Körpereigene Antibiotika schützen Haut und Schleimhaut |
 | 19.04.2010 08:32 Uhr |
Von Jens-Michael Schröder, Kiel / Lange Zeit unbekannt: Warum sind Menschen normalerweise gesund und werden nicht Opfer von Mikroben? Heute weiß man, dass körpereigene antimikrobielle Peptide auf Haut und Schleimhaut vor Infektionen schützen. Sie könnten als Alternative zur Bekämpfung antibiotikaresistenter Mikroorganismen dienen.
Jeder mehrzellige Organismus steht ständig in Kontakt mit der lebenden Umwelt und ist potenziell der Gefahr ausgesetzt, von Mikroben infiziert zu werden. Grenzflächen wie Haut und Schleimhaut weisen zum Teil außerordentlich hohe Konzentrationen an Mikroorganismen auf, sind aber nur sehr selten infiziert. Zum Vergleich: Der Mensch besteht aus 1014 Zellen, von denen nur 10 Prozent Körperzellen sind – der Rest sind Mikroben!
Eine Erklärung für dieses Phänomen liefert die Betrachtung von Haut und Schleimhaut als physikalische Barriere. Diese besteht in der gesunden Haut aus dem Stratum corneum und in der Mukosa aus der Schleimschicht. Desquamation und Schleimabsonderung führen zur ständigen Erneuerung der Oberflächen und damit gleichzeitig zu einer kontinuierlichen Elimination von Mikroorganismen, die an den Oberflächen adhärieren. Zusätzlich erschwert und verhindert eine ausgeprägte Lipidbarriere in der Haut normalerweise, dass Mikroorganismen in die lebende Epidermis eindringen.
Abbildung 1: Die gesunde Haut und Schleimhaut jedes Menschen, aber auch erkrankte Hautstellen, zum Beispiel bei Psoriasis-Patienten, produzieren antimikrobielle Peptide.
Foto: PZ-Archiv
Die Ausbildung einer intakten physikalischen Barriere ist ein notwendiges, aber nicht hinreichendes Kriterium für eine erfolgreiche Infektionsabwehr der gesunden Haut und Schleimhaut (Abbildung 1). Es müssen noch weitere Faktoren hinzukommen. Dazu zählen körpereigene Antibiotika, die antimikrobiellen Peptide.
Infektionsabwehr bei Pflanzen
Auch die Oberflächen von Pflanzen sind stets mit Mikroorganismen bedeckt. Insbesondere Pilzsporen sind allgegenwärtig. Aber nur unter besonderen Bedingungen, zum Beispiel nach einer Verletzung, gefährden sie die pflanzlichen Oberflächen. Warum?
Neben der Lipidbarriere besitzen Pflanzen ein chemisches Abwehrsystem der Epithelien, das vornehmlich aus genkodierten antimikrobiellen Peptiden und Proteinen (AMP) besteht. Konstitutiv werden viele Thionine (Proteine mit hohem Anteil an schwefelhaltigen Aminosäuren) und pflanzliche Defensine von den Epithelzellen gebildet. Diese verhindern ein exzessives Wachstum von Mikroben auf den Pflanzenoberflächen.
Bei einer Verletzung der Pflanze werden Ester der Jasmonsäure und Salicylsäure sowie Ethylen freigesetzt. Diese induzieren in Blättern, Blüten, Sprossen und anderen Teilen rezeptorabhängig die Produktion verschiedener AMP (1). Dies mag erklären, warum manche Pflanzen infiziert werden und erkranken, und die daneben wachsenden Pflanzen der gleichen Art keinerlei Zeichen einer Infektion erkennen lassen.
AMP auch beim Menschen
Nach Beobachtungen bei Pflanzen und Tieren lag es nahe zu vermuten, dass auch die Schleimhaut des Menschen AMP produziert. Das bekannteste Beispiel ist Lysozym, das Alexander Fleming 1922 zufällig im Nasensekret entdeckt hat. Für die Infektionsprophylaxe hat es sich aber nicht bewährt. Dies mag durch die natürliche Resistenz der kommensalen Bakterien, insbesondere Staphylococcus aureus, gegenüber Lysozym bedingt sein, die auf Mutationen in Zellwand-Bestandteilen des Keims beruht.
Lysozym scheint bevorzugt, aber nicht nur grampositive Bakterien abzutöten. Es blieb daher die Frage, warum insbesondere gramnegative Feuchtkeime, die ubiquitär im Erdboden vorkommen, sowie Darmbakterien, die die anogenitale Schleimhaut infizieren könnten, einen gesunden Menschen nicht angreifen. In der Vergangenheit wurde dies mit den antibiotischen Eigenschaften der Mucine erklärt. Heute vermutet man, dass schleimgebundene AMP dafür verantwortlich sind.
Defensine in der Darmmukosa
Die Darm-Epithelien sind extrem hohen Mengen an Bakterien ausgesetzt, werden aber beim gesunden Menschen überraschenderweise nicht infiziert. Dies ist nur durch besondere Strategien möglich.
Zum einen stellt die aus verschiedenen Mucinen bestehende Schleimschicht eine für Mikroben schwer zu durchdringende physikalische Barriere dar. Zum anderen sitzen in der Basis der Krypten von Darmzotten besonders ausgestattete Zellen (Paneth-Zellen), die – neben weiteren Abwehrsubstanzen – in großen Mengen ein breit wirksames Peptidantibiotikum, das Humane Defensin-5 (HD-5), sezernieren. HD-5 gehört strukturell zu den Alpha-Defensinen und sterilisiert das schmale Lumen der Krypten. Damit schützt es die Stammzellen, die sich an der Basis der Krypten befinden und für die ständige Erneuerung der Schleimhaut wichtig sind, vor Darmkeimen.
Versuche mit transgenen Mäusen zeigen, dass von der Darmschleimhaut freigesetzte AMP die Zusammensetzung der Darmflora bestimmen und eine Störung im System zu pathologischen Erscheinungen führen kann. Dies konnte die Arbeitsgruppe um Dr. Jan Wehkamp im Robert-Bosch-Institut in Stuttgart auch bei Patienten mit der chronischen Darmkrankheit Morbus Crohn durch den Nachweis einer verminderten HD-5-Produktion im Darm belegen (2). Dieser Befund konnte bei Knock-out-Mäusen bestätigt werden.
Eine verminderte HD-5-Produktion hat zur Folge, dass Darmbakterien häufiger das Darmepithel infizieren – mit der Konsequenz, dass jetzt Leukozyten einwandern und Entzündungsreaktionen hervorrufen. Als Ursache für die verminderte HD-5-Produktion identifizierten die Forscher eine Mutation in einem Protein, das für die Erkennung von Bakterien im Gewebe wichtig ist und offensichtlich die HD-5-Produktion steuert.
Psoriasin auf gesunder Haut
Nicht nur die Darmschleimhaut, sondern auch die Haut ist permanent mit Mikroben aus der Umwelt in Kontakt. Da sie zudem potenzielle Nährstoffe für Bakterien enthält, grenzt es eigentlich an ein Wunder, dass sie nicht von den Mikroben infiziert wird. Lange war auch nicht klar, warum Darmbakterien die Haut gesunder Menschen nicht infizieren. Einen Hinweis liefert ein Experiment, das eindeutig zeigt, dass die Haut einen Faktor freisetzt, der insbesondere Escherichia coli abtötet (Abbildung 2).
Abbildung 2: Escherichia-coli-cide-Aktivität an den Fingern. Während die Abdrücke Staphylococcus-aureus- kontaminierter Finger auf Agarplatten deutlich sichtbar sind (links), findet man niemals E.-coli- Abdrücke.
Fotos: Schröder
Bei der Untersuchung dieses Phänomens wurde im Arbeitskreis des Autors das Protein Psoriasin als AMP identifiziert (3). Der Name weist auf das Vorkommen in aktiven Psoriasis-Läsionen hin. Psoriasin ist besonders gut wirksam gegenüber E. coli. Es wird von vielen Epithelien, mit Ausnahme des Darms, produziert. Allerdings variiert die Konzentration je nach Körperregion. Die fokale Expression weist auf einen lokalen, durch besondere Bedingungen induzierbaren Faktor hin. In der Tat wurde jetzt gezeigt, dass Flagellin, der Hauptbestandteil des Bewegungsapparats von Bakterien, einer der besten Induktoren der Psoriasin-Expression ist (4).
Bemerkenswert ist das Verteilungsmuster von Psoriasin auf der Haut. So findet man die höchsten Mengen an Körperregionen, die auch die höchste Bakteriendichte aufweisen (Abbildung 3). Damit ist es sehr wahrscheinlich, dass in vivo Bakterien lokal die Psoriasin-Bildung induzieren. Auch die Zunge des Menschen produziert außerordentlich hohe Mengen dieses AMP (5). Das Genom vieler Säugetiere kodiert für Orthologe des Psoriasins und deren Zunge bildet die Analoga ebenfalls in großen Mengen. Dies weist darauf hin, dass das Zungen-Psoriasin in der Evolution als natürliches Desinfektionsmittel bei der Körperhygiene wichtig war und bei Tieren noch ist.
Abbildung 3: Verteilungsmuster von Psoriasin auf der Hautoberfläche; Konzentration in ng/cm²
Ein weiteres AMP der gesunden Haut ist die RNase-7 (R7). Nach bisherigen Erkenntnissen ist dies das wirksamste körpereigene Breitband-Antibiotikum des Menschen (6). Sie wird von allen Epithelzellen – mit Ausnahme der Darm-Epithelzellen – produziert. Die höchste Aktivität (nanomolare Konzentrationen) weist R7 gegenüber Enterokokken auf.
Forscher gehen heute davon aus, dass Psoriasin vor Infektionen durch gramnegative und R7 vor Infektionen durch grampositive Darmbakterien schützt. Einen Überblick über körpereigene AMP des Menschen liefert die Tabelle.
Beta-Defensine bei Entzündung
Die genannten antimikrobiellen Peptide werden von der gesunden Haut und Schleimhaut konstitutiv produziert und dienen dem permanenten Schutz. Bei Verwundung oder Entzündungen beobachtet man einen drastischen Anstieg der lokal produzierten Mengen von Psoriasin und R7. Zusätzlich werden weitere AMP induziert, die in gesunder Haut und Schleimhaut nicht vorhanden sind. Dazu gehören vor allem Beta-Defensine; das sind etwa 3 bis 5 Kilodalton große Peptide.
| antimikrobielles Peptid/Protein | Lokalisation | induzierbar | grampositive Bakterien | gramnegative Bakterien | Pilze, Hefen | antivirale Aktivität |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Alpha-Defensin 1 bis 4 | Granulozyten | nein | ++ | ++ | ++ | +++ |
| Alpha-Defensine 5, 6 | Panethzellen des Darms, Urogenitaltrakt | nein | ++ | +++ | + | + |
| Beta-Defensin-1 | Epithelien des Urogenitaltrakts | nein | - | ++ | ? | ? |
| Beta-Defensin-2 | Epithelien | ja | - | +++ | ++ | ++ |
| Beta-Defensin-3 | Epithelien | ja | +++ | +++ | +++ | +++ |
| Beta-Defensin-4 | Testes | ja | + | + | ? | ? |
| Beta-Defensin-artige Peptide | Epididymis | nein | ? | + | ? | ? |
| Calprotectin | Granulozyten, Epithelien | ja | +++ | - | +++ | ? |
| Cathelizidine | Granulozyten, Epithelzellen | nein | ++ | ++ | ++ | ? |
| Laktoferrin | Drüsen, Sekrete, Granulozyten | nein | + | + | + | ? |
| Lysozym | Drüsen, Sekrete, Granulozyten | nein | ++ | ++ | ++ | ? |
| RNase-7 | Epithelien | ja | +++ | +++ | +++ | ? |
| Psoriasin | Epithelien | ja | + | +++ | ? | ? |
Haut und Schleimhaut des Menschen produzieren hauptsächlich die Beta-Defensine hBD-2 und hBD-3. Deren ungewöhnlich kompakte Struktur (Abbildung 4) macht die körpereigenen Antibiotika außerordentlich unempfindlich gegenüber Proteolyse.
Abbildung 4: Struktur des humanen Beta-Defensins-3 (1)
Das Peptid hBD-2 wurde in krankhaften Hautschuppen von Patienten mit Psoriasis, einer entzündlichen, aber nicht infektiösen Hauterkrankung, entdeckt. Schon lange war bekannt, dass die Patienten sehr selten an Hautinfektionen leiden, obwohl man dies aufgrund der vielen Hautläsionen erwarten könnte. Heute weiß man, dass in der psoriatischen Haut Interleukin 17 freigesetzt wird, das Entzündung auslöst, gleichzeitig aber Haut-Keratinozyten zur massiven Produktion von hBD-2 und Psoriasin anregt. Anscheinend findet bei der Psoriasis eine überschießende Abwehrreaktion der Haut gegen vermeintliche Erreger im Sinne einer Autoimmunerkrankung statt, wobei die Auslöser nicht bekannt sind.
Bemerkenswert ist die Tatsache, dass hBD-2 vorwiegend gegen gramnegative Bakterien wirksam ist. Da der Kontakt der Schleimhaut mit Biofilmen gramnegativer Bakterien zu einer massiven hBD-2-Induktion führt, könnte dieses Peptidantibiotikum Teil einer gegen gramnegative Bakterien gerichteten Abwehrstrategie der Haut sein. Wenn diese Vermutung stimmt, kann man erwarten, dass in der Haut und Schleimhaut unter Entzündungsbedingungen auch AMP induziert werden, die gegen grampositive Bakterien wie Staphylococcus aureus gerichtet sind. Dies ist tatsächlich der Fall. So kommt in entzündeter Haut und insbesondere in Wunden (7) ein weiteres beta-Defensin in hohen Konzentrationen vor: hBD-3.
Im Gegensatz zu hBD-2 ist hBD-3 ein Breitbandantibiotikum, das auch Methicillin-resistente und Vancomycin-resistente Staphylokokken abtötet. Wie ist das möglich? Betrachtet man hBD-3-behandelte S. aureus unter dem Elektronenmikroskop, erkennt man massive Zellwand-Ablösungen (Abbildung 5).
Abbildung 5: Defensine beeinflussen die Integrität der bakteriellen Membran. Links: hBD-2 lysiert E. coli über blasenartige Membranteile. Rechts: Staphylococcus aureus zeigt nach Behandlung mit hBD-3 Zeichen einer Zellwandablösung.
Dieses Bild ist nahezu identisch mit dem Bild Penicillin-behandelter S. aureus (8). Damit scheint hBD-3 die gleichen Zielstrukturen (das Autolyse-System) anzugreifen wie Penicillin und erweist sich damit, zumindest hinsichtlich der Wirkungsweise, als »Penicillin des Menschen«.
Struktur-Wirkungs-Beziehungen
Die Mehrzahl der körpereigenen antimikrobiell wirksamen Stoffe hat Peptidstruktur (11 bis 45 Aminosäuren). Sie enthalten einen hohen Anteil basischer Aminosäuren (Lysin oder Arginin) und haben dadurch unter physiologischen Bedingungen kationische Eigenschaften. Ein zweites strukturelles Charakteristikum ist eine amphipathische Struktur, das heißt, dass hydrophobe und hydrophile Aminosäuren in bestimmten Bereichen der Peptidkette auftreten. Durch die Ausbildung von Schwefelbrücken über Cysteine, beispielsweise bei Defensinen und Thioninen in Pflanzen, sind viele AMP gegenüber Proteolyse resistent.
Trotz dieser Gemeinsamkeiten zeigen AMP erhebliche Unterschiede in der dreidimensionalen Struktur. Einige Peptide haben eine helikale Struktur, während andere Faltblatt-Strukturelemente enthalten (beispielsweise die Beta-Defensine, Abbildung 4).
Abbildung 6: Wirkungsweise antimikrobieller Peptide. Kationische amphipathische AMP binden zunächst an die Doppelschicht der Bakterienmembran (oben). Dimere dieser AMP »tauchen« in die Membran ein und bilden Aggregate in der Weise, dass die lipophilen (äußeren) Teile der AMP mit lipophilen Bereichen der Doppelmembran interagieren.
Obwohl bislang nur wenige natürliche AMP im Detail untersucht wurden, ist es sehr wahrscheinlich, dass der Hauptangriffsort der meisten Peptide die Zytoplasmamembran der Mikroorganismen ist.
Man nimmt an, dass Defensine bei gramnegativen Bakterien zunächst (als Monomere oder Dimere) an die negativ geladene Bakterien-Plasmamembran binden, in die Membran »eintauchen«, dort Aggregate und zum Beispiel Hexamere bilden. Diese formen in der Mitte einen Hohlraum und stellen damit strukturell Poren dar. Der Hohlraum besitzt eine definierte Größe und ist von kationischen Aminosäuren flankiert (Abbildung 6). Dadurch ist ein Ladungsaustausch sowie Wasser- und Ionentransport durch die Bakterienmembran hindurch möglich, die gemeinsam schließlich den Mikroorganismus abtöten (1).
Dieser Wirkmechanismus führt automatisch zur Frage, wie eine Spezifität für bestimmte Mikroorganismen erreicht wird und warum die Peptide (bei physiologischen Konzentrationen) in der Regel für Säugerzellen nicht toxisch sind. Ein Grund mag sein, dass Bakterienmembranen einen sehr hohen Anteil negativ geladener Lipide beinhalten, die bevorzugt kationische Peptide binden. Ein weiterer Grund könnte der sehr hohe elektrische Potenzialgradient durch die Bakterienmembran hindurch sein, und schließlich enthalten Bakterienmembranen, im Gegensatz zu Säugetierzellen, kein Cholesterol. Interessanterweise kann die Membran-Lipidzusammensetzung die AMP-Wirkung entscheidend beeinflussen: So inhibiert Cholesterol in der Membran die Porenbildung!
Keine Resistenzen bekannt
Die primär physikalische Wirkungsweise vieler kationischer AMP erklärt, warum erworbene Resistenzen der Bakterien gegen kationische AMP wenig wahrscheinlich sind und kaum beobachtet werden. Bei ständiger Exposition mit subletalen Dosen kationischer AMP über einen sehr langen Zeitraum (700 Expositionen) können Bakterien jedoch unempfindlich und sogar resistent werden (9). Dieses Versuchsergebnis war überraschend, muss aber bei einem möglichen Einsatz, zum Beispiel in der Kosmetik, beachtet werden.
Trotzdem scheint Resistenz in der Natur kaum vorzukommen, da kationische AMP schon seit Millionen Jahren existieren und Mikroben nicht resistent gegen die ubiquitär im Körper vorkommenden Peptide geworden sind. Warum? Neben der physikalischen Wirkweise liegt dies an ihrem Auftreten: Kationische AMP sind in der Regel in den Zellen verborgen oder nur kurzzeitig extrazellulär verfügbar. Die Zeiträume und Konzentrationen scheinen nicht auszureichen, um eine Resistenz zu induzieren – zumal nur wenige Bakterien mit antimikrobiell wirksamen Konzentrationen dieser Peptide in Kontakt kommen.
Aber warum werden auf der Haut und Schleimhaut lebende Mikroben nicht resistent? Die plausibelste Erklärung liefert der andersartige Wirkmechanismus der oberflächenexponierten AMP. So hat Psoriasin eine hohe Affinität zum lebenswichtigen Spurenelement Zink, das Bestandteil der im Periplasma lokalisierten Kupfer-Zink-Superoxid-Dismutase ist, und tötet damit indirekt die Bakterien ab (3). In ähnlicher Weise wirkt das in Sekreten vorhandene antimikrobielle Protein Lipocalin-2, das Siderophore (Fe3+-bindende Substanzen in Mikroben) bindet und damit den Bakterien den Zugang zum lebenswichtigen Eisen nimmt.
Das Zusammenwirken von hornschichtgebundenen, freien und induzierbaren AMP bei der Abwehr von Bakterien auf der Haut zeigt die Abbildung 7.
Abbildung 7: Mechanismus der Oberflächenabwehr bei Beginn einer bakteriellen Infektion der Haut
Insgesamt reicht aber die Anwesenheit dieser antimikrobiell wirksamen Faktoren auf den Körperoberflächen nicht aus, um zu erklären, warum die vielen Bakterien, insbesondere aus der Umwelt, den Menschen nicht infizieren. Erste Ergebnisse aus laufenden Forschungsarbeiten weisen darauf hin, dass es auf den Körperoberflächen weitere, noch viel »intelligentere« Abwehrstrategien der Epithelzellen gibt. An deren Aufklärung wird intensiv geforscht.
Endogene AMP-Induktoren
Einige Defensine wie hBD-2 und -3 und andere AMP wie das Cathelicidin LL37 werden erst bei Bedarf, nach Induktion in der Haut und Schleimhaut, produziert. Man kennt heute endogene und exogene Induktoren der AMP-Expression.
Bestimmte, bei Entzündungen vorhandene Zytokine erwiesen sich als potente Induktoren. Wir wissen heute, dass eine bestimmte Subpopulation von in die Haut eingewanderten Blut-Lymphozyten, die sogenannten Th17-Lymphozyten, nach Stimulation mit bestimmten Antigen-präsentierenden Zellen die Zytokine Interleukin 17 (IL-17, der Namensgeber dieser Zellen) und IL-22 freisetzen. IL-17 induziert proentzündliche Zytokine wie IL-8 und andere sowie IL-22. Letzteres kann in Haut- und Schleimhaut-Epithelzellen die Expression von AMP wie hBD-2, Psoriasin und Calprotectin (manganbindendes AMP; 10), induzieren (11). IL-22 führt aber nicht zu einer verstärkten Produktion von Entzündungsmediatoren!
Bei der Psoriasis werden sowohl IL-17 als auch IL-22 vermehrt gebildet. Diese scheinen sowohl für die exzessiven Mengen an hBD-2, Psoriasin und Calprotectin als auch für die Produktion des Granulozyten-Lockstoffs IL-8, der eine Gewebsinfiltration dieser Zellen verursacht, verantwortlich zu sein.
Man postuliert heute, dass IL-17 in Hautzellen eine Entzündung hervorruft, während IL-22 eine Abwehrreaktion ohne Entzündungszellen induziert. Erkenntnisse aus dem letzten Jahr zeigen, dass in verschiedenen Barriereorganen wie Darm und Haut bestimmte Subpopulationen von Lymphozyten (»Th22-Zellen«) existieren, die nur IL-22 produzieren und damit für die nicht-entzündliche Infektabwehr durch Induktion von Defensinen sorgen.
Stimulanzien aus Bakterien
Neben dieser durch endogene Mediatoren ausgelösten Stimulation ist auch eine direkte Aktivierung der AMP-Produktion in Haut und Schleimhaut nach Kontakt mit Bakterien oder bakteriellen Produkten möglich.
Dieser Prozess wird durch sogenannte Toll-like-Rezeptoren (TLR) oder Nucleotid-Oligomerization-Domains (NOD) vermittelt, die der Erkennung bakterieller Teilstrukturen dienen. Diese Rezeptoren befinden sich primär auf Epithelzellen, aber auch auf Blut-Leukozyten. Obwohl lange Zeit vermutet wurde, dass bakterielles Endotoxin (Lipopolysaccharide) AMP induziert, zeigten Versuche mit synthetischem Material, dass dies nicht der Fall ist. Der wichtigste bakterielle AMP-Induktor ist das Flagellin, das über TLR-5 in verschiedenen Epithelzellen die Synthese von Psoriasin und hBD-2 stimuliert (12).
Pflanzen, Tiere und Menschen produzieren ständig (konstitutiv) oder nach Stimulation (induziert) körpereigene antimikrobielle Peptide (AMP), die bei der Abwehr von Mikroorganismen auf Haut und Schleimhäuten unverzichtbar sind. Zu den körpereigenen Antibiotika gehören zum Beispiel Lysozym, Psoriasin, Cathelizidine sowie Alpha- und Beta-Defensine. Defensine sind 30 bis 42 Aminosäuren lange Peptide, die grampositive und -negative Bakterien, Pilze, umhüllte Viren und Protozoen abtöten. Sie zählen zum angeborenen (»unspezifischen«) Immunsystem und werden in Epithelzellen verschiedener Organe und in Granulozyten gebildet.
Interessanterweise wird Flagellin aus den Flagellen bei der Biofilmbildung des Feuchtkeims Pseudomonas aeruginosa freigesetzt. Flagellen dienen der Fortbewegung der Bakterien und sind normalerweise fest mit diesen verhaftet. Die Freisetzung erfolgt durch das »Biosurfactant« Rhamnolipid, das bei der Adhäsion und Biofilmbildung der Bakterien produziert wird und gleichzeitig die Flagellen abspaltet (13). Es scheint, als würden Haut und Schleimhaut auf diese Weise für den Organismus gefährliche biofilmbildende Keime erkennen und sofort eine vom Immunsystem unabhängige Abwehrreaktion initiieren.
Weiterhin können probiotische Bakterien, zum Beispiel E. coli Nissle, in Flagellin-abhängiger Weise Darmepithelzellen zur Bildung von hBD-2 anregen, ohne gleichzeitig eine Entzündung auszulösen. Dies könnte ein Wirkprinzip von Probiotika sein. Somit könnte es mitunter sinnvoll sein, bei Darminfektionen nicht Antibiotika zu geben, sondern durch Probiotika die Bildung von AMP anzuregen, die dann ihrerseits antibakteriell wirken. Neben dem Flagellin scheint es noch weitere hBD-2- und andere AMP-induzierende Faktoren mikrobiellen Ursprungs zu geben, die bislang aber nicht näher charakterisiert wurden.
Defensine und Vitamin D
Ein weiteres wichtiges induzierbares Defensin des Menschen, hBD-3, wird in großen Mengen von Hautkeratinozyten der Wundränder produziert. Die Induktion von hBD-3 erfolgt, anders als bei hBD-2 und Psoriasin, über den Epidermal Growth Factor-Rezeptor (EGFR) und unterschiedliche EGFR-Liganden, die bei der Verwundung durch Metalloproteasen freigesetzt werden. Dies könnte erklären, warum EGFR-Antagonisten, die in der Tumortherapie eingesetzt werden, die Infektanfälligkeit insbesondere der Schleimhäute erhöhen können.
Neben den beta-Defensinen und Psoriasin wird auch die Bildung von LL-37 in Epithelzellen und Makrophagen induziert. Dieses AMP ist ein Peptidfragment des Cathelicidins hCAP-18, das in Granulozyten permanent vorkommt. Zur Induktion sind bei der Wundheilung beteiligte Zytokine und Wachstumsfaktoren wichtig. Als besonders interessant erwies sich eine durch 1,25-Dihydroxy-Vitamin D ausgelöste LL-37-Induktion. Einem deutsch-amerikanischen Forschungsteam gelang es, in vitro und in vivo einen Zusammenhang zwischen Licht, Vitamin-D-Synthese und Tuberkulose nachzuweisen. Dabei konnten die Autoren zeigen, dass Vitamin D in den mit Mykobakterien infizierten Makrophagen LL-37 induziert, das wiederum die intrazellulären Erreger abtötet. Zusätzlich wurde beobachtet, dass eine inverse Korrelation zwischen Vitamin-D-Blutspiegeln und Tuberkulose-Infektionsrisiko bestand (13). Damit war auch geklärt, warum eine Lichttherapie (für die Niels Finsen 1903 den Nobelpreis erhielt) bei Tuberkulose so wirksam ist.
Jüngst publizierte Arbeiten weisen darauf hin, dass Vitamin D auch die Produktion von Beta-Defensinen modulieren kann. Eine direkte Induktion findet aber nicht statt.
Induzieren Phytopräparate AMP?
Diskutiert wird auch, ob einige topisch angewandte Phytopräparate statt oder zusätzlich zu einer direkten Wirkung die Expression von AMP in der Schleimhaut und der Haut induzieren und damit deren Immunität »stärken« können. Diese Hypothese ist deshalb so interessant, weil Pflanzen bei Verletzungen und beginnenden Infektionen die flüchtigen Ester der Jasmonsäure (die strukturell Prostaglandinen ähneln) und Salicylsäure freisetzen, die in Pflanzen AMP induzieren (1).
Allerdings zeigten eigene Untersuchungen, dass weder Jasmon- noch Salicylsäuremethylester in humanen Haut-Keratinozyten hBD-2 induzieren. Gleiches gilt für verschiedene Bestandteile ätherischer Öle wie Menthon und Cineol. Vielleicht gelingt es bei künftigen systematischen Studien, in pflanzlichen Extrakten AMP-Induktoren zu identifizieren und damit neuartige Mechanismen einer »Immunstimulation« durch Phytopharmaka nachzuweisen.
Antiviral wirksame Peptide
Die Abwesenheit bakterieller und fungaler Infektionen in gesunder Haut und Schleimhaut wird mit der Vielzahl an bakterizid und fungizid wirksamen Peptiden erklärt. Aber warum leidet der Mensch nicht permanent an Virusinfektionen der Schleimhaut?
Dieses Forschungsgebiet steckt noch in den Kinderschuhen. Doch es konnte gezeigt werden, dass neutrophile Granulozyten des Blutes, die in sehr geringer Anzahl in Lavage-Flüssigkeit der Lunge nachgewiesen wurden, das alpha-Defensin HNP-1 freisetzen. Dieses kann Adenoviren inaktivieren und damit eine Infektion verhindern (14). Als Mechanismus wird die spezifische lektinartige Bindung an Glyko-Strukturen der Viren diskutiert.
Auch die Beta-Defensine hBD-2 und hBD-3 zeigen in vitro antivirale Aktivität: Sie können die HIV-Replikation und Herpes-simplex-Infektionen inhibieren (15). Die Induktion dieser epithelialen Defensine bei Rhinovirus-Infektionen der Lunge sowie in Warzen bestärkt die Vermutung, dass sie auch in vivo antivirale Aktivität besitzen. Der Wirkmechanismus ist nicht klar. Man diskutiert, dass diese Peptide die Fusion der Viruspartikel mit den Körperzellen verhindern.
Peptide in klinischer Prüfung
Antimikrobielle Peptide haben einige hervorragende Eigenschaften, die sie als neuartige Antibiotika interessant erscheinen lassen. Zurzeit befinden sich einige AMP in der klinischen Erprobung. So wurden Abkömmlinge des alpha-helikalen Froschpeptids Magainin (MSI-78) bei polymikrobiell besiedelten diabetischen Ulcera der Füße getestet. Bei topischer Applikation zeigten sie die gleiche Wirksamkeit wie oral appliziertes Ofloxacin, aber keine Nebenwirkungen. Daneben sind Abkömmlinge tierischer AMP als Antiinfektiva bei Katheter-Infektionen (MBI-226, Micrologix), Akne (MBI-594, Micrologix) und Gingivitis (P-113, Demegen) in der klinischen Testung (16).
Weitere Peptide wie das von Laktokokken produzierte AMP Nisin und ein Abkömmling eines Protegrins (AMP der Schweine-Leukozyten) mit dem Namen IB-367 werden klinisch beispielsweise gegen Helicobacter pylori-Infektionen bei Magenulcera sowie gegen orale, polymikrobielle orale Ulcera (orale Mucositis) bei immunsupprimierten Tumorpatienten getestet. Sie zeigen eine gute Wirksamkeit.
Angelehnt an den natürlichen Syntheseort der meisten AMP in den Epithelzellen wurden Forschungssubstanzen bislang hauptsächlich topisch appliziert. Einige kürzlich publizierte Studien zeigen aber, dass antimikrobielle Peptide prinzipiell auch bei systemischen Infektionen einsetzbar sind. Ein 2005 entdecktes, neues AMP mit hohem therapeutischen Potenzial für den systemischen Einsatz ist Plektasin. Dieses Defensin wurde aus dem saprophytischen Ascomyceten Pseudoplectania nigrella isoliert. Es zeigte eine besonders hohe Wirksamkeit gegenüber Pneumokokken in vitro und in einem In-vivo-Maus-Infektionsmodell (17).
Diese Befunde lassen hoffen, dass AMP, die die erste strukturell wirklich neue Klasse von Antibiotika seit 30 Jahren darstellen, ein großes Potenzial bergen. Sie könnten zu einem Durchbruch in der Behandlung von Infektionen mit antibiotikaresistenten Erregern führen.
AMP-Induktion als Therapie
Die Erkenntnis, dass viele endogene epitheliale AMP induzierbar sind, könnte auch zu einer neuen Strategie der Infektionsprophylaxe führen. Es ist vorstellbar, dass Therapeutika entwickelt werden, die – ohne eine Entzündung auszulösen – über epitheliale Rezeptoren die endogene AMP-Synthese auf der Haut und Schleimhaut anregen. Damit könnten sie die »natürliche Immunität« dieser Epithelien erhöhen, ähnlich wie dies bei Pflanzen durch Jasmonate und Salicylate möglich ist.
Eventuell enthalten auch einige Phytopharmaka oder in der Volksmedizin eingesetzte, bewährte Mittel AMP-Induktoren. Nach Identifikation und Isolierung könnten diese gezielt eingesetzt werden. Darüber hinaus ist möglich, dass probiotische Mikroorganismen, die die Expression von AMP anregen, für die Infektionsprophylaxe und Therapie eingesetzt werden. Dies ist zwar noch Zukunftsmusik, aber die Überprüfung dieser Hypothesen dürfte interessant für viele Forscher sein. /
Literatur
...beim Verfasser
Jens-M. Schröder studierte in Kiel Chemie. Nach der Promotion in Organischer Chemie 1980 wechselte er zur Hautklinik des Universitätsklinikums, wo er sich 1990 im Fach »Experimentelle Dermatologie« habilitierte. Dort folgte er einem Ruf auf eine Professur für Entzündungsbiochemie und wurde gleichzeitig Leiter einer von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Klinischen Forschergruppe über Mechanismen kutaner Entzündungsreaktionen. Nach der Entdeckung mehrerer körpereigener Peptidantibiotika initiierte er einen Sonderforschungsbereich zum Thema »Molekulare Mechanismen der epithelialen Abwehr«, den er als Sprecher führte. Schröder erhielt zahlreiche Ehrungen und Preise und ist Mitglied der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina. Er wird die nächste »Gordon Research Conference on Antimicrobial Peptides« ausrichten und erhielt kürzlich von der DFG die Bewilligung für ein begehrtes »Reinhart Koselleck-Projekt«, in dem er hoch riskante Forschungen zum Thema »Resistenzvermeidende antibiotische Prinzipien der Haut« ausführen wird.
Professor Dr. Jens-M. Schröder
Klinik für Dermatologie, Venerologie und Allergologie
Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Kiel
Arnold-Heller-Straße 7
Haus 19
24105 Kiel
