischen Proteinen, inklusive den Tyrosinkinasen der JAK-Familie. Die entstandenen Signalkomplexe werden aktiviert, sowohl durch Phosphorylierung der Tyrosinkinasen selbst, als auch der zytoplasmatischen Domänen der IL-2Rα- und IL-2Rß-Kette /4/.

Nur 5 % der nicht aktivierten T-Zellen im Blut exprimieren IL-2R. Jedoch nach antigener oder mitogener Stimulation kommt es nach 4–8 h zur Expression und nach 48–96 h hat die T-Zelle 30–60 Tausend IL-2R. Die Zahl nimmt dann progressiv um 80–90 % innerhalb von 10–21 Tagen nach der Aktivierung ab /4/.

Löslicher Interleukin-2-Rezeptor α (sIL-2R)

Der sIL-2Rα (CD25) ist die proteolytisch abgespaltene α-Kette des Membran-gebundenen IL-2R. Es handelt sich um ein Monomer mit dem MG von 45 kDa. Die Freisetzung ist proportional der Expression an der Zelloberfläche. Die Katabolisierung und Ausscheidung erfolgt über die Nieren, die Halbwertszeit beträgt 0,62 h. Bei Niereninsuffizienz ist die Konzentration von sIL2Rα im Plasma erhöht /4/.

Der sIL-2Rα hat die beste diagnostische Wertigkeit bei Erkrankungen, die mit einer T-Zellstimulierung assoziiert sind. Ein Vorteil ist seine Spezifität für den IL-2R, die bei Bestimmung von IL-2Rβ und IL-2Rγ nicht gegeben ist /2/.

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