Neue Spieler im Orchester der Autoimmunität
Funktionelle Autoantikörper
Funktionelle Autoantikörper binden an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) und aktivieren dort unkontrolliert Second-messenger-Kaskaden. Diese können sogenannte „functional autoantibody diseases“ auslösen.
Schlüsselwörter: Autoimmunität, funktionelle Autoantikörper, G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR).
Ein funktionierendes Immunsystem ist der Garant für die Unversehrtheit des menschlichen Organismus. Um die individuelle Integrität zu gewährleisten, unterscheidet es zwischen „eigen“ und „fremd“. Als Autoimmunität bezeichnet man den Verlust oder die Einschränkung der Selbsttoleranz – ein Phänomen, das auch gesunde Individuen vor allem im Alter betreffen kann. Aus der überschießenden Autoimmunität resultieren vielfältige Autoimmunerkrankungen, deren Entstehen durch genetische und epigenetische Faktoren sowie Umweltbedingungen begünstigt wird.
„Klassisch“ versus „funktionell“
Mittlerweile ist für Selbstantigene ebenso wie für Fremdantigene akzeptiert, dass diese mit einem Antikörper reagieren und anschließend von zellulären Bestandteilen des Immunsystems zerstört werden. Zusätzlich zu diesen destruktiven – häufig auch als „klassisch“ bezeichneten – Autoantikörpern gibt es eine zweite Klasse, die erst 1977 in Schlüsselexperimenten entdeckt wurde. Diese binden an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) und stoßen ganz ähnlich wie physiologische oder pharmakologische Liganden Signalkaskaden an, in deren Folge die Funktion der Zielzellen und letztlich auch die Struktur von Geweben und Organen verändert werden. Diese „GPCR autoantibodies“ (GPCR-AAB) werden im Deutschen als „funktionelle Autoantikörper“ bezeichnet.
Die pathogenetische Bedeutung der GPCR-AAB wird verständlich, wenn man sich vergegenwärtigt, welchen Stellenwert GPCR im menschlichen Organismus besitzen. Die dazugehörigen Krankheiten können unter „functional autoantibody diseases“ zusammengefasst werden.
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
GPCR gehören zur Superfamilie der heptahelikalen Transmembranproteine, die ca. 80% aller Rezeptoren unseres Körpers ausmachen. Sie sind an der Verarbeitung zahlreicher Signale beteiligt – von Sinnesreizen über die Stoffwechselregulation, Entzündungsprozesse, Chemotaxis, Endo- und Exozytose bis zu Zellwachstum, -differenzierung und -tod.
Vor allem die transmembranöse Signalübertragung vieler glandulärer Hormone, Gewebshormone und Neurotransmitter erfolgt über GPCR. Und wie bei diesen gilt auch für die Bindung extrazellulärer GPCR-AAB, dass „second messenger“-Mechanismen aktiviert werden, durch die Informationen zu den intrazellulären Zielstrukturen gelangen.
In der Zellkultur lassen sich diese Effekte sehr gut demonstrieren. Werden zum Beispiel isolierte, spontan schlagende Herzmuskelzellen einer Ratte mit einer IgG-Fraktion aus dem Blut von Patienten mit Chagas-Kardiomyopathie inkubiert, so steigt deren Kontraktionskraft und Schlagfrequenz. Daraus leitete sich die Vermutung ab, dass diese IgG-Fraktion einen Antikörper enthält, der gegen einen Rezeptor adrenerger Signalwege gerichtet ist. Und tatsächlich konnte als Zielstruktur des Autoantikörpers (β1-AAB) der zu den GPCR gehörende β1-adrenerge Rezeptor identifiziert werden.
Ähnlich funktioniert der TSH-Rezeptor-Autoantikörper (TRAK), der nahezu zeitgleich im Blut von Patienten mit Morbus Basedow entdeckt wurde. Nach Bindung an humane Schilddrüsenmembranen nimmt deren cAMP-Produktion zu, wobei die extrazelluläre N-terminale Domäne desG-Protein-gekoppelten TSH-Rezeptors als Bindungsort identifiziert werden konnte. Heute sind sowohl stimulierende als auch hemmende und neutralisierende TRAK bekannt. GPCR-AAB vom β1-AAB-Typ binden im Unterschied zu TRAK an die extrazellulären Rezeptorloops der GPCR.
In Tab. 1 sind – ohne Anspruch auf Vollständigkeit – Krankheiten aufgeführt, bei denen funktionelle Autoantikörper gegen extrazelluläre Rezeptorloops als ursächlich oder die Pathogenese unterstützend angesehen werden. Sie gelten deshalb als potenzielle Ziele für therapeutische Maßnahmen. Während die pathophysiologische Funktion von TRAK bei Morbus Basedow mit der entsprechenden Diagnostik und Therapie inzwischen zum medizinischen Standardwissen gehören, muss Vergleichbares für die meisten in Tab. 1 aufgeführten Autoantikörper gegen extrazelluläre GPCR-Loops erst noch erreicht werden. Für einige dieser Erkrankungen sind bereits Therapiekonzepte in der klinischen Prüfung, aber viele andere Krankheiten warten noch auf solche therapeutischen Maßnahmen.
Pathomechanismus
Binden physiologische und pharmakologische Liganden an GPCR, so wird durch Regel- und Schutzmechanismen, insbesondere Rezeptordesensitivierung und Down-Regulation, eine überschießende Wirkung auf die Zielzellen verhindert. Wenn aber funktionelle Autoantikörper an den entsprechenden GPCR binden, fehlen solche Kontrollmechanismen weitgehend; so werden funktionelle und strukturelle Veränderungen in den Zielzellen in einem Ausmaß induziert, das letztlich in eine funktionelle Autoantikörperkrankheit“ (functional autoantibody disease) mündet.
Zumindest im Fall der gegen extrazelluläre Rezeptorloops gerichteten GPCR-AAB kann man davon ausgehen, dass sie ihre funktionelle Aktivität nur dann entfalten, wenn die Bindung zu einer Koppelung (cross-linking) von zwei Rezeptoren führt.
Abb. 1 illustriert anhand der chronotropen Wirkung von β1-AAB auf kultivierte spontanschlagende neonatale Rattenkardiomyozyten die Bedeutung des Rezeptor-cross-linking für die funktionelle Aktivität von GPCR-AAB. Monovalente Fab-Fragmente von GPCR-AAB binden zwar am Rezeptor, sind jedoch funktionell unwirksam. Aktivität entsteht erst, wenn die Monomere nachfolgend mit Anti-Fab-Antikörpern verlinkt werden; dies ist dem cross-linkin“ von zwei Rezeptoren durch den nativen Autoantikörper vergleichbar. Da überrascht es nicht, dass F(ab)2-Fragmente ebenfalls funktionell aktiv sind.
Der Weg vom funktionellen Autoantikörper zur entsprechenden Erkrankung lässt sich am Beispiel der β1-AAB-induzierten Kardiomyopathie skizzieren. Je nach Art der Kardiomyopathie unterscheiden sich die β1-AAB durch unterschiedliche Epitope auf einem der Rezeptorloops. Ihre Bindung an GPCR führt über cAMP-, Ca2+- und Arrestin-abhängige Signalwege zur Aktivierung von Proteinkinasen und MAPK/ERK. Diese wiederum steuern Prozesse, an deren Ende die – für eine Kardiomyopathie typischen – funktionellen und strukturellen Zell- und Gewebeveränderungen stehen, die letztlich zur Herzinsuffizienz führen.
Therapiekonzepte
Für die Behandlung der hier beschriebenen Erkrankungen stehen unterschiedliche Strategien zur Verfügung. Einzig die Entfernung der Autoantikörper aus dem Patientenblut zeigte bislang einen überzeugenden Nutzen im Vergleich zur antiinflammatorischen und immunmodulierenden Standardtherapie. Das gilt besonders für GPCR-AAB-positive Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie oder pulmonaler Hypertonie.
Bei diesem Verfahren wird zuerst durch Plasmapherese das Patientenblut extrakorporal in Blutzellen und Plasma getrennt. Aus dem Plasma werden anschließend mittels Immunabsorption (IA) die als schädlich eingestuften IgG- oder IgG-Subklassen entfernt, bevor dem Patienten das GPCR-AAB-freie, rekonstruierte Blutzell-Plasma-Gemisch reinfundiert wird. Am eindrucksvollsten lässt sich der Effekt am „5-Jahres-Outcome“ der Patienten nach einer solchen Behandlung beweisen. Zukunftsweisende Untersuchungen liegen auch zum Diabetes mellitus Typ II, für die periphere Verschlusskrankheit und sogar für die Alzheimer-Krankheit vor.
Als Alternative zur belastenden und teuren Immunadsorption kommt schließlich auch eine medikamentöse Therapie infrage, die entweder das Ziel hat, die Antikörperproduktion zu hemmen oder bereits gebildete Antikörper zu neutralisieren (Abb. 2). Ein neutralisierendes Therapiekonzept mit dem intravenös applizierbaren Aptamer BC 007 wurde kürzlich patentiert und befindet sich in der klinischen Erprobung. Ob es bei geringeren Kosten, einfacherer Logistik und verminderter Patientenbelastung ähnlichen Nutzen wie die Immunabsorption bringt, muss die Zukunft zeigen.
Diagnostik
In der Immunologie ist die Rolle der funktionellen Autoantikörper als Auslöser der hier beschriebenen Erkrankungen inzwischen weitgehend akzeptiert. Dennoch zögern die meisten Kliniker bisher, daraus therapeutische Konsequenzen zu ziehen. Eine Hauptursache dafür dürfte das Fehlen ausreichend validierter Assays für GPCR-AAB im Routinelabor sein.
Für die Forschung wurden bisher hauptsächlich Bioassays und ELISA-Techniken genutzt. Die Bioassays sind sehr aufwendig, erfassen dafür aber tatsächlich die in-vivo bedeutsamen, funktionell aktiven GPCR-AAB. Inkubiert man Herzmuskelzellen mit GPCR-AAB, kann man entweder einen globalen Effekt (Steigerung der Schlagfrequenz bzw. der Kontraktionsstärke) oder ein spezifisches biochemisches Signal, zum Beispiel einen Anstieg der intrazellulären Kalzium- bzw. cAMP-Konzentration, messen.
Am bekanntesten ist ein Bioassay zum Nachweis der chronotropen Wirkung von GPCR-AAB an kultivierten neonatalen, spontan-schlagenden Rattenkardiomyozyten. Durch intelligenten Einsatz von Rezeptorblockern können dabei verschiedene GPCR-AAB parallel bestimmt werden.
Mit den ELISA lässt sich bisher nicht zwischen funktionell aktiven, also pathogenen, und inaktiven GPCR-AAB unterscheiden. Auch fehlen für die eigenentwickelten ELISA Standardisierung und Validierung, insbesondere hinsichtlich der Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus Bioassays. Dies fehlt auch für kommerziell verfügbare ELISA, die darüber hinaus bisher nur für Forschungszwecke zugelassen sind.
Generell ist davon auszugehen, dass GPCR-AAB sich nur dann richtig messen lassen, wenn die im Assay genutzten GPCR-AAB-Binder (Peptidsequenzen, Rezeptorbruchstücke, Rezeptoren) die exakt gleiche Konformation besitzen wie die entsprechenden Epitope in der nativen Zellmembran. Aus der Literatur ist nicht ersichtlich, ob und in welchen ELISA dieses Problem befriedigend gelöst ist. So wird in der Literatur explizit darauf hingewiesen, dass patientenbezogene Schlussfolgerungen basierend auf ELISA-Daten als vorläufig anzusehen seien, insbesondere dann, wenn diese gegen GPCR-AAB gerichtete Therapiekonzepte begründen sollen. Dies trifft in besonderem Maße auf die ELISA-Messungen von β1-AAB zu.
Somit tut sich hier noch ein interessantes Arbeitsgebiet für die Entwickler von Bio- und Immunassays auf. Im Interesse der Schwere der Erkrankung ist die Diagnostika-Industrie gefordert, Tests auf den Markt zu bringen, die funktionsfähige GPCR-AAB detektieren und zugleich die Anforderungen der modernen Laboratoriumsmedizin an die Diagnostik erfüllen. Der Entwicklungsaufwand könnte sich durchaus lohnen.
