Zellbiologie der akuten Pankeatitis

 

Grundlagen  

 

Die akute Pankreatitis beginnt mit einer Nekrose von Azinuszellen des Pankreas (1). Wie diese Nekrose ausgelöst wird ist nicht bekannt, aber seit einem Jahrhundert wird angenommen, daß sie einer proteolytischen Selbstverdauung entspricht (2). Diese Annahme erscheint zum einen deshalb so attraktiv, weil das Pankreas bis zu 1,5 ltr. eines proteasenreichen Sekretes synthetisiert und speichert und zum anderen die morphologische Erscheinung des Organs nach einer akuten Pankreatitis dem einer proteolytischen Zerstörung entspricht. Unberücksichtigt läßt diese Annahme, daß das Pankreas eine große Zahl von Schutzmechanismen besitzt, die eine solche Selbstverdauung verhindern sollen (3). 

Zum einen werden alle proteolytischen Enzyme als inaktive Vorläuferzymogene synthetisiert, die erst im Dünndarm bei der Abspaltung eines Aktivierungspeptides durch Enterokinase in ihre aktive Form überführt werden (4). Zum anderen werden alle proteolytischen Enzyme in membran-umschlossenen Vesikeln in der Azinuszelle gespeichert und durch diese tranportiert. Erst die Fusion der Vesikelmembran mit der apikalen Plasmamembran der Azinuszellen setzt die sekretorischen Enzyme ins Lumen frei (5).

         Drittens werden Verdauungsproteasen gemeinsam mit potenten Proteaseninhibitoren gespeichert, so daß selbst im Falle einer vorzeitigen Aktivierung in den Transportvesikeln die proteolytische Aktivität sofort antagonisiert würde (6). Dennoch gibt es erste Hinweise darauf, daß die vorzeitige, intrazelluläre Aktivierung von Proteasen, trotz der oben genannten Schutzmechanismen, tatsächlich ein initiales Ereignis bei der Entstehung verschiedener experimenteller Pankreatitismodelle darstellt (7,8,9) und auch bei der akuten Pankreatitis des Menschen eine entscheidende Rolle spielt (10). Dabei ist bis heute völlig unbekannt, welche Mechanismen diese Aktivierung auslösen, in welchem intrazellulären Kompartiment diese Proteasenaktivierung beginnt, ob es sich um einen reversiblen Prozeß oder um eine nicht mehr umkehrbare Kaskade handelt, die in jedem Fall die Zelle zerstört, und wie diese Aktivierung auf der Signaltransduktionsebene (11) reguliert wird. 

        Eine der Hypothesen, mit der versucht wurde die vorzeitige und intrapankreatische Aktivierung von Verdauungszymogenen zu erklären besagt, daß die lysosomale Hydrolase Cathepsin B, die in vitro Trypsinogen aktivieren kann, in der Frühphase der Pankreatitis mit Verdauungsproteasen in zytoplasmatischen Vakuolen kolokalisiert und diese Kolokalisation für die Aktivierung verantwortlich ist (12). Eine zweite Hypothese besagt, daß der initiale Schritt in einer Autoaktivierung von Trypsinogen besteht und daß das aktive Trypsin für die kaskadenartige Aktivierung der übrigen Proteasen verantwortlich ist (13). Erst durch neue methodische Ansätze, die es erlauben, die Aktivierung unterschiedlicher Proteasen in lebenden Azinuszellen zu untersuchen (14), wird sich die Frage beantworten lassen, welcher dieser Schritte für die Initiierung der Pankreatitis verantwortlich ist. Die klinische Relevanz dieser pathophysiologischen Fragestellungen ist heute durch zwei Beobachtungen eindeutig belegt:

         Zum einen lassen sich bei Familien mit autosomal vererbter hereditärer Pankreatitis Mutationen im Trypsinogen-Gen nachweisen (13), zum anderen liegen bei Patienten mit idiopathischer chronischer Pankreatitis gehäuft Mutationen im Gen für den wichtigsten physiologischen Inhibitor des Trypsins, PSTI oder SPINK-1, vor (15).

 

Literatur zu Grundlagen

1. Lerch MM, Saluja AK, Dawra R, et al. (1992). Acute necrotising pancreatitis in the opossum: earliest morphologic changes involve acinar cells. Gastroenterology 103:205-213

2. Chiari H. (1896) Über die Selbstverdauung des menschlichen Pankreas. Z. Heilkunde 17:69-96.

3. Lerch MM, Adler G. (1994) Pathophysiology of acute pancreatitis. Dig. Dis. 11:186-192.

4. Maroux S, Baratti J, Desnuelle P. (1971) Purification and specificity of porcine enterokinase. J. Biol. Chem. 246:5031-5039.

5. Palade EG. (1975) Intracellular aspects of the process of protein secretion. Science 189:347-358.

6. Pubols M, Bartelt DC, Greene LJ. (1975) Trypsin inhibitor from human pancreas and pancreatic juice. J. Biol. Chem. 249:2235-2242.

7. Bialek R, Willemer S. Arnold R. et al. (1991) Evidence of intracellular activation of serine proteases in acute cerulein-induced pancreatitis in rats. Scand. J. Gastroenterol. 26:190-196.

8. Yamaguchi H, Kumura T, Mimura K, et al. (1989) Activation of proteases in caerulein-induced pancreatitis. Pancreas 4:565-571.

9. Leach S, Modlin IM, Scheele GA, et al. (1991) Intracellular activation of digestive zymogens in rat pancreatic acini. Stimulation by high doses of cholecystokinin. J. Clin. Invest. 87:326-366.

10. Neoptolemos JP, Kemppainen EA, Mayer JM, et al. (2000) Early prediction of severity in acute pancreatitis by urinary trypsinogen activation peptide: a multicentre study. Lancet 355:1955-60.

11. Ward JB, Sutton R, Jenkins SA, et al. (1996) Progressive disruption of acinar cell signaling is an early feature of cerulein-induced pancreatitis in mice. Gastroenterology 111:481-491.

12. Steer ML, Meldolesi J. (1987) The cell biology of experimental pancreatitis. New. Engl. J. Med. 316:144-150.

13. Whitcomb DC, Gorry MC, Preston RA, et al. (1996) Hereditary pancreatitis is caused by a mutation in the cationic trypsinogen gene. Nature Genetics 14:141-145.

14. Lerch MM, Gorelick FS. (2000) Trypsinogen activation in acute pancreatitis. Med. Clin. North Amer. 84:549-563.

15. Witt H, Luck W, Hennies HC, et al. (2000) Mutations in the gene encoding the serine protease inhibitor, Kazal type 1 are associated with chronic pancreatitis. Nature Genetics 25:213-216.

 

Aktuelle Fragestellungen

In experimentellen Tiermodellen der Pankreatitis konnten die initialen pathophysiologischen und zellbiologischen Ereignisse, die zur Pankreasnekrose führen, charakterisiert (1,2) und mit toxischen und metabolischen Schädigungen des Pankreas verglichen werden (3,4). Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten, daß die initialen Ereignisse bei der Pankreatitis die Azinuszellen betreffen (5) und durch eine Reihe gut definierter zellbiologischer Veränderungen des "membrane-sorting" und intrazellulären "targeting" (6) charakterisiert sind. Als pathophysiologischer Auslöser für diese Veränderungen wurde eine Blockade der Exozytose identifiziert (1). In der Folge kommt es sowohl an der basolateralen (7), als auch an der apikalen (6) Zellmembran zu dynamischen Veränderungen, die zum einen die gerichtete Sekretion verhindern, zum anderen aber zur Bildung der zytoplasmatischen Vakuolen führen. Weiterführende Untersuchungen am Menschen konnten zeigen, daß ein großer Teil dieser Ergebnisse auf die klinische Pankreatitis übertragbar ist (8,9).

In den letzten Jahren wurden in Zusammenarbeit mir der Arbeitsgruppe von Burkhard Krüger in Rostock neue Methoden entwickelt, die es erlauben, die Aktivierung von Verdauungsproteasen im exokrinen Pankreas auf subzellulärer Ebene zu charakterisieren und zu lokalisieren (19,20). Hierbei handelt es sich einerseits um die ultrastrukturelle Lokalisation des Aktivierungspeptides von Trypsinogen (TAP) mittels Immunogoldmarkierung in der Elektronenmikroskopie (10,20), andererseits um die spezifische Spaltung fluorogener Serinproteasensubstrate in frisch isolierten, lebenden Azinuszellen des Pankreas (11,12,19). Mit Hilfe dieser Methoden war es erstmals möglich zu belegen, daß die vorzeitige Aktivierung von Verdauungsproteasen im Pankreas nicht in reifen Zymogengranula oder Lysosomen, sondern in zytoplasmatischen Vakuolen stattfindet (11,12), und daß sie in hohem Masse von der subzellulären Freisetzung hoher Calciumkonzentrationen abhängt. Diese Calciumanstiege bleiben im Zytosol völlig wirkungslos und betreffen im Hinblick auf die Proteasenaktivierung ausschließlich den apikalen, d.h. den sekretorischen Pol der Azinuszellen (12). Des weiteren konnte gezeigt werden, daß für die Zellschädigung eine Proteasenaktivierung alleine nicht ausreichend ist, sondern eine gleichzeitige Blockade der Sekretion vorliegen muß (13). Als hocheffektiver zellulärer Antagonist der Calcium-regulierten Signaltransduktion, die der Aktivierung vorausgeht, konnte Magnesium identifiziert werden (14,15).

Weitere Möglichkeiten, die sich durch die neuen Verfahren zur Charakterisierung der intrazellulären Proteasenaktivierung eröffnen sind die Untersuchung bisher unbekannter Serinproteasen, wie sie vor kurzem in der Arbeitsgruppe von Thomas Gress in Ulm entdeckt wurden (16) oder die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der rezidivierenden Pankreatitis und der Entstehung des Pankreaskarzinoms (17). Ein entscheidender Durchbruch bei der Beantwortung der Frage, ob lysosomale Hydrolasen an der initialen Aktivierung von Trypsinogen im Pankreas beteiligt sind, gelang in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Walter Halangk in Magdeburg und Christoph Peters in Freiburg. In Experimenten an Cathpesin-B defizienten Mäusen (18) fand sich im Vergleich zu Cathepsin-B-exprimierenden Kontrollen während des Verlaufes der akuten Pankreatitis eine Reduktion der Trypsinogenaktivierung um ~90%. Ob Cathepsin B auch bei der vorzeitigen intrazellulären Proteasenaktivierung im Pankreas des Menschen eine so bedeutende Rolle spielt wird noch untersucht.

 

Literatur zu Aktuelle Fragestellungen

1. Lerch MM, Saluja A, Rünzi M, et al. (1993). Pancreatic duct obstruction triggers acute necrotizing pancreatitis in the opossum. Gastroenterology 104,853-861.

2. Lerch MM, Weidenbach H, Gress TM et al. (1995). Effect of kinin inhibition in experimental acute pancreatitis. Am. J. Physiol. 269,G490-G499.

3. Lerch MM, Saluja AK, Dawra R, et al. (1993). The effect of chloroquine administration on two experimental models of acute pancreatitis. Gastroenterology 104,1768-1779.

4. Lerch MM, Hoppe-Seyler P, Gerok W. (1994). Origin and development of exocrine pancreatic insufficiency in experimental renal failure. Gut 35,401-407.

5. Lerch MM, Saluja AK, Dawra R, et al. (1992). Acute necrotising pancreatitis in the opossum: earliest morphologic changes involve acinar cells. Gastroenterology 103,205-213.

6. Lerch MM, Saluja AK, Rünzi M, et al. (1995). Luminal endocytosis and intracellular targeting by acinar cells during early biliary pancreatitis in the opossum. J. Clin. Invest. 95,2222-2231.

7. Lerch MM, Lutz MP, Weidenbach H, et al. (1997). Dissociation and reassembly of adherens junctions during acute experimental pancreatitis. Gastroenterology 113:1355-1366.

8. Lerch MM, Weidenbach H, Hernandez CA, et al. (1994). Pancreatic outflow obstruction as the critical event for human gallstone-induced pancreatitis. Gut 35,1501-1503.

9. Hernandez CA, Lerch MM. (1993). Sphincter stenosis and gallstone migration through the biliary tract. Lancet 341,1371-1373.

seit 1998

10. Hofbauer B, Saluja AK, Lerch MM, et al. (1998) Intra-acinar cell activation of trypsinogen during caerulein-induced pancreatitis in rats. Am. J. Physiol. 275:G352-G362.

11. Krüger B, Lerch MM, Tessenow W. (1998) Direct detection of premature proteases activation in living pancreatic acinar cells. Lab. Invest. 78:763-764

12. Krüger B, Albrecht E, Lerch MM*. (2000) The role of intracellular calcium signaling in premature protease activation and the onset of pancreatitis. Am. J. Pathol. 157:43-50

13. Grady T,  Mah'moud M,  Otani T, Rhee S, Lerch MM, Gorelick FS. (1998) Zymogen proteolysis within the pancreatic acinar cell is associated with cellular injury. Am. J. Physiol. 275:G1010-G1017

14. Mooren FC, Turi S, Günzel D, Schlue WR, Domschke W, Singh J, Lerch MM. (2000) Calcium - Magnesium - interactions in pancreatic acinar cells. FASEB-Journal  im Druck

15 Turi S, Hlouschek V, Mooren FC, Schnekenburger J, Domschke W, Lerch MM. (2000) Effects of prophylactic magnesium treatment on the onset and course of acute experimental pancreatitis. Gastroenterology 118:A430

16. Wallrapp C, Hähnel S, Müller-Pillasch F, Burghardt B, Iwamura T, Ruthenbürger M, Lerch MM, Adler G, Gress TM. (2000) A novel transmembrane serine protease is overexpressed in pancreatic cancer. Cancer Research. 60:2602-2626.

17. Lerch MM, Ellis I, Whitcomb DC, Keim V, Simon P, Howes N, Rutherford S, Domschke W, Imrie CW, Neoptolemos J. (1999) Maternal inheritance pattern of hereditary pancreatitis in patients with pancreatic carcinoma. J. Natl. Cancer Inst. 91: 723-724.

18. Halangk W, Lerch MM, Brandt-Nedelev B, Roth W, Ruthenbuerger M, Reinheckel T, Domschke W, Lippert H, Peters C, Deussing J. (2000) The role of cathepsin B in acute pancreatitis - reduced intracellular trypsinogen activation after targeted disruption of the mouse cathepsin B gene. J. Clin. Invest. 2000;106:773-781 

19. Lerch MM, Gorelick FS. (2000) Trypsinogen activation in acute pancreatitis. Med. Clin. North Amer. 84:549-563.

20. Lerch MM, Halangk W, Krüger B. (2000) The role of cysteine proteases in intracellular pancreatic serine protease activation. Adv. Exp. Med. Biol. 477:403-411  

 

Autor:

Prof. Dr. med. Markus M. Lerch
Leiter der Abteilung Gastroenterologie,
Endokrinologie und Ernährungsmedizin
Klinikum der Ernst-Moritz-Arndt Universität Greifswald
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