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Interferon war einmal das Wunderding, von dem man glaubte, daß es viele Probleme der Medizin lösen würde. Vor allem als potentes Medikament gegen Krebs wurde es gehandelt. Diese Sicht der Dinge hat die medizinische Forschung in den letzten Jahren etwas revidiert. Interferon, der erste bekannte Vertreter der Zytokine, ist keine Wunderdroge gegen fast alles. Dennoch ist es heute ein wichtiges Medikament, das beispielsweise gegen chronische Virushepatitiden erfolgreich eingesetzt wird. Die Autoren des folgenden Artikels berichten über die neuesten Forschungsergebnisse aus der mittlerweile großen Zytokin-Familie. Die Entschlüsselung ihrer komplexen Wirkmechanismen hat zu neuen Erkenntnissen der Pathomechanismen verschiedener Krankheiten und zu neuartigen Therapieansätzen geführt.
Unser Titelbild zeigt, in Immunfluoreszenzfärbung, eine Haarzelle (HZ), die an einen Knochenmarksfibroblasten (KII-Fibroblast) adhäriert. Die Haarzellen sezernieren TGF-ß in hoher Konzentration (rote Fluoreszenz). TGF-ß ist einpotentes fibrogenes Zytokin, das auf Fibroblasten aktivierend wirkt und deren Expression an extrazellulären Matrixproteinen wie Typ III Prokollagen (PIII NP, grüne Fluoreszenz) induziert. TGF-ß Moleküle werden außerdem in ihrer latenten Form an der extrazellulären Matrix gelagert (rote Fluoreszenz) und verstärken, nach ihrer Aktivierung, das Krankbeitsbild der Knochenmarksfibrose durch zusätzliche Fibroblasten-Stimmulation.
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ZYTOKINE
Grundlagenforschung und klinische Prüfungen gewähren neue Einblicke in den Pathomechanismus von Erkrankungen und führen zu neuen Therapiekonzepten.
VON JOSEF D. SCHWARZMEIER, RUDOLF BERGER, MEDHAT SHEHATA UND MARTIN HILGARTH
In vielen Ländern haben sich in den vergangenen Jahren Forschungszentren und Forschungsgruppen etabliert, die sich mit diesen "biologischen" Substanzen befassen. So wurde in den USA vom National Institute of Health das "Biological Response Modifier Program" ins Leben gerufen. In Österreich ist u. a. das Ludwig Boltzmann Institut für Zytokinforschung auf diesem Gebiet tätig, es gibt heute jedoch kaum einen medizinischen Zweig, der sich nicht in der einen oder anderen Form mit Zytokinen beschäftigt.
Tabelle 1 gibt eine Übersicht über mögliche therapeutische Anwendungsgebiete der Interferone -a, -ß und -,y.
Abbildung 1 zeigt am Beispiel des IL-6, wie durch rekombinantes IFN-a in peripheren mononukleären Zellen (PMZ) von HZL-Patienten eine verstärkte Bildung von IL-6 mRNA induziert werden kann. In ähnlicher Weise läßt sich die Synthese anderer Zytokine stimulieren. Gleichzeitig hemmt IFN-a jedoch die Bildung von Zytokinen, welche die Blutbildung negativ beeinflussen. Dies gilt vor allem für den Transforming-Growth-Factor-ß (TGF-ß), der als einer der stärksten Inhibitoren der Hämatopoese gilt. Die leukämischen Haarzellen produzieren verstärkt TGF-ß (siehe auch Titelseite), wodurch sie Wachstumsfaktoren unterdrücken und die eigene Vermehrung begünstigen. Durch TGF-ß wird auch körpereigenes, endogenes Interferon gehemmt. Dem wirkt nun exogen zugeführtes, rekombinantes IFN-a entgegen, indem es die Produktion und Freisetzung von TGF-ß unterdrückt.
Abbildung 2a zeigt Lymphozyten, die durch Anfärbung mit CD11c als Haarzellen charakterisiert sind. Abbildung 2b zeigt dieselben Zellen, markiert durch einen bFGF spezifischen Antikörper. Auch hier hat IFN-a einen regulierenden Einfluß, indem es die Freisetzung von bFGF hemmt.
In Abbildung 3 ist ein zusammenfassendes Modell wiedergegeben, das die wahrscheinlichen Veränderungen des Zytokinnetzwerkes bei der HZL und den therapeutischen Einfluß von IFN-a veranschaulichen soll. Wie zu erkennen ist, produzieren leukämische Haarzellen zu viel TGF-ß, wo durch die üblicherweise in Monozyten stattfindende Bildung von G-CSF, GM-CSF, IL-6, TNF-a und anderer Zytokine gehemmt wird. Darüber hinaus wird die Bildung von endogenem IFN-oc herabgesetzt.
Neben TGF-ß findet sich auch eine gesteigerte Produktion von bFGF, beide Zytokine dürften für die durch Haarzellen ausgelöste Fibroblastenaktivierung und vermehrte Kollagen- und Reticulinbildung und damit auch für die Knochenmarksfibrosierung verantwortlich sein. Durch exogen zugeführtes rekombinantes IFN-cc(rhIFN-a) wird eine Gegenregulation in Gang gesetzt, die schließlich zu einer Rekonstitution der normalen Hämatopoese führt.
Wie unschwer zu erkennen, hat es bisher nur ein kleiner Teil der bekannten und gentechnisch hergestellten Substanzen geschafft, die Hürde der klinischen Verwertbarkeit und Effektivität zu überspringen. Kein Wunder also, daß die industrielle Entwicklung und Herstellung von medizinisch anwendbaren Zytokinen risikoreich und kostspielig ist. Diejenigen Faktoren allerdings, die neben ihrer Effektivität auch nebenwirkungsarm sind wie z.B. G-CSF oder Erythropoetin, haben die Entwicklungskosten längst hereingespielt und haben dazu beigetragen, das Spektrum der therapeutischen Möglichkeiten wesentlich zu erweitern.
Die Fortschritte auf dem Gebiet der theoretischen und klinischen Zytokinforschung sind so rapide, daß es fast unmöglich erscheint, immer auf dem aktuellen Wissensstand zu bleiben. Das LBI für Zytokinforschung ist daher bemüht, im Rahmen von Fortbildungsveranstaltungen (ESO-Kurse) prominente Forscher über die neuesten Erkenntnisse berichten zu lassen. Bisher haben fünf derartige Symposien stattgefunden. Heuer findet am 10. und 11. September unter dem Titel "Biotherapie: News on cytokines, monoclonal antibodies and genetic vaccines" der sechste derartige Kurs statt. Im Jahr 2002 wird darüber hinaus der Weltkongreß der Internationalen Zytokin-Gesellschaften in Wien tagen.
Dr. med. j. D. Schwarzmeier ist a. o. Univ.-Professor an der Univ.-Klinik für Innere Medizin I, Abteilung Hämatologie und Leiter des Ludwig Boltzmann-Instituts (LBI) für Zytokinforschung in Wien.
Dr. phiL R. Berger und Dr. med. M. Shehata sind Assistenten am LBI für Zytokinforschung.
Ing. M. Hilgarth ist Mitarbeiter der Abteilung Hämatologie an der Univ.-Klinik für Innere Medizin I, AKH Wien.
VON JOSEF D. SCHWARZMEIER, RUDOLF BERGER, MEDHAT SHEHATA UND MARTIN HILGARTH
Einleitung
Als vor zwanzig Jahren die Sammelbezeichnung "Zytokine" für hormonähnliche Botenstoffe eingeführt wurde, die nicht von Drüsen, sondern von unterschiedlichsten Blut- und Gewebszellen produziert werden, wurde erstmals ein Forschungsgebiet definiert, das sich mit der Übermittlung biologischer Signale nicht auf endokrinem, sondern auf para- und autokrinem Wege befaßt. Die Erforschung von Zytokinen und ihrer Wirkungsweise hat nicht nur auf theoretisch medizinischem Gebiet völlig neue Einsichten ermöglicht, sie hat auch zu ungeahnten therapeutischen Fortschritten geführt. Hämatopoetische Wachstumsfaktoren wie Erythropoetin, Granulozyten/Makrophagen stimulierende Faktoren, Lymphokine, Thrombopoetin, Stammzellfaktor u. a. m. gehören ebenso zum aktuellen medizinischen Repertoire wie Interleukine, Interferone, Chemokine, Tumornekrosefaktoren, Transformierende-, Fibroblasten-, Endothel- oder Nervenzell-Wachstumsfaktoren.In vielen Ländern haben sich in den vergangenen Jahren Forschungszentren und Forschungsgruppen etabliert, die sich mit diesen "biologischen" Substanzen befassen. So wurde in den USA vom National Institute of Health das "Biological Response Modifier Program" ins Leben gerufen. In Österreich ist u. a. das Ludwig Boltzmann Institut für Zytokinforschung auf diesem Gebiet tätig, es gibt heute jedoch kaum einen medizinischen Zweig, der sich nicht in der einen oder anderen Form mit Zytokinen beschäftigt.
Interferone
Die bereits 1957 entdeckten Interferone waren wahrscheinlich die ersten, den Zytokinen zuzuzählenden Substanzen, welche zum therapeutischen Einsatz kamen. Nach ersten Berichten über die Wirksamkeit von natürlichem Interferon bei metastasierendem Nierenzellkarzinom wurde 1983 ein verblüffender Erfolg bei der bis dahin als therapieresistent geltenden Haarzell-Leukämie gemeldet. Dies führte weltweit zu großem Interesse an diesen Regulatorproteinen und in den folgenden Jahren wurde für eine Reihe weiterer Erkrankungen die Wirksamkeit von Interferonen nachgewiesen.
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IFN-a: -Maligne Erkrankungen Haarzell Leukämie, Angioimmunoblastisches Lymphom (AILD), Chronische myeloische Leukämie (CML), Essentielle Thrombozytämie, Melanom, Kutanes T-Zell Lymphom, Kaposi Sarkom, Plasmozytom, Metastasierendes Nierenzellkarzinom, Carcinoid Syndrom, Oberflächliche Harnblasentumore, Basaliom -Nicht maligne Erkrankungen Chronische Hepatitis B, C, D; Condylomata accuminata, Larynx-Papillomatose, Hämangiome, Therapieresistente idiopathische Thrombozytopenie IFN-ß: Multiple Slerose, Haarzell-Leukämie, Chronisch myeloische Leukämie IFN-y Chronische Granulomatose, Metastasierendes Nierenzellkarzinom |
Erstaunlicherweise ist die genaue Wirkungsweise der Interferone (IFN) bei den meisten Erkrankungen noch ungeklärt. Für die Haarzell-Leukämie (HZL) liegen allerdings Daten vor, welche einen relativ guten Einblick in die wahrscheinlichen Wirkmechanismen von IFN-a geben. So kann, wie wir kürzlich nachweisen konnten, die Knochenmarksinsuffizienz der HZL durch einen Mangel an endogenen hämatopoetischen Wachstumsfaktoren wie Granulozyten/ Makrophagen stimulierenden Faktoren, Interleukin-3, Interleukin-6 etc. erklärt werden.
Abbildung 1 zeigt am Beispiel des IL-6, wie durch rekombinantes IFN-a in peripheren mononukleären Zellen (PMZ) von HZL-Patienten eine verstärkte Bildung von IL-6 mRNA induziert werden kann. In ähnlicher Weise läßt sich die Synthese anderer Zytokine stimulieren. Gleichzeitig hemmt IFN-a jedoch die Bildung von Zytokinen, welche die Blutbildung negativ beeinflussen. Dies gilt vor allem für den Transforming-Growth-Factor-ß (TGF-ß), der als einer der stärksten Inhibitoren der Hämatopoese gilt. Die leukämischen Haarzellen produzieren verstärkt TGF-ß (siehe auch Titelseite), wodurch sie Wachstumsfaktoren unterdrücken und die eigene Vermehrung begünstigen. Durch TGF-ß wird auch körpereigenes, endogenes Interferon gehemmt. Dem wirkt nun exogen zugeführtes, rekombinantes IFN-a entgegen, indem es die Produktion und Freisetzung von TGF-ß unterdrückt.Ein weiteres, von den leukämischen Haarzellen freigesetztes Zytokin ist der basic Fibroblast Growth Factor (bFGF), welcher zusammen mit TGF-ß für die häufig beobachtete Knochenmarksfibrose bei dieser Erkrankung verantwortlich sein dürfte.
Abbildung 2a zeigt Lymphozyten, die durch Anfärbung mit CD11c als Haarzellen charakterisiert sind. Abbildung 2b zeigt dieselben Zellen, markiert durch einen bFGF spezifischen Antikörper. Auch hier hat IFN-a einen regulierenden Einfluß, indem es die Freisetzung von bFGF hemmt.
In Abbildung 3 ist ein zusammenfassendes Modell wiedergegeben, das die wahrscheinlichen Veränderungen des Zytokinnetzwerkes bei der HZL und den therapeutischen Einfluß von IFN-a veranschaulichen soll. Wie zu erkennen ist, produzieren leukämische Haarzellen zu viel TGF-ß, wo durch die üblicherweise in Monozyten stattfindende Bildung von G-CSF, GM-CSF, IL-6, TNF-a und anderer Zytokine gehemmt wird. Darüber hinaus wird die Bildung von endogenem IFN-oc herabgesetzt.
Neben TGF-ß findet sich auch eine gesteigerte Produktion von bFGF, beide Zytokine dürften für die durch Haarzellen ausgelöste Fibroblastenaktivierung und vermehrte Kollagen- und Reticulinbildung und damit auch für die Knochenmarksfibrosierung verantwortlich sein. Durch exogen zugeführtes rekombinantes IFN-cc(rhIFN-a) wird eine Gegenregulation in Gang gesetzt, die schließlich zu einer Rekonstitution der normalen Hämatopoese führt.
Andere Zytokine
Von den gentechnisch hergestellten Zytokinen sind neben den Interferonen bisher mehrere hämatopoetische Wachstumsfaktoren und einzelne Interleukine für die klinische Verwendung zugelassen, eine Reihe weiterer Substanzen befindet sich in klinischer Entwicklung. Tabellen 2 und 3 geben eine Übersicht (die allerdings keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben kann) über den derzeitigen Stand der zugelassenen und der in Erprobung befindlichen Präparate. Neben den generischen Namen sind wichtige Indikationsgebiete und der behördliche Zulassungsstatus (USA, Europa) angegeben.Wie unschwer zu erkennen, hat es bisher nur ein kleiner Teil der bekannten und gentechnisch hergestellten Substanzen geschafft, die Hürde der klinischen Verwertbarkeit und Effektivität zu überspringen. Kein Wunder also, daß die industrielle Entwicklung und Herstellung von medizinisch anwendbaren Zytokinen risikoreich und kostspielig ist. Diejenigen Faktoren allerdings, die neben ihrer Effektivität auch nebenwirkungsarm sind wie z.B. G-CSF oder Erythropoetin, haben die Entwicklungskosten längst hereingespielt und haben dazu beigetragen, das Spektrum der therapeutischen Möglichkeiten wesentlich zu erweitern.
Die Fortschritte auf dem Gebiet der theoretischen und klinischen Zytokinforschung sind so rapide, daß es fast unmöglich erscheint, immer auf dem aktuellen Wissensstand zu bleiben. Das LBI für Zytokinforschung ist daher bemüht, im Rahmen von Fortbildungsveranstaltungen (ESO-Kurse) prominente Forscher über die neuesten Erkenntnisse berichten zu lassen. Bisher haben fünf derartige Symposien stattgefunden. Heuer findet am 10. und 11. September unter dem Titel "Biotherapie: News on cytokines, monoclonal antibodies and genetic vaccines" der sechste derartige Kurs statt. Im Jahr 2002 wird darüber hinaus der Weltkongreß der Internationalen Zytokin-Gesellschaften in Wien tagen.
| Zytokin | Z = Zugelassen P = Prüfung |
Indikation |
| Interferone | ||
| IFN-a | Z | Tab. 1 |
| IFN-ß | Z | Tab. 1 |
| IFN-y | Z | Tab. 1 |
| Interleukine | ||
| IL-1 | P | Solide Tumore |
| IL-1-RA IL-1-Rezeptor Antagonist |
P | Rheumatoide Arthritis |
| IL-2 | Z | metastasierendes Nierenzellkarzinom Kombinationsbehandlung bei Melanom Inhalationstherapie bei Lungenmetastasen |
| IL-3 | P | Prostata-Ca, follik.Lymphome |
| IL-4 | P | Colon-Ca, Mamma-Ca, Melanom |
| IL-4 Toxin | P | Glioblastom |
| IL-4 Antagonist | P | entzündliche, allergische, maligne Erkrankungen |
| IL-6 Antagonist | P | entzündliche, allergische, maligne Erkrankungen |
| IL-10 | P | rheumatoide Arthritis |
| IL-11 | Z | Morbus Crohn, Prostata-Ca |
| IL-12 | P | Colon-Ca, Sarkome, Mamma-CA, Melanom, chronisch virale Hepatitis |
| IL-2 + TFN-R IL-2 + TFN-Rezeptor |
P | Nierenzell-Ca, Melanom |
| Zytokin | Z = Zugelassen P = Prüfung |
Indikation |
| Hämatopoetische Wachstumsfaktoren | ||
| EPO Erythropoetin |
Z | Renale Anämie, Tumorannämie, Eigenblutvorsorge |
| G-CSF Granulozyte-colony stimulating factor |
Z | Neutropenien, Stammzellmobilisierung |
| GM-CSF Granulozyte-macrophage colony stimulating factor |
Z | Stimulierung der myeloischen Blutbildung |
| MGDF Megakaryocyte growth and differentation factor |
P,Z | vom Hersteller derzeit zurückgezogen |
| NESP Novelerythropoiesis stimulating protein |
Z | Anämie |
| SCF Stem cell factor |
P | Stammzellmobilisierung |
| TPO Thrombopoetin |
Z | Stimulierung des Thrombozytenwachstums |
| Andere Wachstumsfaktoren | ||
| BDNF Brain-derived neurotropic factor |
P | Amyotrophe Lateralsklerose |
| BMP Bone morphogenic protein |
P | Knochenwachstum |
| CNF Ciliary neurotropic factor |
P | Diabetes, Fettsucht |
| GDNF Glia-derived nerve growth factor |
P | Stimulierung des Nervenzellwachstums |
| KGF Keratinocyte growth factor |
P | Schutz des Epithels im GI-Trakt (Chemo-, Radiotherapie) |
| Leptin | P | Fettsucht |
| NT-3 Neurotrophin-3 |
P | Enter. Neuropathien, Obstipationen |
| OPG Osteoprotegerin |
P | Knochenmetastasen, Plasmocytom |
| TGF-ß Transforming growth factor-ß |
P | Rheumat. Arthritis |
| TNF-R Tumor necrosis factor-a Receptor |
Z | Rheumat. Arthritis |
| VEGF Vascular endothelial cell growth factor |
P | Angiogenese |
Dr. med. j. D. Schwarzmeier ist a. o. Univ.-Professor an der Univ.-Klinik für Innere Medizin I, Abteilung Hämatologie und Leiter des Ludwig Boltzmann-Instituts (LBI) für Zytokinforschung in Wien.
Dr. phiL R. Berger und Dr. med. M. Shehata sind Assistenten am LBI für Zytokinforschung.
Ing. M. Hilgarth ist Mitarbeiter der Abteilung Hämatologie an der Univ.-Klinik für Innere Medizin I, AKH Wien.