Angeborene Immunität bei allergischen Reaktionen
Aus der Grundlagenforschung
Die allergische Kontaktdermatitis ist eine T-Zell-vermittelte ekzematöse Hauterkrankung, die durch niedermolekulare Chemikalien verursacht wird. Diese Chemikalien aktivieren das angeborene Immunsystem anhand von Mechanismen, die normalerweise der Infektionsabwehr dienen. Dazu zählen z. B. die TLR-Aktivierung durch organische und anorganische Substanzen, die ATP-abhängige Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms sowie die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies. Die Aktivierung von Mastzellen und die nachfolgende Rekrutierung neutrophiler Granulozyten in die Haut tragen ebenfalls zu einer sterilen Hautentzündung bei, die letztendlich zu einer T-Zellantwort gegen die Chemikalie führt. Das zunehmende Verständnis der Pathomechanismen eröffnet neue Möglichkeiten für therapeutische Interventionen.
Kontaktdermatitis
Viele niedermolekulare Chemikalien können nach Hautkontakt T-Zell-vermittelte Immunreaktionen hervorrufen. In der Regel handelt es sich dabei um Überempfindlichkeitsreaktionen vom verzögerten Typ (Typ IV), die sich klinisch durch Erythem- und Ekzembildung als allergische Kontaktdermatitis (allergic contact dermatitis, ACD) manifestieren. Die Kontaktdermatitis ist eine der wichtigsten berufsbedingten Hauterkrankungen, an der etwa 15–20% der Allgemeinbevölkerung leiden [1].
Die sehr heterogene Gruppe der auslösenden Chemikalien, der Kontaktallergene, umfasst sowohl organische Verbindungen, die häufig als Duftstoffe (z. B. Zimtaldehyd, Citronellol, Limonen), Konservierungsmittel (z. B. Methylisothiazolinon (MI) und Farbstoffe (z. B. Para-Phenylendiamin, Azofarbstoffe) in Kosmetika oder Haushaltsprodukten enthalten sind, als auch Metallionen wie z. B. Nickel, Kobalt, Palladium oder Chrom. Organische Kontaktallergene binden als sogenannte Haptene (benannt nach Karl Landsteiner 1920 als halbe Antigene; von griech. haptein = greifen, haften, heften) kovalent an Proteine. Hierbei entstehen Hapten-modifizierte Peptide, die als T-Zellepitope dienen können. Diese Proteinreaktivität der Kontaktallergene ist obligatorisch für ihre Antigenizität (d. h. ihre Erkennung durch Immunrezeptoren), da Haptene per se zu klein sind, um vom adaptiven Immunsystem erkannt zu werden. Metallionen wie Nickel oder Kobalt können zusätzlich zur Proteinbindung auch Komplexe mit MHC-Molekülen und T-Zellrezeptoren bilden und somit das Immunsystem sowohl in einer peptidabhängigen als auch -unabhängigen Weise aktivieren [2]. Für die T-Zellerkennung von Medikamenten oder von Beryllium gibt es weitere Mechanismen, die auch ohne kovalente Bindung funktionieren [3, 4]. So bindet das anti-retrovirale Nukleosid-Analogon Abacavir, (z. B. als Medikament in der HIV-Therapie eingesetzt) z. B. in die Bindungsfurche des MHC-Moleküls HLA-B57:01, was zu einer Veränderung des Repertoires MHC-bindender Peptide und damit zu Neo-Epitopen führt, die von einer polyklonalen T-Zellpopulation erkannt werden [3].
Neben der Generierung von T-Zellepitopen ist ein pro-entzündlicher Gewebe kontext Voraussetzung für die Entstehung einer adaptiven T-Zellantwort. Kontaktallergene lösen durch ihre Proteinreaktivität beim Erstkontakt eine (sterile) Entzündung aus. In den Keratinozyten der obersten Hautschichten entstehen Zellschädigungen und zellulärer Stress. Dies führt zur Produktion von unterschiedlichen Gefahrensignalen, z. B. Zytokinen und Chemokinen, reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und Adenosintriphosphat (ATP). Die gewebeständigen Immunzellen wie Mastzellen und Makrophagen werden aktiviert und es kommt zu einem massiven Einstrom von weiteren Zellen des angeborenen Immunsystems wie neutrophilen Granulozyten und Monozyten. Infolge des so entstandenen pro-inflammatorischen Gewebemikromilieus werden epidermale Langerhans-Zellen und dermale dendritische Zellen (DCs) aktiviert, die zu den lokalen Lymphknoten wandern, um dort kontaktallergenspezifische T-Zellen zu aktivieren (Priming) und deren Differenzierung zu zytotoxischen T-Effektor-(Tc) bzw. T-Helferzellen (Th) CD8+ Tc1 CD4+ Th1 und CD8+ Tc17/CD4+ Th17 zu induzieren. Dies beschließt die Sensibilisierungsphase.
Aktivierung des angeborenen Immunsystems durch Kontaktallergene
Um eine vollständige Aktivierung der DCs und somit ein effektives Priming der naiven T-Zellen zu erzielen, ist insbesondere die Aktivierung von sogenannten Mustererkennungsrezeptoren wie den Toll-like-Rezeptoren (TLR) auf den DCs wichtig (Abb. 1). Unsere Untersuchungen im Contact Hypersensitivity (CHS)-Modell, dem Mausmodell der ACD, ergaben, dass eine gleichzeitige Defizienz für TLR2 und TLR4 oder von TLR2 bzw. TLR4 und IL-12Rβ2 eine Sensibilisierung verhindern [5]. Dabei ist es ausreichend, wenn die Defizienz nur in den DCs vorliegt. Dies legte zunächst die Vermutung nahe, dass Bestandteile des natürlichen (Haut-) Mikrobioms als TLR-Liganden für die Sensibilisierung essenziell sind. Interessanterweise können jedoch auch keimfreie Tiere, d. h. Tiere ohne potenzielle exogene Liganden für die TLR-Aktivierung, sensibilisiert werden. Daher folgerten wir, dass endogene Aktivatoren für die TLRs eine wichtige Rolle in der CHS spielen. Wir konnten nachweisen, dass organische Kontaktallergene die Degradation von Hyaluronsäure (HA) in der Haut auslösen, die in dieser Form als endogener TLR-Ligand fungiert. Dabei spielen auch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) eine Rolle, die nach Hautkontakt mit dem Allergen sehr schnell gebildet werden und sowohl direkt als Gefahrensignal als auch indirekt durch weitere Degradation von HA zu einer Aktivierung der DC beitragen (Abb. 1) [6].
Als Folge der TLR-Stimulation entsteht NF-κB-abhängig die unreife Vorläuferform (Proform) von IL-1β, einem wichtigen Zytokin in der CHS. Die Prozessierung zur reifen und sezernierten Form erfolgt über die Caspase-1, die durch das NLRP3-Inflammasom aktiviert wird. Es wurde gezeigt, dass die CHS in NLRP3-defizienten Mäusen und Mäusen, denen das Inflammasom-Adapterprotein ASC fehlt, stark vermindert ist [7]. Dies führte uns zu der Erkenntnis, dass das NLRP3-Inflammasom bei der CHS durch ATP-Freisetzung und der damit verbundenen Aktivierung des purinergen Rezeptors P2X7R aktiviert wird. Wir konnten zeigen, dass P2X7R-defiziente Mäuse resistent gegen CHS sind. Interessanterweise führte die Injektion von rekombinantem IL-1β vor der Sensibilisierung zu einer normalen Immunantwort in diesen Mäusen und somit letzten Endes auch wieder zu einer funktionalen CHS. Somit konnte die Relevanz der ATP-NLRP3-Caspase-1-IL-1β-Achse für die Entstehung der CHS nochmals hervorgehoben werden (Abb. 1) [8].
Unsere weiteren Untersuchungen zeigten, dass ein Defekt von NLRP3 bzw. P2X7R in DCs alleine ausreichend war, um deren Sensibilisierungspotenzial aufzuheben. Umgekehrt reichte es z. B. bereits aus, P2X7R-defiziente Mäuse durch intrakutane Injektion kontaktallergenbeladener Wildtyp-DCs zu sensibilisieren, um eine CHS auslösen zu können [8].
Zudem konnten wir zeigen, dass schon in der Sensibilisierungsphase die Rekrutierung neutrophiler Granulozyten essenziell ist [9]. Diese Rekrutierung wiederum ist die Konsequenz einer schnellen Mastzellaktivierung. Bei Depletion von Mastzellen bzw. der Verwendung von Neutrophilen-defizienten Tieren kommt keine CHS zustande, da die Wanderung von DCs in die lokalen Lymphknoten in beiden Fällen vermindert ist und somit keine effiziente Aktivierung naiver T-Zellen mehr erfolgt [8, 10]. Durch adoptiven Transfer von Allergen-spezifischen Effektor-T-Zellen konnten wir zeigen, dass in Abwesenheit von Neutrophilen die T-Zellen während der Auslösephase nicht in die Haut rekrutiert werden können.
Auch während der Auslösephase kommt es durch erneuten Hautkontakt mit dem auslösenden Kontaktallergen zu einer Entzündungsreaktion, die zur Rekrutierung Kontaktallergen-spezifischer T-Zellen in die Haut führt. Dort führen die Zytokinsekretion der T-Zellen und ihre zytotoxische Aktivität im Zusammenspiel mit der Aktivität anderer Zellen wie z. B. Mastzellen und Neutrophilen zum klinischen Bild der allergischen Kontaktdermatitis. Diese Daten demonstrieren das essenzielle Zusammenspiel verschiedener Zelltypen bei der Orchestrierung einer sterilen Immunantwort wie hier am Beispiel der CHS. Alle Elemente werden benötigt, um eine ausreichend starke Entzündung zu erreichen. Bei Fehlen egal welchen Zelltyps scheint ein kritischer Schwellenwert zur Auslösung einer vollständigen Immunantwort nicht erreicht zu werden.
Augmentation der Sensibilisierung durch Mixturen
Die unspezifische Natur der angeborenen Immunantwort erklärt auch, warum die Kombination von mehreren schwachen Kontaktallergenen, z. B. Duftstoffen wie Zimtaldehyd, Citronellol, Eugenol und Limonen, oder von Kontaktallergenen und Irritanzien wie Natriumdodecylsulfat (SDS) z. B. in Kosmetika oder vielen Haushaltsprodukten zu einer unerwarteten Sensibilisierung führen können. Hier kommen additive/synergistische Effekte zum Tragen, die eine Verstärkung der angeborenen Immunantwort und damit eine effiziente Aktivierung von DCs bewirken, die durch die Einzelsubstanzen nicht erreicht werden könnte. Auch eine Infektion könnte hier zu einer ausreichend starken DC-Aktivierung führen, die dann eine Sensibilisierung durch ein Kontaktallergen erlaubt [11, 12]. Dieses hypothetische Szenario konnten wir bereits experimentell nachstellen, indem wir DCs aus Kontaktallergie-resistenten TLR4/IL-12Rβ2-defizienten Mäusen zur Sensibilisierung intrakutan injiziert haben. Diese DCs waren mit Kontaktallergen beladen und wurden vor der Injektion zusätzlich mit CpG-Oligodeoxynukleotiden (CpG-ODN), d. h. mit Liganden für den auch durch bakterielle und virale Infekte aktivierten TLR9, vorbehandelt oder nicht. Die unbehandelten DCs lösten keine, die CpG-ODN-behandelten eine effiziente Sensibilisierung aus. Die CHS-Reaktion war mit der von Wildtyp-Mäusen vergleichbar [5].
Typ-I-Allergie und angeborenes Immunsystem
Die Typ-I-Allergie ist eine Überempfindlichkeitsreaktion vom Soforttyp und wird durch Mastzellen und Mastzell-gebundenes IgE vermittelt. Auch hier ist die Aktivierung des angeborenen Immunsystems von Bedeutung. Die Aktivierung des TLR4 ist für die Sensibilisierung im Mausmodell der Atemwegsüberempfindlichkeit erforderlich und auch bei der Sensibilisierung gegen Pollenallergene von Bedeutung. Pollenassoziiertes bakterielles LPS aus der Umwelt stimuliert TLR4 und wirkt so als Adjuvans [13]. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass Allergene wie das Hausstaubmilbenprotein Der p2, das Katzenallergen Fel d1 oder das Hundeallergen Can f6 TLR-Signale über verschieden Mechanismen verstärken können [14].
Interessanterweise konnte der epidemiologische Befund, dass das Leben auf dem Bauernhof einen protektiven Effekt in Bezug auf die Entwicklung von Typ-I-Allergien bei Kindern hat, jetzt erklärt werden [15]. In Stallstäuben vorkommende protektive Bakterienspezies wie z. B. Acinetobacter lwoffii bewirkten TLR-abhängig im Mausmodell der Atemwegsüberempfindlichkeit bereits die Polarisierung des Immunsystems in Richtung einer Th1-Antwort und verhinderten so die Ausbildung einer Typ-I-Allergie. Der protektive Effekt kann bereits im Mutterleib erworben werden [16, 17].
Ausblick
Die Aufklärung der Mechanismen, die der angeborenen Immunantwort gegen Kontaktallergene zugrunde liegen, ermöglicht jetzt auch eine gezielte therapeutische Intervention. Im CHS-Modell verhinderte die intrakutane Injektion von Hyaluronidaseinhibitoren, des P2X7R-Antagonisten KN-62 oder des IL-1R-Antagonisten Anakinra ebenso wie die epikutane Applikation von Antioxidantien bereits erfolgreich die Sensibilisierung und in einigen Fällen auch die Auslösung der CHS in sensibilisierten Tieren [18]. Es wird sich zeigen, wie sich diese Interventionsstrategien am besten für die Behandlung von ACD anwenden und nutzen lassen. Obwohl schon viele Mechanismen der angeborenen Immunität bei der ACD aufgedeckt wurden, bleiben für die Zukunft noch viele Fragen offen und es ist zu erwarten, dass längst nicht alle Mechanismen entschlüsselt sind.
So sind die Mechanismen additiver Effekte von Irritanzien oder lokalen Entzündungen und Infektionen mit Kontaktallergenen noch nicht ausreichend untersucht. Auch die Mikrobiomforschung ist ein schnell wachsendes Feld und immer mehr Beispiele zeigen den Einfluss der kommensalen Flora auf die Ausbildung und Regulierung von Immunantworten. Zukünftige Studien werden zeigen, ob es Bakterienspezies gibt, die, ähnlich wie protektive Bakterienstämme in Stallstäuben, die Ausbildung von Kontaktallergien beeinflussen können.
Eine große Herausforderung für die Zukunft stellt noch immer die Identifizierung von Kontaktallergenen mittels In-vitro-Tests dar. Das Verbot von Tierversuchen zur Kontaktallergenidentifizierung für die Kosmetikindustrie macht die Entwicklung von Mechanismus-basierten In-vitro-Tests, die Schlüsselereignisse der Sensibilisierung rekapitulieren, dringend erforderlich. Hier ist die angeborene Immunantwort von großem Interesse. Ein Problem aller bisherigen In-vitro-Tests ist die fehlende Möglichkeit, die Stärke eines Kontaktallergens zu bestimmen. Da diese sehr wahrscheinlich proportional zur Stärke der T-Zellantwort und damit der allergischen Reaktion ist, ist die Entwicklung solcher Tests dringend erforderlich. Bereits vorhandene In-vitro-Tests mit dieser Zielstellung analysieren derzeit mit unterschiedlichen Erfolgen Genexpressionsprofile in 3D-Hautmodellen [19] oder Proteinprofile in humanen MUTZ-3-Zellen [20].
Die Wechselwirkungen des angeborenen Immunsystems mit exogenen Reizen, wie sie durch Irritanzien oder bakterielle/virale Infektionen hervorgerufen werden können, stellen auch in Zukunft eine Herausforderung für die Entwicklung zuverlässiger Tests für die Einstufung des Gefährdungspotenzials von Kontaktallergenen dar.
Summary
Allergic contact dermatitis is a T cell mediated eczematous skin disease, which is caused by low molecular weight chemicals. These chemicals activate the innate immune system via anti-infectious mechanisms. These include TLR activation by organic and inorganic substances, the ATP-dependent NLRP3 inflammasome activation as well as reactive oxygen species production. Activation of mast cells and recruitment of neutrophils to the skin also contributes to a sterile skin inflammation which eventually leads to a T cell response to the chemical. The detailed understanding of the pathomechanisms opens new possibilities for therapeutic interventions.
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