Danger-signaler og inflammasomer ved autoinflammatoriske og autoimmune sygdomme

signaler og inflammasomer ved autoinflammatoriske og autoimmune sygdomme

Pattern recognition receptors (PRR) er centrale sensorer i det medfødte immunsystem [1]. De findes på eller i flere celletyper dog overvejende i fagocytter og dendritceller. De dannes ikke ved genetisk rekombination, modsat tilfældet for det adaptive immunsystems T- og B-lymfocyt-receptorer, og antallet af forskellige PRR er begrænset. Alligevel kan PRR skelne mellem self og hundreder af mikroorganismer, idet de genkender og aktiveres af relativt få, men fylogenetisk velbevarede molekylære mønstre på mikroberne, pathogen-associated molecular patterns (PAMP). Til disse hører bl.a. lipopolysakkarid i gramnegative bakteriers endotoksin, lipoteikonsyre og peptidoglykaner i grampositive bakterier, nukleotidsekvensen CpG, som hyppigt forekommer i bakterier, DNA og RNA i virus, mannaner, glukaner og en række andre mikrobielle strukturer.

TOLL-LIKE RECEPTORS OG NOD-LIKE RECEPTORS

Til gruppen af PRR hører toll-like receptors (TLR) og NOD-like receptors (NLR) også kaldet nucleotide-binding domain, leucine-rich repeat containing proteins (NLR) (Figur 1 ). TLR genkender primært strukturer fra bakterier, virus og svampe, og de er tidligere beskrevet i Ugeskrift for Læger og i talrige oversigtsartikler i andre tidsskrifter [2, 3]. I modsætning til TLR-familien, som er membranbundne receptorer, består NLR-familien af opløselige proteiner, der »overvåger« cellernes cytoplasma for intracellulært non-self . De findes især i monocytter/makrofager og granulocytter, men også i epitel-, endotel og mucosaceller, som er de primære ydre og indre bolværker mod mikrobiel invasion. Der er flere grupper af NLR, herunder de for tiden fem kendte NOD og mindst to benævnt NOD-like receptor protein 1 og 3 (NLRP1 og NLPR3), sidstnævnte tidligere kaldet kryopyrin [4].

NOD1 og NOD2 er intracellulære sensorer af bakterielle PAMP. Mutation i den PAMP-bindende komponent i NOD2 er associeret til Crohns sygdom, formodentlig fordi muteret NOD2 muliggør proliferation i tarmen af potentielt patogene bakterier [5].

NLRP3 er også et intracellulært protein i familie med NOD1 og NOD 2. En mutation i genet for dette protein er grundlaget for familial cold autoinflammatory syndrome, deraf navnet kryopyrin [6]. Dette medlem af NLR-familien er interessant, fordi mutationer i NLRP3-genet ud over relationen til kuldeinduceret inflammation er associeret til en række andre, overvejende arvelige sygdomme, der er præget af inflammation. Disse relativt sjældne sygdomme udgør nu en hovedgruppe blandt de autoinflammatoriske sygdomme (Tabel 1 ) [7]. Af større medicinsk interesse er det imidlertid, at NLRP3 har vist sig at være af betydning også ved hyppigere forekommende immuninflammatoriske sygdomme, idet det er en central komponent i dannelsen af de såkaldte inflammasomer [8, 9].

INFLAMMASOMER

Et inflammasom er et intracellulært kompleks af proteiner, som kan aktivere en familie af cysteinproteaser kaldet caspaser (Figur 1) [9]. Disse enzymer er af betydning for programmeret celledød (apoptose), og de kan katalysere omdannelsen af visse cytokiner fra deres inaktive forstadier til aktive inflammationsfremmende mediatorer; det gælder bl.a. interleukin (IL)-1β, IL-18 og IL-33 [10]. Aktivering af inflammasomer kan finde sted både via TLR og NLR. Intracellulære mikrober vil f.eks. aktivere NLR, som derpå fører til dannelse af caspase 1-inflammasomer med påfølgende omdannelse af de inaktive forstadier af IL-1β, IL-18 og IL-33 til de inflammatorisk aktive cytokiner. Disse secerneres fra den afficerede celle, eller de frigives i forbindelse med cellebeskadigelse/celledød, og resultatet bliver en lokal inflammatorisk reaktion. Inflammationen kan herefter forløbe uden eller med bidrag fra T- og B-celler, og den kan forblive lokal eller disseminere med induktion af cytokiner i blodets leukocytter og i karbanen fulgt af feber og induktion af akutfaseproteiner.

Aktivering via danger

Ud over at være et afgørende element i immunsystemets reaktion på PAMP associeret til bakterier, virus og andre mikrober kan inflammasomer aktiveres af endogene danger -signaler [1]. Man har længe vidst, at forskellige former for stress af celler, f.eks. hypoton beskadigelse med efterfølgende lav intracellulær kaliumkoncentration, kan aktivere caspase-1 med induktion af IL-1? [9]. Denne aktivering er afhængig af inflammasomdannelse, og den ses især i celler, der tilhører det medfødte immunsystem, specielt i makrofager. Men også eksogene faktorer kan signalere danger med induktion af NLRP3-inflammasomer, kaliumeffluks og frigivelse af aktivt IL-1β samt andre inflammatoriske cytokiner (Figur 1). Flere af disse faktorer har medicinsk betydning, og en bedre forståelse af både endogen og eksogen danger -induceret inflammation kan ændre vort syn på en række immuninflammatoriske sygdomme, herunder autoimmunsygdomme. Nogle eksempler kan anskueliggøre dette:

Krystal- og partikelinducerede sygdomme

Urinsyre er slutproduktet for purinkatabolismen, og urinsyre findes i høj koncentration i cytoplasmaet i mange celler. Frigivelse af urinsyre fra »stressede« eller fysisk beskadigede celler kan i et ekstracellulært miljø med høj natriumkoncentration danne natriumuratkrystaller, og disse er kraftige aktivatorer af NLRP3-inflammasomer [11]. Urinsyre er således et danger -signal, og den beskrevne procesvej regnes nu for at være af direkte patogenetisk betydning ved arthritis urica.

Urinsyre som danger -signal i andre situationer er også kommet i søgelyset. Det drejer sig f.eks. om dets rolle som bidragyder til inflammationen ved malaria og arteriosklerose samt som trigger -mekanisme for T- og B-celle-autoreaktivitet ved multipel sklerose og type 1-diabetes (T1D) [4].

Det er ikke alene krystaller, der som danger kan aktivere det medfødte immunsystem. Også partikler, f.eks. silica og asbest, kan via »frustreret fagocytose« aktivere fagocytter til inflammasomdannelse [12].

Aluminium er også et effektivt danger -signal, hvilket kan forklare adjuvanseffekten af aluminiumhydroxyd tilsat vacciner [4].

Type 1-diabetes

Type 1-diabetes (T1D) er patofysiologisk karakteriseret ved en initial selektiv beskadigelse af insulinproducerende β-celler. Årsagen eller årsagerne til dette er fortsat ukendt, men autoreaktive T-celler og autoantistoffer har i mange år været betragtet som centrale patogenetiske komponenter. Det har længe været kendt, at inflammation (insulitis) med infiltration i de langerhanske øer med mononukleære celler er et tidligt patogenetisk karakteristikum ved T1D [13], og man har længe vidst, at IL-1β er toksisk over for insulinproducerende β-celler [14]. Med den ny viden om det medfødte immunsystems rolle også for induktion af T- og B-celle-aktiviteter og ikke mindst dette systems aktivering via danger åbnes der mulighed for alternative modeller til forklaring af sygdommens patogenese.

Et scenarie i den tidlige fase af T1D kunne f.eks. være danger - og/eller stressbetinget aktivering af NLRP3-inflammasomer med IL-1β-frigivelse og β-celle-beskadigelse til følge. En sådan immunologisk set uspecifik beskadigelse af β-celler kunne sekundært lede til frigivelse af (andre?) danger -signaler, som kan koaktivere T- og B-celler til specifik autoreaktivitet mod self -komponenter fra de beskadigede β-celler [15, 16].

I den indledende sygdomsproces behøver der således ikke at indgå specifik autoimmunitet mod β-celler. Processen behøver end ikke primært at omfatte β-celler, da den initiale beskadigelse af disse celler kunne hidrøre fra IL-1???der er frigivet fra en ønær proces f.eks. en eller gentagne virusinfektioner [15, 17]. I en sådan patogenetisk model kan T1D udløses af multiple ætiologiske faktorer hos forskellige individer, eller multiple faktorer kan i samme individ og på flere stadier af sygdomsudviklingen indgå i β-celle-beskadigelsen via inflammasom/IL-1β-aktivering [18].

Arteriosklerose

Ud over længe kendte risikofaktorer som høj kolesterolkoncentration i blodet vides arterioskleroseprocessen nu også at være associeret til kronisk inflammation i karvægge [19]. Kolesterol båret af lavdensitetslipoprotein (LDL) diffunderer meget tidligt i processen gennem endotelcellelaget til intima, hvor lipoproteinerne retineres og undergår oxidative forandringer. De overliggende endotelceller udtrykker herunder adhæsionsmolekyler, og de producerer kemotaktiske faktorer, som i forening tiltrækker monocytter til den lipidholdige intima [18]. Her differentierer monocytter til makrofager, også kaldet skumceller, idet de optager de oxiderede lipoproteiner og akkumulerer dem som dråber af kolesterolestere.

Det er i denne forbindelse interessant, at kolesterolkrystaller er endnu et eksogent danger -signal [20]. Det er derfor muligt, at det i intima ophobede kolesterol evt. i samspil med andre faktorer (mikrobielle?) kan inducere NLRP3-inflammasomer i de retinerede makrofager/skumceller og/eller i endotel- og glat muskel-celler med sekundær produktion af IL-1β og andre inflammatoriske cytokiner. Eksogen danger i form af mekanisk stress af endotel- og glat muskel-celler kan ligeledes bidrage til induktion af inflammasomer og dermed til kronisk inflammation [4]. Dette må formodes især at finde sted hos patienter med hypertension og på steder i karbanen med kraftig turbulens, dvs. i og ved bifurkaturer i de store kar.

PERSPEKTIVER

De skitserede forskningsresultater har givet svar på essentielle og indtil for få år siden ubesvarede spørgsmål inden for immunologien. Megen viden mangler, men som altid, når fundamentale biologiske processer belyses, kan det få stor praktisk betydning - også for læger. PRR-systemets centrale placering ved induktion af immunfunktioner åbner mulighed for, at mange immuninflammatoriske sygdomme, inklusive flere autoimmunsygdomme, kan bero på dysfunktioner i det medfødte immunsystem - de autoimmune komponenter kan være sekundære og ikke nødvendigvis af større patogenetisk betydning. I så fald vil forebyggelse og behandling af fejl eller mangler i PRR og/eller i de processer, som leder til dannelse af inflammasomer og frigivelse af inflammatoriske cytokiner, formentlig vise sig at være mere effektiv end dæmpning af T- og B-celle-autoreaktivitet.

src="/LF/images_ufl/ufl_bla.gif">
Klaus Bendtzen , Institut for Inflammationsforskning, Rigshospitalet, Blegdamsvej 9, 2100 København Ø. E-mail: klausben@me.com

Antaget: 14. april 2011

Først på nettet: 20. juni 2011

Interessekonflikter: ingen

1. Bendtzen K. Medfødt immunitet, autoimmunitet og autoinflammation. Ugeskr Læger 201;173:2337-40.
2. Bendtzen K, Bovin LF, Andersen V et al. Toll-lignende receptorer. Ugeskr Læger 2001;163:4562-5.
3. O'Neill LA, Bowie AG. The family of five: TIR-domain-containing adaptors in Toll-like receptor signalling. Nat Rev Immunol 2007;7:353-64.
4. Martinon F, Mayor A, Tschopp J. The inflammasomes: guardians of the body. Annu Rev Immunol 2009;27:229-65.
5. Rosenstiel P, Schreiber S. NOD-like receptors - pivotal guardians of the immunological integrity of barrier organs. Adv Exp Med Biol 2009;653:35-47.
6. Hoffman HM, Mueller JL, Broide DH et al. Mutation of a new gene encoding a putative pyrin-like protein causes familial cold autoinflammatory syndrome and Muckle-Wells syndrome. Nat Genet 2001;29:301-5.
7. Kastner DL, Aksentijevich I, Goldbach-Mansky R. Autoinflammatory disease reloaded: a clinical perspective. Cell 2010;140:784-90.
8. Williams A, Flavell RA, Eisenbarth SC. The role of NOD-like receptors in shaping adaptive immunity. Curr Opin Immunol 2010;22:34-40.
9. Martinon F, Burns K, Tschopp J. The inflammasome: a molecular platform triggering activation of inflammatory caspases and processing of proIL-beta. Mol Cell 2002;10:417-26.
10. Dinarello CA. Immunological and inflammatory functions of the interleukin-1 family. Annu Rev Immunol 2009;27:519-50.
11. Martinon F. Mechanisms of uric acid crystal-mediated autoinflammation. Immunol Rev 2010;233:218-32.
12. Rock KL, Latz E, Ontiveros F et al. The sterile inflammatory response. Annu Rev Immunol 2010;28:321-42.
13. Gepts W, Lecompte PM. The pancreatic islets in diabetes. Am J Med 1981;70:105-15.
14. Bendtzen K, Mandrup-Poulsen T, Nerup J et al. Cyt otoxicity of human pI 7 interleukin-1 for pancreatic islets of Langerhans. Science 1986;232:1545-7.
15. Bendtzen K, Rasmussen ÅK, Bech K et al. Pathogenic role of interleukin 1 and tumor necrosis factor in autoimmune endocrine diseases. Clin Immunol Newslett 1988;9:72-4.
16. Eizirik DL, Colli ML, Ortis F. The role of inflammation in insulitis and beta-cell loss in type 1 diabetes. Nat Rev Endocrinol 2009;5:219-26.
17. Yeung WC, Rawlinson WD, Craig ME. Enterovirus infection and type 1 diabetes mellitus: systematic review and meta-analysis of observational molecular studies. BMJ 2011;342:d35.
18. Bendtzen K. Immunsystemt ved kronisk inflammation. Ugeskr Læger 2008;170:2110-5.
19. Galkina E, Ley K. Immune and inflammatory mechanisms of atherosclerosis. Annu Rev Immunol 2009;27:165-97.
20. Duewell P, Kono H, Rayner KJ et al. NLRP3 inflammasomes are required for atherogenesis and activated by cholesterol crystals. Nature 2010;464:1357-61.