Arbeitsgruppe zur Erforschung der Mechanismen die bei chronischer Polyarthritis zur Gelenkdestruktion führen

Silvia Hayer, Kurt Redlich, Georg Schett, Jochen Zwerina, Adelheid Korb (Dissertantin), Danielle Diarra (Dissertantin), Nikolaus Binder (Dissertant), Karin Polzer (Diplomantin)

 

Ausgangspunkt unserer Forschung war zunächst die Frage welche Zellen ursächlich an der, für die chronische Polyarthritis so pathognomonischen, Gelenk-knochenzerstörung beteiligt sind. Auf die einzelnen Details wird in den nachfolgenden Darstellungen der Gruppenmitglieder eingegangen. Hier soll vielmehr der Versuch unternommen werden darzustellen wie aus einer Idee eine, wie wir meinen produktive, Arbeitsgruppe entstehen kann.

Zunächst war die Frage zu klären ob zur Beantwortung dieser Frage primär in vitro oder in vivo gearbeitet werden sollte bzw. ob im Humanen oder im Tiermodell geforscht werden sollte. Die Entscheidung dieser Frage war in sofern leicht zu treffen (zugunsten des Tiermodells), da (i) nur in diesem der Verlauf der Gelenksdestruktion hinreichend zu studieren ist vor allem aber (ii) nicht nur die Gelenksinnenhaut (Synovialis) studiert werden kann, sondern das für uns ja entscheidende Zusammenspiel zwischen Synovialis, Gelenkknorpel und Gelenkknochen. Bei in vivo Untersuchungen am Menschen kann naturgemäß nur die Synovialis gewonnen werden. Die nächste Frage die es zu klären galt war, welches der verschiedenen Tiermodelle der chronischen Polyarthritis für uns am besten geeignet ist. Hier haben wir uns sehr bewusst für ein bestimmtes (die TNF-transgene Maus) Modell entschieden, da es einen klar definierten Pathomechanismus (nämlich die durch TNF induzierte Gelenksdestruktion) aufweist und TNF gerade bei der chronischen Polyarthritis des Menschen eine entscheidende Rolle spielt. Wir hatten also: eine Idee, ein Tiermodell, aber noch keine Tiere und viel Enthusiasmus. Daß aus dieser Konstellation Herzeigbares entstanden ist, lässt sich so erklären:

1) Volle Unterstützung der Abteilung; die vielfältigen Aufgaben, die an jeden von uns gestellt sind (Lehre, Klinik, Forschung) fordern ein hohes Maß an Bereitschaft zur Flexibilität des Einzelnen. Konkret: haben Mitglieder unserer Gruppe mehr Zeit für die Forschung benötigt, haben unsere Kollegen/innen die Bereiche Klinik und Lehre abgedeckt und umgekehrt. Dass dies an unserer Abteilung in so komplikationsloser, kompetenter und selbstverständlicher Art möglich ist, hat den Aufbau dieser und aller Gruppen erst ermöglicht.

2) Volle Unterstützung des Abteilungsleiters; wobei das Wort Unterstützung den Kern der Sache nur ungenügend trifft suggeriert es doch eine eher passive Handlungsweise. In Wahrheit ist Prof. Smolen von Anfang an primus inter pares unserer Aktivitäten. Dabei ging es kurz um das „Warum?“, nie um das „Wozu?“ und immer nur um das „Wie?“. Wie? und wir.

3) Internationale Kooperationen; um es kurz zu machen: „unser“ Mausmodell wurde von Georg Kollias in Athen, Griechenland entwickelt. Das er uns diese Mäuse in so unkomplizierter Weise zu Verfügen gestellt hat zeigt: (i) wie wichtig internationale Kontakte sind also (ii) wie wichtig Auslandsaufenthalte und regelmäßige Besuche internationaler Kongresse sind und (iii) man muss oft nur fragen.

 4) Nationale Kooperationen; in unserer ursprünglichen Fragestellung (aus der sich dann vieles entwickelt hat) ging es vor allem um die Rolle der Osteoklasten bei der Gelenkszerstörung. Nun wussten wir, dass die Gruppe von Prof. Erwin Wagner vom Institut für Molekulare Pathologie in Wien (3km Luftlinie vom AKH) nicht nur zahlreiche, essentielle Arbeiten über die molekularen Mechanismen der Osteoklastogenese publiziert hat, sondern auch ein osteoklastenfreies Mausmodell generiert hat. Wir haben ihn also im Rahmen eines internationalen Kongresses der von Prof. Smolen in Wien organisiert wurde (siehe Punkt 2 und 3) mit unserer Idee das Arthritismausmodell mit seinem Modell zu kreuzen konfrontiert (siehe 3 (iii)). Prof. Wagner hat uns daraufhin nicht nur seine Mäuse zur Verfügung gestellt, vielmehr hat sich im laufe der nächsten Jahre eine tragfähige Kooperation entwickelt von der wir sehr profitiert haben.

5) Geld; in Summe ist es gelungen auch mit Hilfe dieser Vorarbeiten zahlreiche Forschungsgelder zu akquirieren wobei vor allem der START-Grant der Georg Schett verliehen wurde sowie FWF- und Nationalbank Forschungsförderungen erwähnt werden sollen. Mit diesen Geldern konnten in Folge neue Mitarbeiter angestellt werden was zu einer weiteren Stärkung der Abteilung führte.

 

Silvia Hayer

Die chronische Polyarthritis (cP) ist eine chronisch-entzündliche, destruktive Gelenkserkrankung, deren Ursache bis heute noch nicht aufgeklärt werden konnten. Proinflammatorische Zytokine wie TNF und IL-1b aber auch autoreaktive T-und B Zellen stellen wesentliche Mediatoren dieser Erkrankung dar. Der Schwerpunkt ihrer wissenschaftlichen Studien liegt in der Untersuchung der Mechanismen der Gewebsentzündung und der Knochen- und Knorpeldestruktion bei der chronischen Polyarthritis (cP). Für die in vivo Analyse wird ein Arthritis Tiermodell, die human TNF transgene Maus (hTNFtg), herangezogen, welches die pathologischen Charakteristika wie die synoviale Hyperplasie, die Knochenerosion und den Knorpelabbau, ähnlich wie bei der humanen cP, aufweist. Um die Wirkung einzelner Gene bzw. deren Genprodukte auf die Entstehung, die Ausprägung und das Fortschreiten der Arthritis zu untersuchen, werden gentechnisch veränderte Mäuse (knock out oder transgene Tiere) mit dem Arthritis Mausmodell gekreuzt. Derzeit laufende Untersuchungen beschäftigen sich mit knock out Mäusen, bei denen das Gen für das Tumorsupressorprotein p53, die für die B- Zellreifung wichtige Bruton’s Tyrosine Kinase, oder der an zahlreichen biologischen Prozessen beteiligten Phosphoinosit-3-kinase (PI3K) ausgeschaltet ist. Von den neu generierten Genotypen werden die klinischen Symptome, wie die Schwellung der Pfoten und der Verlust der Griffstärke, die serologischen Parameter (Autoantikörper, Cytokine, Knochenabbauprodukte) und vor allem die histologische Veränderungen (Bildung von Pannusgewebe, Ausmaß der Knochenerosion und des Knorpelabbaus, Einfluß auf systemische Knochenmasse) in den Gelenken untersucht. Die an den Entzündungs- und Knochenabbauprozesse beteiligten Zellpopulationen wie z.B. Osteoklasten, Fibroblasten, usw. werden durch immunhistochemische Färbungen genau definiert. Die Expression von spezifischen Zellproteinen oder Transkriptionsfaktoren und die Aktivierung intrazellulärer Signaltransduktionwege (p38, JNK, ERK, …) werden mittels RT-PCR und/oder Western Blotting aus isolierten Knochenmarkszellen oder ex vivo generierten Osteoklasten durchgeführt. Kürzliche Studien konnten zeigen, dass der Osteoklast, als die für die entzündliche Knochenerosion verantwortliche Zelle ist (Redlich K., Hayer S. et al, J.Clinical. Invest. 2002; 110:1419-27). Ein weiteres Projekt demonstrierte, dass das Ausschalten des Adhesionsmoleküls CD44 zu einer signifikanten Verschlechterung der Arthritis führt und den entzündlichen systemischen Knochenverlust aufgrund einer stark erhöhten Osteoklastogenese beeinflusst (Hayer S. et al., J. Exp. Med. 2005; 201:903-14). Ein weiterer Schwerpunkt ihrer Arbeit liegt in der Untersuchung der prä-klinischen Ereignisse der Arthritis. Welche primären histologischen Veränderungen vor bzw. beim ersten Auftreten der klinischen Symptome auftreten werden an 4.- 6. Wochen alten hTNFtg Mäusen untersucht. Der Beteiligung von Fibroblasten, Makrophagen, Osteoklasten, Granulocyten, T-und B-Lymphocyten an der beginnenden Synovitis und der ersten Knochenerosionen und die Aktivierung von Signaltransduktionswegen (p38 MAPK, JNK, ERK) wird v.a. immunhistochemisch analysiert.

 

Kurt Redlich

Die chronische Polyarthritis (CP) ist nicht nur die häufigste der entzündlich rheumatischen Systemerkrankungen, sondern zeichnet sich vor allem durch das Zusammenspiel von Synovitis und Gelenkknorpel- und Knochenzerstörung aus. Die Folge ist eine massive Destruktion der Gelenke, die unbehandelt zu schweren und dauerhaften Schäden nahezu des gesamten Bewegungsapperates führt. Während die Forschung in Bezug auf die Pathomechanismen der synovialen Inflammation während des letzten Jahrzehnts ungeheure Fortschritte gemacht hat, war bis vor etwa 7 Jahren wenig über die zellulären Zusammenhänge von Gelenkinflammation und Gelenkdestruktion bekannt. Erste exemplarische Arbeiten rückten aber die für den Knochenabbau verantwortlichen Zellen, die Osteoklasten in den Mittelpunkt des Interesses. Unserer Arbeitsgruppe arbeitet seit langem an der Erforschung der Rolle der Osteoklasten in einem Mausmodell der chronischen Polyarthritis. Diese TNF- transgenen Mäuse entwickeln infolge der ständigen TNF Überproduktion eine symmetrische, erosive Polyarthritis. In einer ersten Arbeit konnten wir zeigen, das durch spezifische Blockade der Osteoklasten in diesem Model mittels Osteoprotegerin- oder Bisphophonat- Therapie nicht nur eine deutliche Reduktion der Zahl der Osteoklasten in den befallenen Gelenken sondern auch der der Gelenkerosionen selbst erzielt werden kann. Zur Klärung der Frage, ob die Osteoklasten die einzigen Zellen sind, die für die lokalen Gelenkzerstörungen verantwortlich tragen, haben wir in Kooperation mit Dr. Erwin Wagner vom IMP Wien durch Kreuzung der TNF transgenen Mäuse mit den c-fos-/- Mäusen ein osteoklastenfreies CP- Mausmodel entwickelt. Es konnte so gezeigt werden, dass diese Mäuse zwar weiterhin an einer chronischen Gelenkentzündung leiden, dass es aber ohne Osteoklasten zu keiner Gelenkzerstörung kommt. Da durch die chronische Gelenkentzündung nicht nur die Osteoklastogenese verstärkt wird sondern auch die natürlichen, von den Osteoblasten ausgeführten Reparaturvorgänge behindert werden, haben wir in einer weiteren Arbeit die Auswirkungen kombinierter anti-inflammatorischer, anti-resorptiver und pro-osteoblastärer Therapien untersucht. Dabei fand sich, dass vor allem die Kombination aus Entzündungshemmug einerseits und/oder Osteoklastenhemmung bzw Osteoblastenstimulation andererseits nicht nur das Fortschreiten der Gelenkzerstörung verhindert, sondern sogar reparative Prozesse in Gang gesetzt werden. In näherer Zukunft ist geplant, vor allem die Interaktionen zwischen hämatopoetischen Osteoklastenvorstufen und mesenchymalen Gelenkfibroblasten zu untersuchen.

 

Georg Schett

Während seiner Ausbildung in Innsbruck beschäftigte sich Georg Schett mit inflammatorischen und autoimmunen Mechanismen der Gefäßverkalkung. Insbesondere untersuchte er die Rolle von Autoimmunreaktionen gegen Stressproteine bei der Atherosklerose. Es konnte beispielsweise gezeigt werden, dass Autoantikörper gegen Hitzeschockprotein 65 zu einer Endothelzellschädigung führen können, welche eine wesentliche Voraussetzung für die Bildung atherosklerotischer Plaques darstellt. Nach dem Wechsel nach Wien galt das Hauptaugenmerk der Beschreibung der Genese des LE-Zellphänomens, eines seit 1948 bekannten, zellulär/humoralen Autoimmunphänomens, das für den systemischen Lupus erythematosus spezifisch und von diagnostischer Relevanz ist. Es konnte insbesondere gezeigt werden, dass Autoantikörper gegen Histon H1 dieses Phänomen begründen und dass derartige Antikörper für den systemischen Lupus erythematosus hochspezifisch sind. Weiterführende Arbeiten konnten eine Assoziation dieser Antikörper mit erhöhter Krankheitsaktivität belegen. Seit 1998 arbeitet Georg Schett in Zusammenarbeit mit Dr. Kurt Redlich an der Beschreibung der Pathogenese der Knochenzerstörung bei rheumatoider Arthritis. In den Arbeiten konnte beispielsweise gezeigt werden, dass Osteoklasten für diese Knochenzerstörung essentiell sind und es wurden Möglichkeiten der pharmakologischen Hemmung von Osteoklasten bei Gelenkentzündung untersucht. Diese Forschungen werden seit 2002 durch den START-Preis des Fonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung unterstützt. Weiters arbeitet Georg Schett in der Osteoporoseforschung, wobei hier die Aufdeckung von Risikofaktoren für Knochenbrüche im Vordergrund steht. Dabei handelt es sich um eine klinisch epidemiologische Untersuchung in Zusammenarbeit mit der Medizinischen Universität in Innsbruck.

 

Jochen Zwerina

Jochen Zwerina beschäftigt sich hauptsächlich mit experimentellen Tiermodellen der chronischen Polyarthritis in der Arbeitsgruppe von Prof. Redlich und Prof. Schett. Im Rahmen seiner Dissertationsarbeit befasste er sich mit der Frage der Wichtigkeit dreier pro-inflammatorischer Zytokine, nämlich TNF, IL-1 und RANKL, in einem Mausmodell der chronischen Polyarthritis. Er untersuchte die Wirkung einer singulären als auch kombinierten Blockade dieser Zytokine mittels moderner Medikamente auf klinische als auch histologische Parameter. Es zeigte sich, dass jedes dieser drei Moleküle für die drei Charakteristika – (1) synoviale Inflammation, (2) Knorpelschaden, (3) Knochenerosion – unterschiedlich wichtig ist. Während TNF-Blockade hauptsächlich anti-erosiv, anti- inflammatorisch und zu einem geringeren Teil auch chondroprotektiv wirkt, hat IL-1-Blockade in diesem Modell allein einen moderaten schützenden Effekt auf den Knorpel. Dies stimmt gut mit Daten aus klinischen Studien an Patienten mit chronischer Polyarthritis überein. RANKL-Blockade verhindert hingegen allein die Entstehung lokaler Knochenerosionen und verhindert – im Gegensatz zu TNF Blockern - auch die Entstehung einer Osteoporose. Eine kombinierte Blockade zumindest zweier dieser Zytokine bewirkt eine fast vollständige Heilung dieser experimentellen Arthritis. Dies lässt auf die Wirksamkeit einer kombinierten Zytokinblockade auch beim Menschen hoffen. Derzeit untersucht Jochen Zwerina die Effekte einer kompletten genetischen Ablation von Zytokinen in dem zuvor erwähnten Mausmodell der chronischen Polyarthritis. Weiters beschäftigt er sich mit dem Einfluss von eisenregulatorischen Proteinen auf den Knochenstoffwechsel. Er untersuchte die Wirkung der Induktion eines Häm-abbauenden Enzyms, der Hämoxygenase 1 (HO-1), auf die Differenzierung von Vorläuferzellen der knochenabbauende Zellen (Osteoklasten). Die vermehrte Expression von HO-1 ist assoziiert mit einer Reduktion der Anzahl von Osteoklasten in der Zellkultur. Daher wurden die Effekte von HO-1 Induktoren auch in Tiermodellen eines durch Inflammation angeregten lokalen und systemischen Knochenverlusts getestet. Dieses Projekt befindet sich kurz vor der Fertigstellung.