SENSORER SOM SETTER I GANG BETENNELSE: HVORDAN VIRKER DE OG HVORFOR TRENGER VI DEM? foredrag på fellesmøte den 13. september 2012 av professor Terje Espevik, Senter for Molekylær Inflammasjonsforskning, Institutt for kreftforskning og molekylærmedisin, NTNU, Trondheim Introduksjon Vi lever i en verden med utallige mikroorganismer, og noen av disse kan gi alvorlige infeksjoner. Mange av disse mikroorganismene kan gi opphav til infeksjonssykdommer som er blant hovedårsakene til død og funksjonshemming i verden. Det er rundt 13.7 millioner mennesker som dør hvert år av infeksjonssykdommer, og det er luftveisinfeksjoner som utgjør den største gruppen av dødstall. Vi har et immunsystem som er skreddersydd for å ta hånd om sykdomsfremmende virus, bakterier, sopp og parasitter, men av og til reagerer dette systemet for svakt eller for sterkt og gir opphav til sykdom. Immunsystemet skal også fjerne molekyler fra kroppen som er modifisert eller endret på en eller annen måte. Når immunsystemet skal beskytte oss mot infeksjoner og skader, setter det i gang en betennelse (inflammasjon). Det har vært en rivende utvikling innen dette feltet de siste 15 årene. Vi vet nå mye om sensorer som setter i gang betennelse og betydningen som de har for vårt forsvar mot mikrober, og betydningen det har i kroniske sykdommer. Inflammasjonsresponsen Inflammasjon har en lang og fargerik historie som er nært koblet til historier om kriger med påfølgende sår og infeksjoner. Det var den romerske legen Cornelius Celsus (30 f.kr. 38 e.kr.) som beskrev de klassiske symptomene på inflammasjon: varme, smerte, rødhet og hevelse. Noe senere ble funk-
292 Det Norske Videnskaps-Akademi Årbok 2012 sjonstap også lagt til som symptom. De klassiske symptomene er et resultat av aktivering av endotelcellene i blodkarene i nærheten av skadestedet som resulterer i at plasma og blodceller strømmer ut i vevet mot skadestedet. Inflammasjon er helt nødvendig for å fjerne skadelig stoffer og for å starte helbredelsesprosessen. Prosessen er nøye regulert og forbigående. Blir den for kraftig, kan det f.eks. føre til blodforgiftning (sepsis). Hvis de skadelige stoffene ikke fjernes, kan det føre til en kronisk inflammasjon som vi ser ved flere sykdomstyper slik som leddgikt, arteriosklerose og kreft. Medfødt- og ervervet immunforsvar spiller en helt sentral rolle for å sette opp en inflammasjonsrespons. Man regner den russiske immunologen Eli Metchnikoff som grunnleggeren av det medfødte immunforsvar. Han beskrev en immuncelle, nemlig makrofagen, og evnen som denne cellen har til å fagocytere, eller spise, bakterier. Dette gjorde han i imponerende detalj. Parallelt med Metchnikoffs oppdagelser, satte en tysk immunolog fram en teori for immunforsvar basert på antistoffer. Og hans arbeider var starten på det vi kaller ervervet immunforsvar. De fikk begge Nobelprisen i medisin for disse oppdagelsene i 1908. Men vi skal først se på hvordan en lokal inflammasjonsrespons settes i gang, som for eksempel mot bakterier som kan komme ved en flis i fingeren. Makrofager betraktes som kroppens renovatører og fjerner døde celler og bakterier ved hjelp av fagocytose. Denne cellen spiller en viktig rolle i inflammasjonsresponsen. Makrofager responderer kraftig på bakterier og skiller ut det vi kaller cytokiner som er et rop om hjelp til immunsystemet om å komme og hjelpe til med å fjerne bakteriene. Dette er molekyler som har uhyre kraftig virkning på celler i kroppen. Det finnes mange slike cytokiner, men tumor nekrosefaktor (TNF) og interleukin-1 beta (IL-1β) er blant de viktigste i inflammasjonsresponsen. Disse cytokinene virker på endotelcellene i blodårene slik at hvite blodceller kan komme seg fra blodbanen og ut i vevet der infeksjonen sitter. Sluttresultatet er at bakteriene fjernes og såret leges. Cytokinene har hovedsakelig en lokal virkning og kan forårsake skader på organer hvis de frigjøres ut i blodsirkulasjonen. Dette kan vi for eksempel se ved alvorlig smittsom hjernehinnebetennelse der TNF kan bli frigjort ut i blodsirkulasjonen og kan gi skader på organer og vev (1). Toll-lignende reseptorer Den største nyvinningen av kunnskap om inflammasjonsresponsen de siste 15 årene har vært om sensorene som makrofagene bruker for å oppdage
Sensorer som setter i gang betennelse: 293 mikroorganismer og hvordan de setter i gang responsen inne i cellene som resulterer i produksjonen av disse cytokinene. En stor og viktig gruppe av sensorer som makrofager bruker, kalles Toll-lignende reseptorer. Det var Christiane Nüsslein-Volhard som oppdaget Toll-genet i 1985, og hun fant at Toll var nødvendig for normal embryonal utvikling av bananflua. I 1996 oppdaget Jules Hoffmanns gruppe at Toll var avgjørende for bananfluas forsvar mot sopp. Dermed var det etablert en kobling til det medfødte immunforsvaret, og man begynte å undersøke om det fantes Toll-lignende reseptorer (TLR) i pattedyr. Her kom Charles Janeway, Ruslan Medzhitov og Bruce Beutler raskt med viktige bidrag til forskningsfeltet, og Beutler oppdaget at TLR4 er sensoren for lipopolysakkarid som finnes i ytterveggen av Gram-negative bakterier. Disse oppdagelser satte i gang en høy forskningsaktivitet på disse reseptorene. Resultater fra denne forskningen avdekket de molekylære signalmekanismer som TLR setter i gang inne i celler og som resulterer i produksjon av potente cytokiner. Vår forskningsgruppe ved NTNU har også gitt viktige bidrag til dette forskningsfeltet (2, 3). I mennesket er det funnet 10 funksjonelle medlemmer i TLR-familien, og de oppdager og setter i gang forsvarsmekanismer mot bakterier, virus, sopp og parasitter, og knytter medfødt- og ervervet immunforsvar sammen (4). I de senere år har man funnet at disse reseptorene også kan gjenkjenne enkelte av kroppens egne molekyler hvis de frigjøres ved skader og celledød. I 2011 ble Nobelprisen i medisin delt, der en halvpart gikk til Bruce Beutler og Jules A. Hoffmann for deres oppdagelser i TLR-feltet, og den andre halvparten av prisen gikk til Ralph M. Steinmann for hans arbeid med dendrittiske celler og deres rolle i ervervet immunforsvar. Balansering av inflammasjonsresponsen er helt nødvendig for å opprettholde normale forhold i kroppen. Det normale er at sensorene oppdager infeksjonen på et tidlig stadium og setter i gang sårhelingen så fort infeksjonen er fjernet. En inflammasjonrespons er akutt og forbigående, den skal ikke pågå for lenge. Hvis responsen blir langvarig, snakker vi om en kronisk inflammasjon, og det er flere sykdommer som er assosiert med en kronisk inflammasjon. Et eksempel er autoimmune sykdommer, for eksempel reumatoid artritt eller leddgikt. Utover 1990-tallet la forskere merke til at ved flere og tilsynelatende helt forskjellige sykdommer så observerte man ansamling av immunceller på sykdomsstedet. Man oppdaget dette først ved arteriosklerose, men etter hvert også ved andre tilstander som overvekt, Alzheimers sykdom og kreft. Så derfor er det blitt en stor interesse for inflammasjon og hvilke mekanismer og sensorer som blir aktivert ved disse kroniske tilstandene.
294 Det Norske Videnskaps-Akademi Årbok 2012 Inflammasomer Det er ikke bare mikrober som kan sette i gang en inflammasjonsrespons. Også molekyler i kroppen kan gjøre det hvis de er endret på en bestemt måte, eller hvis de befinner seg på feil sted, som kan skje ved celledød. TLR- molekylene kan gjenkjenne slike endrede kroppsmolekyler, men det kan også såkalte inflammasomer gjøre. De befinner seg inne i cellen, nærmere bestemt i cytosol. Disse inflammasomene har en overvåkingsfunksjon inne i cellen, og hvis det kommer inn endrede kroppsmolekyler eller mikroorganismer, roper de på hjelp til å fjerne disse molekylene ved å sende ut cytokinet IL-1β. Normalt sett skal disse endrede kroppsmolekylene fjernes, hvis ikke det skjer, kan vi få en kronisk inflammasjonsrespons. Det er mange eksempler på endrede kroppsmolekyler som kan gi kronisk inflammasjon. For eksempel kan krystaller av urinsyr gi urinsyregikt. Krystaller av kolesterol er assosiert med utvikling av arteriosklerose. Amyloid beta er assosiert med Alzheimers sykdom og amyloid i insulinproduserende vev i pankreas er foreslått som en årsaksfaktor til type 2 diabetes. Makrofager er spesialiserte renovatører i kroppen og har stor appetitt D på endrede kroppsmolekyler, slik som krystaller (Figur 1). Når makrofager spiser slike krystaller, vil de sende ut IL-1β som er rop om at flere immunceller må komme til åstedet for å rydde opp. Hva skjer inne i makrofagene A B Figur 1. Makrofarger som spiser urinsyrekrystaller. I figuren til venstre (A) er krystallene nettopp tilsatt makrofagene. I bildet til høyre (B) har det gått ca. 20 minutter, og vi ser da at mange av makrofagene har tatt opp de spisse krystallene (hvite piler). (Foto: Eivind O. Samstad, NTNU)
Sensorer som setter i gang betennelse: 295 når de spiser kolesterolkrystaller? Jo, de organellene som kalles lysosomer blir ødelagt. Lysosomer er pakker av enzymer som brukes for nedbryting av stoffer som makrofagene tar opp. Vi ser at disse lysosomene sveller og etter hvert går det hull på dem og innholdet kommer ut i cytosol. Dette er et signal om å aktivere inflammasomer. Inflammsomer ble oppdaget og karakterisert i 2002 av Jürg Tschopp. Det finnes mange medlemmer i inflammasomfamilien, men den mest studerte kalles NLRP3 (5). Aktiverte inflammasomer er komplekser som kan bestå av proteinene som kalles NLRP3, ASC og caspase 1. Disse kompleksene er i stand til å spalte proformen av IL-1β til en moden og biologisk aktiv form av cytokinet og som har kraftig stimulerende effekt på inflammasjonsprosessen (6). Dette er et svært aktivt forskningsfelt, og det publiseres nå mange artikler om NLRP3 og betydningen som det kan ha for utvikling av kroniske sykdommer som Alzheimer (7), overvekt (8), type 2 diabetes (9) og arteriosklerose (10). Inflammasomer og hjerte-kar-sykdom Sykdom i hjerte-karsystemet er et stort helseproblem som krever 16.7 millioner menneskeliv hvert år. Arteriosklerose er en kronisk inflammatorisk sykdom, men de underliggende årsaker og hendelser som starter dannelsen av arteriosklerotisk plakk er meget komplekse og lite forstått. Så hvordan foregår utviklingen av arteriosklerose? En arterie inneholder tre lag. Det innerste laget, intima, har et monolag av endotelceller som er i kontakt med blodet. I dette laget finner vi også glatte muskelceller. Det midterste laget inneholder mer glatte muskelceller som befinner seg i et nettverk av bindevev. Den første fasen av sykdommen begynner når hvite blodceller, helst den typen som kalles monocytter, binder seg til endotelcellelaget. Disse cellene beveger seg inn i intima og tar opp i seg kolesterol som finnes der. Monocyttene blir etterhvert fulle av fett og blir til det vi kaller skomceller. Sykdommen utvikler seg så videre ved at glatte muskelceller også beveger seg inn i intima, begynner å dele seg og lager bindevev. Vi har da fått dannet et arteriosklerotisk plakk. Celler i dette området, slik som makrofager, kan dø og frigjøre kolesterol som kan felles ut som krystaller. Trombose, eller koageldannelse, er den siste fasen av sykdommen. Ofte oppstår en sprekk i plakket slik at innholdet kommer i kontakt med blodet. Da skjer det en koagulasjon av blodet som hemmer blodstrømmen. Da får vi en blodpropp, og infarktet er et faktum (11). Forhøyet kolesterol, i form av LDL, er en klassisk risikofaktor for å utvikle hjerte-kar-sykdom. I blodet transporteres kolesterol i form av LDL og
296 Det Norske Videnskaps-Akademi Årbok 2012 HDL. LDL frakter kolesterol fra lever og tarm ut til cellene i kroppen der det brukes til å reparere cellemembraner og til å produsere steroidhormoner. HDL, som er det gode kolesterolet frakter kolesterol bort fra celler og vev og til levra for utskillelse eller gjenbruk i kroppen. Når kolesterolmengden overskrider en viss grense, vil det felles ut som krystallinsk materiale, og det har vært kjent lenge at slike krystaller er et kjennemerke for skader i åreveggen som arteriosklerosen gir opphav til. Det viser seg nemlig at kolesterolkrystaller oppstår tidlig i sykdommen og derfor kan spille en viktig rolle i å sette i gang inflammasjonsresponsen ved arteriosklerose (10). Så man kan tenke seg at en kaskadereaksjon starter når kolesterolnivået blir for høyt (Figur 2). Da vil kolesterolkrystaller felles ut, og krystallene blir tatt opp av makrofager som finnes i nærheten. Dette vil så aktivere NLRP3- inflammasomet inne i makrofagene, og dette resulterer i produksjon av IL- 1 som kraftig øker inflammasjonsreaksjonen og utviklingen av arteriosklerosen. Man kan tenke seg å hemme denne kaskaden på flere trinn: Statiner brukes for behandling av arteriosklerose, og det senker kolesterolsyntesen og LDL-nivået går ned, og man kan tenke seg at det reduserer inflammasjonen ved å redusere mengden kolesterolkrystaller. I tillegg er statiner en hemmer av immuncelle-funksjoner og kan redusere utviklingen av arteriosklerosen på den måten (12). Det å kunne blokkere aktiveringen av inflammasomet på en spesifikk måte er en mulighet som kan ha store behandlingsmessige konsekvenser. Behandling av arteriosklerose ved å blokkere IL-1 er en annen mulighet som nå er under utprøving på 17200 pasienter som får tilført antistoff mot IL-1 (13). Dette er en svært viktig studie som kan bekrefte om inflammasjon er årsak til selve hjerteinfarktet. k Figur 2. Foren klet framstilling av inflammasjon-kaskadereaksjonen som kan bidra til utvikling av arteriosklerose. H
Sensorer som setter i gang betennelse: 297 Hemmere av IL-1 og TNF Å hemme IL-1 kan ha gunstig effekt for mange inflammatoriske sykdommer og Anakinra, som blokkerer IL-1-reseptoren, er et godkjent medikament for behandling av leddgikt og urinsyregikt. Det pågår nå flere kliniske utprøvinger med IL-1-hemmer for behandling av en rekke inflammatoriske sykdommer som for eksempel type 2 diabetes. Charles Dinarello har gitt meget gode oversikter over dette tema i (12,14). Man har grunn til å tro at hemming av IL-1 kan forsinke utvikling av arteriosklerose, beinsykdom, neurodegerative sykdommer og enkelte kreftformer. Cytokinet TNF har mange overlappende effekter med IL-1 og hemmer av TNF er blant de mest suksessfulle protein-baserte medikamenter som finnes. Slike TNFhemmere er spesielt effektive for å redusere inflammasjon ved sykdommer som reumatoid artritt og inflammatorisk tarmsykdom (15). Det kan og være ulemper forbundet med slik terapi. Å hemme sentrale mediatorer i inflammasjonsresponsen kan medføre økt risiko for infeksjonssykdommer, men dette ser ikke ut til å være et spesielt utbredt problem. Det er ingen tvil om at det er et stort terapeutisk potensial i å bruke slike nye biologiske medikamenter for behandling av inflammasjon, og vi kan regne med stor utvikling på dette forskningsfeltet i tiden framover. Referanser 1. Waage A., Halstensen A., Espevik T., others. Association between tumour necrosis factor in serum and fatal outcome in patients with meningococcal disease. Lancet. 1987;.1(8529):355. 2. Husebye H., Aune M.H., Stenvik J., Samstad E., Skjeldal F., Halaas O., et al. The Rab11a GTPase controls Toll-like receptor 4-induced activation of interferon regulatory factor-3 on phagosomes. Immunity. 2010 Oct 29; 33(4):583 96. 3. Latz E., Schoenemeyer A., Visintin A., Fitzgerald K.A., Monks B.G., Knetter C.F., et al. TLR9 signals after translocating from the ER to CpG DNA in the lysosome. Nat Immunol [Internet]. 2004; 5(2):190 8. Available from: PM:14716310. 4. Kawai T., Akira S. Toll-like Receptors and Their Crosstalk with Other Innate Receptors in Infection and Immunity. Immunity. 2011 May 27; 34(5):637 50. 5. Tschopp J., Schroder K. NLRP3 inflammasome activation: The con-
298 Det Norske Videnskaps-Akademi Årbok 2012 vergence of multiple signalling pathways on ROS production? Nature Reviews Immunology. 2010 Mar; 10(3):210 5. 6. Strowig T., Henao-Mejia J., Elinav E., Flavell R. Inflammasomes in health and disease. Nature. 2012 Jan 19; 481(7381):278 86. 7. Heneka M.T., Kummer M.P., Stutz A., Delekate A., Schwartz S., Vieira- Saecker A., et al. NLRP3 is activated in Alzheimer's disease and contributes to pathology in APP/PS1 mice. Nature. 2012 Dec 19. 8. Vandanmagsar B., Youm Y.-H., Ravussin A., Galgani J.E., Stadler K., Mynatt R.L., et al. The NLRP3 inflammasome instigates obesity-induced inflammation and insulin resistance. Nature medicine. 2011 Feb; 17(2):179 88. 9. Masters S.L., Dunne A., Subramanian S.L., Hull R.L., Tannahill G.M., Sharp F.A., et al. Activation of the NLRP3 inflammasome by islet amyloid polypeptide provides a mechanism for enhanced IL-1β in type 2 diabetes. Nat Immunol. 2010 Oct 1; 11(10):897 904. 10. Duewell P., Kono H., Rayner K.J., Sirois C.M., Vladimer G., Bauernfeind F.G., et al. NLRP3 inflammasomes are required for atherogenesis and activated by cholesterol crystals. Nature. 2010 Apr 29; 464 (7293):1357 61. 11. Libby P., Ridker P.M., Hansson G.K. Progress and challenges in translating the biology of atherosclerosis. Nature. 2011 May 19; 473 (7347):317 25. 12. Dinarello C.A. Anti-inflammatory Agents: Present and Future. Cell. 2010 Mar 19; 140(6):935 50. 13. Ridker P.M., Thuren T., Zalewski A., Libby P. Interleukin-1β inhibition and the prevention of recurrent cardiovascular events: rationale and design of the Canakinumab Anti-inflammatory Thrombosis Outcomes Study (CANTOS). Am. Heart J. 2011 Oct; 162(4):597 605. 14. Dinarello C.A., Simon A., van der Meer J.W.M. Treating inflammation by blocking interleukin-1 in a broad spectrum of diseases. Nature Reviews Drug Discovery. Nature Publishing Group; 2012 Aug 1;:1 20. 15. Croft M., Benedict C.A., Ware C.F. Clinical targeting of the TNF and TNFR superfamilies. Nature Reviews Drug Discovery. Nature Publishing Group; 2013 Jan 21; 12(2):147 68.