Zytokine in der Radon-Zytokine in der Radon-BalneologieBalneologie

TGF-ßTGF-ß als potentieller Indikator für die Wirkung der als potentieller Indikator für die Wirkung der Gasteiner Heilstollenkur bei M. Bechterew PatientenGasteiner Heilstollenkur bei M. Bechterew Patienten

Medhat Shehata, Günther Leiner, Albrecht Falkenbach,Medhat Shehata, Günther Leiner, Albrecht Falkenbach,Josef SchwarzmeierJosef Schwarzmeier

Medizinische Universität Wien, LBI für ZytokinforschungMedizinische Universität Wien, LBI für Zytokinforschung

ZytokineZytokine

• Obwohl viele Zytokine sezerniert werden, ist ihr Aktionsradius relativ eingeschränkt.

• Sie beeinflußen die Entwicklung, das Wachstum und die Lebensdauer von Zellen.

• Zytokine wirken über spezifische Rezeptoren an ihren Zielzellen.

• Jede Körperzelle produziert und reagiert auf Zytokine.

• Zytokine sind kleine Polypeptide oder Glykoproteine, die als Botenstoffe zwischen Zellen fungieren.

Die ZytokinfamilienDie Zytokinfamilien

•Interferone (IFN-, IFN- ß, IFN-)

• Interleukine (IL-1 bis IL-25)

•Kolonie stimulierende Faktoren (GM-CSF etc.)•Tumor Nekrose Faktoren (TNF, Lymphotoxin)•Andere (TGF- ß, EGF, FGF, PDGF, VEGF etc.)

Zytokine im ImmunsystemZytokine im Immunsystem

GewebsregenerierendGewebsregenerierend

TGF-ßbFGF

EntzündungsförderndEntzündungsfördernd

IL-1IL-6

TNF-

EntzündungshemmendEntzündungshemmend

TGF-ßIL-10IL-11

The ‘‘Valley of the Kings,’’ pharaohs of the New Kingdom (1550–1080 BC.). The tomb of Ramses II (Photograph by E.F., Deutsche Vereinigung Morbus Bechterew.

Four gigantic statues of Ramses II,

in front of the temples of Abu Simbel in the

south of Egypt.

Ankylosing SpondylitisAn ancient disease

Ernst Feldtkeller et. al. Rheumatol Int 2003

Radiograph of the cervical spine of Ramses II:

postmortem fracture in C5/C6, vertebral blocks

above and below due to ankylosing spondylitis,

The mummy of Ramses II in his sarcophagus.

the head position which would result if his

postmortem fracture were rearranged correctly

Lumbar spine and upper pelvis of Amenhotep II. Characteristic changes of ankylosing spondylitis

Include: calcification of the paraspinous ligaments and obliteration of the sacroiliac joints.

The sarcophagus of Amenhotep II, whose mummy shows clear indications of ankylosing spondylitis,

Beeinflußt die Gasteiner Heilstollenkur das Beeinflußt die Gasteiner Heilstollenkur das Expressionsprofil von Expressionsprofil von ZytokinenZytokinen??

*entzündungsfördernden Zytokinen (IL-6, TNF-)

*entzündungshemmenden Zytokinen (IL-10 & TGF-ß)

*Therapie: Hyperthermie, Gymnastik, Radon

*83 Patienten vor und nach einem Gasteiner Kuraufenthalt

IL-10

IL-10 Konzentrationen vor und nach Therapie

0

1

2

3

4

5

Vor Therapie Nach Therapie

IL-1

0 n

g/m

l

IL-6IL-6

0

1000

2000

3000

4000

5000

pg/m

l M.BECHTEREW, BEGINN

M.BECHTEREW, ENDE

KONTROLLE

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

Schmerz TNF- Schmerz TNF- TNF-

TN

F-

pg

/ml

vor Therapie während Therapie nach Therapie

Quantifizierung des Entzündungsparameters Quantifizierung des Entzündungsparameters TNF-TNF- im Verlauf der Gasteiner Heilstollenkur im Verlauf der Gasteiner Heilstollenkur

0

2

4

6

8

10

12

14

Sc

hm

erz

ska

la

Schmerz

Patienten mit akutem Krankheitsgeschehen zeigen signifikant verminderte TNF-

Serumwerte nach Heilstollenkur

TNF- Konzentrationen (Gruppe I)

(mehr Schmerzen am Beginn der Therapie: n=38)

0

5

10

15

20Schmerzen

TN

F-a

pg

/ml

vor während nach

TNF- Konzentrationen (Gruppe II)

(weniger Schmerzen am Beginn der Therapie, n=23)

0

5

10

15

20

TN

F-a

pg

/ml

TNF-Schmerzen

TNF-

vor während nach

aktives TGF-ß1

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

vor Therapie nach Therapie

TG

F-ß

1 p

g/m

l

Gesamt TGF-ß1

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

vor Therapie nach Therapie

TG

F-ß

1 p

g/m

l

TGF-ß1TGF-ß1 Konzentration im Serum von 83 Patienten Konzentration im Serum von 83 Patienten mit Morbus Bechterewmit Morbus Bechterew

Änderung der Änderung der TGF-ßTGF-ß Serumkonzentration Serumkonzentration in M. Bechterew Patienten (n=83) nachin M. Bechterew Patienten (n=83) nach

Gasteiner HeilstollenkurGasteiner Heilstollenkur

51

77

ansteigendvermindertgleich

5 21

57

ansteigendvermindertgleich

Gesamt TGF-ß1 Aktives TGF-ß1

3D Struktur des 3D Struktur des TGF-ßTGF-ß Proteins Proteins

• Molekulargewicht 25 kDa (Homodimers)• 3 humane Isoformen: TGFß1, ß2, ß3• Produktion in versch. Geweben

Die Biosynthese des Die Biosynthese des TGF-ßTGF-ß

LTBP

Latenter TGF-ß Komplex

Proteolyse

biologisch aktives TGF-ß

TGF-ß Rezeptoren

Vorläuferprotein

LAP TGF-ß

Genexpression

Biologische Effekte von Biologische Effekte von TGF-ßTGF-ß

• Immunmodulation

• Wundheilung

• Knochenbildung und Bruchheilung

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

vor

nach

vor

nach

vor

nach

vor

nach

vor

nach

Ges

amt

TG

Fß

1 p

g/m

l

NS NSP<0.01 P<0.01 P<0.05

AS n=83

AS Gr. 1n=46

AS Gr. 2n=36

LBPn=10

AS Kontrollen=10

Veränderungen der TGF-ß1 Konzentrationen im Verlauf der Therapie

Gesamt TGF-ß1

Gasteiner Heilstollenkur Krems

0

400

800

1200

1600

2000

2400

vor

nach

vor

nach

vor

nach

vor

nach

vor

nach

Akt

ives

TG

F-ß

1 p

g/m

l

P<0.05 NSP<0.001 P<0.0001 P<0.01

All AS n=83

AS Gr. 1n=46

AS Gr. 2n=36

LBPn=10

AS Kontrollen=10

Veränderungen der TGF-ß1 Konzentrationen im Verlauf der Therapie

Aktives TGF-ß1

Gasteiner Heilstollenkur Krems

Aktives TGF-ß1

0

20

40

60

80

100

120

vor während nach

TG

F-ß

1 p

g/m

l

Gesamt TGF-ß1

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

vor während nach

TG

F-ß

1 p

g/m

l

Kinetik des TGF-ß1 Anstieges im Verlauf der Therapie

KontrolleKontrolle(Latentes TGF-ß:grün)(Latentes TGF-ß:grün)

bestrahltbestrahlt(Aktiviertes TGF-ß: rot)(Aktiviertes TGF-ß: rot)

Strahlungsmediierte AktivierungStrahlungsmediierte Aktivierungvon latentem TGF-ßvon latentem TGF-ß

Barcellos-Hoff et. al. J.C.I, 1994

-Strahler (Radon)-Strahler (Radon) induzieren dieinduzieren die TGF-ßTGF-ß Expression Expression

In vitro Bestrahlung von Lungenfibroblasten mit -Partikeln (0,4-19 cGy) führt zu einer...

Lyer et al., Cancer Research 2000

• Erhöhung der TGF-ß Sekretion

• Erhöhung des intrazellulären Superoxydes (O2-)

• Erhöhte Wasserstoffperoxyd Konzentration (H2O2)

Aktives TGF-ß

Hemmung der Entzündungs-reaktion

Aktivierung von Heilungs- prozessen

Schmerzreduktion & verbesserte Beweglichkeit

Synovial Fibroblast

Gasteiner HeilstollenkurGasteiner Heilstollenkurkurzzeitige Einwirkungkurzzeitige Einwirkungvonvon-Partikel-Partikel

Immunzellen

ZusammenfassungZusammenfassung

• Die Gasteiner Heilstollenkur induziert die Die Gasteiner Heilstollenkur induziert die Produktion des entzündungshemmendenProduktion des entzündungshemmenden Zytokins TGF-ßZytokins TGF-ß

• Patienten mit geringerer SchmerzsymptomatikPatienten mit geringerer Schmerzsymptomatik nach der Therapie zeigen eine höhere Induktionnach der Therapie zeigen eine höhere Induktion

• Erhöhtes TGF-ß führt zur Verminderung desErhöhtes TGF-ß führt zur Verminderung des subjektiven Schmerzempfindens & begünstigt subjektiven Schmerzempfindens & begünstigt HeilungsprozesseHeilungsprozesse

Supraspinous ligament

Interspinous ligament

Ligamenous Flavum

Posterior Longitudinal ligament

Anterior Longitudinal ligament

Anulus Fibrosus

Nucleus pulposus

Intervertebral Disc

Radiation: particles

H2O2

H2O2

Active & Latent TGF-ß

Active TGF-ß

Suppression of the inflammatory reaction (T cell, Monocyte)

Normal healing and tissue remodling

Improved mobility and pain reduction

TGF-ß O2.-

Exposure of PBMC and fibroblasts of patients with AS to Radon may directly induce the synthesis and activation of TGF-ß or indirectly activate TGF-ß through the generated superoxide (O2

.-) and hydrogen peroxide (H2O2). Activated TGF-ß consequently suppresses the inflammatory reaction through inhibition of the monocytes and T cell activities and enhances the normal healing process at the inflammatory sites. Ultimately leading to pain reduction and improved motility.

Fibroblast

Working hypothesis

PBMC

Exposure to Radon ( particles)In Gastein gallery or in Seibersdorf, or using gamma irradiation as a model

Cytokine and soluble factor production:*Immunoassays, *Immunofluorescence

studies

Cell proliferation & Differentiation

Collagen production:*Proliferation assays, *Immunofluorescence

Synovial fibroblasts PBMC

In vitro studies on the effect of therapy in Gastein Heilstollen on synovial fibroblasts and PBMC

PBMC: Peripheral Blood Mononuclear Cells

IL-3IL-4IL-5IL-6GM-CSF

IL-1IL-6

IL-1

T Lymphozyten

EndothelzellenFibroblasten

Makrophage

IFN-IL-2IL-4

IL-1TNFIL-6TGF-ßIFN-

IL-1IFN-ß

IL-1TNFTGF-ßIFN-

IL-1TNFTGF-ß

TNF

IL-1 TNF IL-6 IFN- GM-CSF G-CSFM-CSF

Granulozyten

IL-1IL-6GM-CSFG-CSFM-CSF

IL-1TNFTGF-ßPDGF

IL-1IL-6IFN-ßG-CSFM-CSFGM-CSF

Knochemmark

IL-2IL-4IL-5IL-6IFN-TNF

GM-CSF

B Lymphozyten

Das Zytokin NetzwerkDas Zytokin Netzwerk

ZUSAMMENFASSUNGZUSAMMENFASSUNG

• Verminderung der TNF- Expression

• Keine Änderung des IL-6 Serumspiegels

• Reduktion des subjektiven Schmerzempfindens ist mit einer verminderten TNF- Expression assoziiert

IL-10

IL-10 Konzentrationen vor und nach Therapie

0

1

2

3

4

vor nach vor nach

IL-1

0 n

g/m

l

Group I Group II

IL-10 Konzentrationen vor und nach Therapie

0

1

2

3

4

5

Vor Therapie Nach Therapie

IL-1

0 n

g/m

l