Vaskuläre Inflammation: Interaktion zwischen ECM und Immunzellen

Die vaskuläre extrazelluläre Matrix (ECM) ist eine hochdynamische Suprastruktur, welche nicht nur für essenzielle mechanische Eigenschaften der Gefäße verantwortlich ist, sondern auch die zelluläre Mikroumgebung von Gefäßzellen und Immunzellen bereitstellt. Dabei fungiert die spezialisierte ECM-Architektur aus Basalmembran und elastischen Fasernetzwerken als dynamische Signalplattform für Immunzell-Migration, -Proliferation und -Differenzierung. Eine strukturell abnormale ECM führt zu einer Immunzell-Aktivierung, welche die Pathogenese von arteriellen Gefäßerkrankungen wie Atherosklerose und Aneurysmen signifikant beeinflusst.

Schlüsselwörter: Extrazelluläre Matrix, Vaskuläre Inflammation, Immunzellen, Gefäßerkrankung

Die vaskuläre extrazelluläre Matrix als zelluläre Mikroumgebung

Die vaskuläre ECM ist ein außergewöhnlich komplexes Netzwerk aus Multidomänen-Strukturproteinen wie Kollagenen, Laminin, Fibronektin, Fibrillinen, Elastin und Proteoglykanen, welches die spezialisierte Mikroumgebung von vaskulären Zellen darstellt [1]. Die vaskuläre ECM ist eine hochdynamische Suprastruktur, deren Zusammensetzung und Architektur einer strengen Regulation unterliegt, um ihren vielfältigen mechanischen Funktionen wie Elastizität und Zugfestigkeit gerecht zu werden [1]. Zellen des Immunsystems spielen eine entscheidende Rolle beim Aufbau, Abbau sowie Umbau von ECM-Komponenten und regulieren daher wichtige physiologische Prozesse [2]. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass ECM-Moleküle starke Regulatoren der Immunzellfunktion sind und das Immunzellverhalten bei Entzündung regulieren [3]. Dreidimensionale ECM-Superstrukturen wechselwirken mit Immunzellen und modulieren damit wesentliche Immunzellfunktionen, wie z. B. Migration zum entzündeten Gewebe, sowie Proliferation und Differenzierung [3].

Die ECM als Signal-Plattform für Immunzellen

Die ECM dient auch als Plattform für die Regulation von zellulären Signalen. Zusammensetzung und Funktionsweisen der ECM werden durch ein harmonisches Gleichgewicht zwischen ECM-Synthese und Degradation bestimmt. Zytokine und Wachstumsfaktoren sind am Aufbau der ECM beteiligt, wohingegen MMPs (Matrix-Metalloproteinasen) und ADAMs (Disintegrin und Metalloproteinasen) ihren Abbau kontrollieren [2]. Insbesondere stellen Fibrillin-Mikro­fibrillen (FMF) mit assoziierten Adaptor-Proteinen (z. B. latente TGF-β-Bindungsproteine (LTBPs), Fibuline, Emiline) wichtige Suprastrukturen für die kontrollierte Sequestrierung und Aktivierung von Wachstumsfaktoren der TGF-β-Superfamilie dar [4]. Beispielsweise initiieren Fibrillin-1-Mutationen fibrotische Prozesse unter Beteiligung von Myofibroblasten und der Aktivierung des Immun- und Gefäßsystems [5]. Dies führt zur vermehrten Ablagerung von strukturell veränderter ECM, welche wiederum den Fibroblastenstoffwechsel, Autophagieprozesse und damit die Sekretion des profibrotischen Mediators TGF-β1 steuert [5]. Auch sind enzymatisch verdaute ECM-Fragmente an der Modulation von Immunzellen beteiligt. Beispielsweise wirken durch Laminin- und Kollagenfragmentierung entstandene Peptide als chemotaktische Signale für die Rekrutierung von weiteren Immunzellen [2]. Laminin-Peptide wirken zugleich auch als DAMPs (danger-associ­ated molecular patterns) und sind als Modulatoren der Genexpression von Zytokinen und MMPs bekannt [3]. Prozessierte Elastinpeptide besitzen chemotaktische Eigenschaften und können somit weitere Zellen des Immunsystems rekrutieren [6]. Weiterhin kann die Interaktion von Immunrezeptoren an Kollagenfasern zur Hemmung der zytotoxischen Funktion von natürlichen Killer- und T-Zellen führen. Auch können Kollagene auf gleiche Weise die Proliferation anderer Immunzellen beeinflussen [3]. Infolge einer Entzündungsreaktion werden lokal stimulierende Faktoren, wie Chemokine und Zytokine, sekretiert, um zirkulierende Leukozyten anzulocken [7]. Zudem sind Immunzellen in der Lage, verschiedene matrizelluläre Proteine (z. B. Osteopontin) zu synthetisieren und die Chemotaxis, Adhäsion und Proliferation eigenständig zu beeinflussen [3].

Transmigration von Leukozyten

Endothelzellen adhärieren an die Basalmembran (BM), welche mittels FMF und Kollagenfasern mit der darunter liegenden subendothelialen internen elastischen Lamelle (IEL) verbunden und strukturell stabilisiert wird [1]. Diese Region wird als Tunica intima bezeichnet. Die BM ist ein dünnes (50–100 nm), engmaschiges Netzwerk, bestehend aus vier Haupt-Proteinkomponenten: Kollagen IV, Laminine, Nidogen und dem Heparan-Sulfat-Proteoglycan Perlecan [1, 3]. Auf molekularer Ebene wird das Netzwerk der BM durch spezifische Interaktionen zwischen Kollagen IV und Nidogen bzw. Perlecan gebildet und mit Integrinen als spezialisierte ECM-Zelloberflächen-Rezeptoren verankert.
Die Infiltration von Leukozyten in das entzündete Gewebe erfordert spezifische Wechselwirkungen zwischen Leukozyten- und Endothelzell-exprimierten Adhäsionsmolekülen (Abb. 1).

Zudem führt die Aktivierung des Endothels durch entzündliche Zytokine (z. B. Tumornekrosefaktor (TNF) und Inter­leukin-1β (IL-1β), zu einer erhöhten Expression von Selektinen (z. B. E-Selektin), Integrin-Liganden (z. B. ICAM1) und vaskulären Zelladhäsionsmolekülen (z. B. VCAM1) auf der Oberfläche von luminalen Endothelzellen [3]. Die Migration wird durch das Selektin-vermittelte Rollen der Leukozyten auf der Oberfläche der Gefäßendothelzellen, die Aktivierung von α4β1- und β2-Integrinen und die anschließende feste Anhaftung auf der Endothelzelloberfläche erreicht [3]. Durch Interaktion von Integrinen des Endothels mit Adhäsionsproteinen der Leukozyten werden die Immunzellen auf dem Endothel gebremst. Einmal angehalten, erfolgt die Penetration der Leukozyten durch die Endothelzellschicht hindurch in die darunterliegende BM und interstitielle ECM (Abb. 1). Die Interaktion zwischen Leukozyten und dem Endothel löst Signalkaskaden aus, wodurch eine vorübergehende Schwächung der Endothelzellkontakte mit Bildung intrazellulärer Poren induziert wird, was die Invasion von Immunzellen ermöglicht [7]. Laminine können Immunzellen spezifisch durch Integrin-Bindung rekrutieren, was Adhäsion, Migration und Proliferation beeinflusst [3]. Beispielsweise wirkt Laminin 511 migrationshemmend, während Laminin 411 die Migration von Immunzellen begünstigt [7].

ECM und Immunantwort in der Atherosklerose

Atherosklerose gilt als chronische entzündliche Erkrankung, welche die häufigste zugrundeliegende Pathologie koronarer Herzkrankheit, peripherer Arterienerkrankung und zerebrovaskulärer Erkrankung darstellt [8]. Charakteristisch für die Erkrankung ist die abnormale Ablagerung von Lipiden in der Intima und die resultierende Stimulation des Immunsystems. Diese gestörte Lipiddeposition stimuliert vaskuläre glatte Muskelzellen (VSMCs) und Endothel­zellen, was zur Produktion von Zytokinen und Entzündungsmediatoren (VCAM-1, ICAM-1) führt und damit die Einwanderung kompetenter Immun­zellen in atherosklerotische Läsionen anregt [8]. In der Frühphase der Artherogenese tragen Proteoglykane (z. B. Perlecan, Bigylcan, Versican) dazu bei, die ApoB-Lipoproteine durch elektrostatische Wechselwirkung in der Intima der Gefäße zu binden [9]. Eines der wichtigsten, von neutrophilen Granulozyten freigesetzte Enzym ist die Myeloperoxidase (MPO), deren erhöhte Plasmawerte mit erhöhtem kardiovaskulärem Risiko korrelieren [10, 11]. In atherosklerotischen Plaques interagiert MPO mit ECM-Proteinen wie Fibronektin und Perlecan und verursacht oxidative Modifizierungen durch Bildung von hypochloriger Säure [10, 11]. Hierdurch wird ein synthetisierender und proliferativer Phänotyp in VSMCs induziert, welcher die inflammatorische Kaskade weiter unterhält [12]. Eine verstärkte MPO-Aktivität ist im Bereich atherosklerotischer Plaques auch mit einer dünneren fibrösen Kappe und deren Ruptur assoziiert [13].
Ein weiteres wichtiges ECM-Molekül ist die Hyaluronsäure (HA), die vor allem in Geweben für die Hydratisierung und Homöostase essenziell ist. HA stellt eine aktive regulatorische Komponente in der Pathogenese von Atherosklerose dar. HA ist ein essenzieller Bestandteil der Glykokalix und verhindert sterisch die Invasion von Immunzellen in die Gefäßwand. HA-Anlagerung in atherosklerotischen Plaques führt zu erhöhter VSMC-Migration und Proliferation. Folglich werden vermehrt Matrix-Proteine synthetisiert, was zur Volumenexpansion der Plaques führt. Gleichzeitig fungiert HA als Ligand für CD44-Zellen (u. a. Lymphozyten, Monozyten, Granulozyten), sodass weitere Immunzellen zur atherosklerotischen Läsion rekrutiert werden. Makrophagen können ECM-Netzwerke durch Protease-Ausschüttung degradieren, was zu progressivem Abbau der ECM im Bereich der Aortenwand-Läsion mit Risiko einer finalen Ruptur führen kann. Die regulatorische Funktion von HA als pro- oder- anti-inflammatorischer Regulator basiert auf der Größe der polymerisierten HA-Fragmente [14].

ECM und Inflammation bei hereditären thorakalen Aneurysmen

Die an die Tunica intima angrenzende Tunica media besteht aus Elastin-Lamellen, zwischen denen sich Kollagenfasern, dünne Schichten proteoglykanreicher ECM und VSMCs befinden. VSMCs synthetisieren und assemblieren die einzigartige ECM-Architektur in der Tunica media. Dünne elastische Fasern verbinden die Lamellen zu einem dreidimensional zusammenhängenden Netzwerk, welches dabei in direktem Kontakt mit der VSMC-Zelloberfläche steht, und somit zur Bildung einer kontraktilen Einheit führt. Elastische Fasern sind komplexe Strukturen, die sowohl Elastin als auch FMF enthalten. FMF dienen als strukturelles Gerüst für die Elastogenese, da die Ablagerung und Reifung von Tropoelastin zu vernetztem Elastin durch funktionelle Wechselwirkungen zwischen den Fibrillinen, Fibulin-4, Fibulin-5 und LTBP-4 und Lysyloxidase (LOX) bewerkstelligt wird [4].
Mutationen in Fibrillin-1 und VSMC-Zytoskelett-Proteinen wie ACTA2 (smooth muscle actin) prädisponieren zu thorakalen Aortenaneurysmen wie beim Marfan-Syndrom (MFS) und verwandten Erkrankungen [15]. Diese genetischen Veränderungen führen zu einer Schädigung der kontraktilen Einheit aus ECM und VSMCs. Das veränderte Aortengewebe reagiert mit einer gestörten Mechano­perzeption („mechano sensing“) der VSMCs unter hämodynamischem Stress [16]. Hierdurch kommt es zu verstärkter proteolytischer Aktivität, Expression inflammatorischer Zytokine und Chemokine, Einwanderung inflammatorischer Zellen in die Gefäßwand, VSMC-Apoptose und Degeneration der Media (Abb. 2).

Entzündliche Infiltrate in der Aortenwand akuter Aneurysmen wurden in MFS-Mausmodellen und bei Patienten identifiziert [17]. Antiinflammatorische Medikamente und Antioxidanzien können den oxidativen Stress reduzieren, der zur Verschlechterung der pathologischen Veränderungen der Aorta bei MFS-Mäusen führt [18].

ECM und Immun-Crosstalk bei abdominalen Aortenaneurysmen

Die Pathophysiologie des humanen abdominalen Aortenaneurysmas (AAA) ist noch immer nicht vollständig verstanden. Die ECM in den Widerstandsgefäßen hat die Funktion, dem intraluminalen arteriellen Blutdruck standzuhalten. Risse in der Intima und Dissektionen treten akut auf, wenn die hämodynamische Belastung die lokale Widerstandskapazität der Wand-ECM überschreitet (Abb. 2). Der fortschreitende Verlust dieser Funktion durch ECM-Proteolyse und VSMC-Apoptose ist ein wesentliches Merkmal von AAAs. Allerdings können insbesondere kleine AAAs dissoziieren, während große AAAs mitunter stabil bleiben, da es sich um dynamische Wanddegradierungs- und Regenerationsprozesse handelt, deren genaue Mechanismen noch nicht aufgeklärt sind. Die ECM-Degradierung bei AAA wird überwiegend von Cathepsinen und MMPs verursacht. Dabei werden MMPs sowohl von Gefäß- (Endothelzellen, VSMCs und Fibroblasten) als auch von Entzündungszellen (Makrophagen) sezerniert [2]. MMP-2 und MMP-9 sind die am häufigsten mit AAA assoziierten Enzyme. MMP-2 wird konstitutiv in kleinen Aneurysmen exprimiert, was auf eine Rolle bei der Aneurysma-Initiierung schließen lässt [19]. Dagegen konnte MMP-9 insbesondere in fortgeschrittenen Aneurysmen detektiert werden, was auf eine Beteiligung an der Progression und Expansion des Aneurysmas hinweist [19]. Auch gelten hierbei oxidative Prozesse, angeborene Immunität im Zusammenhang mit intraluminalen Thromben (ILT) und adventitial vermittelte adaptive Immunantworten als wichtige Merkmale von AAAs. Auch konnte eine Reihe von an der Leukozytenrekrutierung beteiligten inflammatorischen und anti-inflammatorischen Zytokinen (IL-1β, epidermal growth factor (EGF), IL-10, IL-17) identifiziert werden, deren Modulation im Tiermodell zur Beeinflussung des Krankheitsverlaufs führte [20].

Fazit für die Praxis

Wechselwirkungen zwischen dem Immunsystem und der ECM spielen eine essenzielle Rolle bei Gefäßerkrankungen. Wie die ECM-Architektur die Weiterleitung von Entzündungssignalen wie Zytokinen vermittelt, stellt eine zentrale Fragestellung in der Forschung von Gefäßerkrankungen dar. Aktuelle Studien adressieren die Entschlüsselung von Signalwegen der ECM, die insbesondere mithilfe von Mausmodellen mit definierten ECM-Defekten untersucht werden können. Beispielsweise werden im Rahmen des SFB/Transregio 259 „Aortenerkrankungen“ (TRR259), eine Forschungsinitiative der Unikliniken Bonn, Köln und Düsseldorf, die verschiedenen Pathomechanismen zur Entstehung aortischer Aneurysmen aufgeklärt. Einer der Forschungsschwerpunkte des TRR259 beinhaltet explizit die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Immunzellen und der ECM. Dies hat das Potenzial, neue immun-modulierende Therapiewege für Aortenerkrankungen zu entwickeln.

Abkürzungsverzeichnis
AAAAbdominelles Aortenaneurysma
ADAMDisintegrin und Metalloproteinase
BMBasalmembran
DAMPDamage-associated (auch: danger-associated) molecular pattern
ECMExtrazelluläre Matrix
EGFEpidermal growth factor
ELElastische Lamelle
FMFFibrillin-Mikrofibrillen
HAHyaluronsäure
ICAMIntegrin-Ligand
IELInterne elastische Lamelle
ILTIntraluminale Thromben
LOXLysyloxidase
LTBPLatente TGF-β-Bindungsproteine
MFSMarfan-Syndrom
MMPMatrix-Metalloproteinase
MPOMyeloperoxidase
TNFTumornekrosefaktor
VCAMVaskuläres Zelladhäsionsmolekül
VSMCVaskuläre glatte Muskelzelle
Autoren
Laura-Marie Zimmermann
Klinik für Pädiatrie und Jugendmedizin, Uniklinik Köln,
Zentrum für Biochemie, Universität zu Köln
Dr. Dennis Mehrkens
Herzzentrum Uniklinik Köln, Klinik III für Innere Medizin – Allgemeine und interventionelle Kardiologie,
Elektrophysiologie, Angiologie, Pneumologie und internistische Intensivmedizin, Universität zu Köln
Prof. Dr. Stephan Baldus
Herzzentrum Uniklinik Köln, Klinik III für Innere Medizin – Allgemeine und interventionelle Kardiologie, Elektrophysiologie, Angiologie, Pneumologie und internistische Intensivmedizin, Universität zu Köln
Zentrum für Molekulare Medizin Köln, Universität zu Köln
Prof. Dr. Gerhard Sengle
Klinik für Pädiatrie und Jugendmedizin, Uniklinik Köln, Zentrum für Biochemie, Universität zu Köln
Zentrum für Molekulare Medizin Köln, Universität zu Köln