Können Vitamin-D 3 -Verbindungen den Ausbruch von Typ-1-Diabetes stoppen?

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1 Können Vitamin-D 3 -Verbindungen den Ausbruch von Typ-1-Diabetes stoppen? Die im menschlichen Organismus aktive Form von Vitamin D 3 beeinflusst verschiedene Mechanismen des Immunsystems wie die Produktion von Botenstoffen oder die Ausbildung bestimmter signalgebender oder -empfangender Moleküle auf der Oberfläche von Zellen, die für zelluläre Wechselwirkungen bedeutsam sind. Daher wird die Substanz auch schon erfolgreich zur Behandlung der Schuppenflechte, einer Autoimmunerkrankung der Haut, eingesetzt. Könnten Vitamin-D 3 -Verbindungen auch zur Behandlung der Autoimmunerkrankung Typ-1-Diabetes eingesetzt werden? Die tierexperimentellen Daten sind viel versprechend.

2 Eher ein Hormon als ein Es gibt mehrere Formen von Vitamin D: D 1,D 2, Vitamin: Vitamin D 3 D 3 und D 4.Wichtig für den Menschen ist Vitamin D 3.Bei gesunden weißen Erwachsenen reicht in unseren Breitengraden im Sommer schon eine 10- bis 15- minütige Einwirkung von Sonnenlicht auf Gesicht, Hände und Arme zwei- bis dreimal mal pro Woche an einem klaren Tag, damit der Körper genügend Vitamin D 3 bilden kann [1]. Die UVB- Strahlung der Wellenlänge von nm 1 ermöglicht in der Haut die photochemische Bildung von Prävitamin D 3 aus der Provitamin-Vorstufe 7-Dehydrocholesterin. Dehydrocholesterin wiederum entsteht in der Leber durch Dehydrierung aus Cholesterin. Aus dem Prävitamin D 3 wird dann im Verlaufe von zwei bis drei Tagen durch eine thermisch induzierte Isomerisierung Vitamin D 3 (Cholecalciferol), wofür keine Einwirkung von Sonnenlicht mehr erforderlich ist. In der Leber bzw. der Niere wird Vitamin D 3 dann enzymatisch zum hochwirksamen 1,25-Dihydroxycholecalciferol, auch als 1,25-Dihydroxy-Vitamin D 3 (1,25(OH) 2 D 3, siehe Abb. 1) bezeichnet, umgewandelt. 1,25-Dihydroxy-Vitamin D 3 ist die eigentliche Wirkform im menschlichen Organismus [1, 2]. Ein Vitamin im eigentliche Sinne, also eine lebensnotwendige Verbindung, die vom Körper nicht selbst erzeugt, sondern mit der Nahrung zugeführt werden muss, ist Vitamin D 3 daher nicht, da alle Reaktionen zur Bildung von D 3 bei ausreichender UVB-Einstrahlung im Körper des Menschen ablaufen können. D 3 kann aber durchaus die Bedeutung eines Vitamins für Menschen haben, die nicht genug Sonnenlicht bekommen. Dazu zählen Personen, die sich viel im Haus aufhalten, bei denen der normale Prozess der Vitamin-D 3 -Bildung gestört ist, die eine höhere Hautpigmentierung aufweisen (dunkle Hautfarbe), die in Gegenden höherer Breitengrade mit geringer Sonneneinstrahlung leben, aber auch die über 70 Jahre alt sind und bei denen die Fähigkeit zur Bildung von D 3 in der Hautepidermis bis um das Zweifache herabgesetzt sein kann [3]. 1 Strahlung dieser Wellenlänge verursacht auch die gefährlichen Sonnenbrände und im Übermaß Hautkrebs. 30

3 ABBILDUNG 1: Struktur von 1,25-Dihydroxy-Vitamin D 3 (1,25(OH) 2 D 3 ). Die hochwirksame Verbindung wird vom Körper in Leber und Niere enzymatisch aus dem in der Haut durch eine photochemische Reaktion gebildeten Vitamin D 3 hergestellt. Vitamin-D 3 -Kristalle sind in der polarisationsmikroskopischen Aufnahme von Beat Ernst auf Seite 29 zu sehen. OH HO OH Vitamin-D-Verbindungen sind fettlösliche Verbindungen. D 3 findet man daher hauptsächlich in Fetten und Ölen tierischen Ursprungs, wie in Butter, Eigelb, Käse, Milch, Schweineleber, Speisepilzen, oder in Ölen von Seefischen, wie im berühmt berüchtigten Lebertran. Die chemische Struktur der Vitamin- D-Verbindungen ähnelt den Steroiden. Und wie die meisten Steroidverbindungen haben auch sie im Säugetierorganismus Hormonwirkung. 1,25(OH) 2 D 3 hat folgende Wirkungen mit Hormoncharakter: Es fördert die Resorption von Ca 2+ -Ionen im Darm. Es sorgt für die Rückresorption von Ca 2+ -Ionen in der Niere. Es mobilisiert Kalzium aus den Knochen und setzt dadurch Knochenumbauprozesse in Gang. Es sorgt aber auch für Kalzium- und Phosphataufnahme in Knochen, die von Rachitis und Osteoporose betroffen sind [2]. Es beeinflusst die Regulierung des Immunsystems. Diese Wirkungen entfaltet die Substanz über Bindung an einen Rezeptor an der Oberfläche der Membran der Zellkerne, dem sog. Vitamin-D-Rezeptor. Vitamin-D 3 -Mangel führt zu Rachitis. Überdosierung führt zu Störungen des Kalzium- und Phosphatstoffwechsels mit Verkalkung verschiedener Gewebe wie Nieren, Lungen, Arterien, Lymphknoten oder der Muskelschicht des Herzens und Entzug von Kalzium aus den Knochen. Der tägliche Bedarf an Vitamin D 3 liegt bei 0,02 mg für Erwachsene und bei 0,1 mg während des Wachstums [4, 5]. Typ-1-Diabetes: Therapie mit Vitamin-D 3 -Analoga 31

4 Ein immunregulatorischer Der Vitamin-D-Rezeptor (VDR) gehört zu einer Zellkernrezeptor Familie von Zellkernrezeptoren. Die genetische Information, der Bauplan für diesen Rezeptor, befindet sich auf Chromsom 12 (siehe Abb. 2) und kann zwischen verschiedenen Individuen beträchtliche Unterschiede, sog. Polymorphismen aufweisen. Wie Pani und Chang berichteten, sind bestimmte VDR-Gen-Polymorphismen mit Typ-1- Diabetes assoziiert [6, 7]. Aktiviert werden diese VDRs, wenn bestimmte Botenstoffe, sog. Liganden andocken. Diese Ligandenfunktion können neben Vitamin-D-Verbindungen auch Steroidhormone, Schilddrüsenhormone oder Vitamin-A 1 -Säure ausüben. Durch Bindung an den Rezeptor regulieren diese Liganden den Kalzium- und Phosphat- und damit den Knochenstoffwechsel und kontrollieren Zellvermehrung und -differenzierung. Dies geschieht durch Beeinflussung der Eiweißsynthese bestimmter Botenstoffe. VDRs sind darüber hinaus jedoch nicht nur in Zellen zu finden, die am Kalzium- und Knochenstoffwechsel beteiligt sind, sondern auch in Zellen des Immunsystems. Sie wirken immunregulatorisch. Wird ein VDR durch Bindung eines Liganden aktiviert, so entfaltet er seine Wirkung als Transkriptionsfaktor. Das heißt, er bindet an spezifische Stellen der DNS (Desoxyribonukleinsäure), der Erbinformation im Zellkern, und initiiert die Eiweißsynthese bestimmter Botenstoffe. Das Vorhandensein dieser VDRs in den meisten Zellen des Immunsystems, vor allem in antigenpräsentierenden Zellen (APC) wie in Makrophagen und dendritischen Zellen (DC), aber auch in CD4 + - und CD8 + -T-Lymphozyten, führte zur Untersuchung des Potenzials von 1,25(OH) 2 D 3 als immunmodulatorischem Arzneimittel, um jene Reaktionen des Immunsystems zu beeinflussen, die durch T-Lymphozyten (im Folgenden vereinfacht als T-Zellen bezeichnet) vermittelt werden. ABBILDUNG 2: Modell vom Chromosomenpaar 12. Auf diesen Chromosomen befindet sich der Bauplan für den Vitamin-D-Rezeptor. Einzelne Genvarianten (Polymorphismen) des Vitamin-Rezeptor-Gens wurden bei verschiedenen Bevölkerungsgruppen mit der Entwicklung eines Typ-1-Diabetes in Verbindung gebracht. 32

5 Ein Mausmodell für Diabetes CD25 IL-12 CD40 CD154 antigenpräsentierende Zelle MHC TCR CD152 CD4 + CD25 + Die NOD-Maus (von engl.: nonobese diabetic mouse) ist ein ideales experimentelles Modell zur Erforschung neuer Therapiestrategien zur Behandlung des autoimmunen Diabetes, denn sie entwickelt aufgrund ihrer genetischen Veranlagung zu einer krankhaften Regulierung von Th1-Lymphozyten spontan Typ-1-Diabetes (T1D). Der Krankheitsverlauf ähnelt dem der menschlichen T1D-Erkrankung. Viele der im Folgenden erläuterterten Erkenntnisse über die Wechselwirkungen von schützenden und zerstörerischen Zellen bei der Entwicklung des Krankheitsbildes autoimmuner T1D stammen aus Untersuchungen an der NOD- Maus (siehe Abb. 3): Die Schlüsselrolle bei der Entstehung eines T1D spielt die Aktivierung pathogener T-Lymphozyten, welche die insulinproduzierenden -Zellen des Pankreas zerstören können. Dazu zählen u. a. CD 8+ -T-Lymphozyten und Makrophagen, die durch Interleukin-12-(IL-12)abhängige Th1-Lymphozyten reguliert werden. Antigenpräsentierende Zellen (APC) und besonders dendritische Zellen und Makrophagen produzieren dann nach Aktivierung durch verschiedene Stimuli bakteriellen oder viralen Ursprungs verschiedene Botenstoffe (Zytokine) mit gegensätzlichen Effekten wie IL-12 und Interleukin-10 (IL-10). Überwiegt die Bildung von IL-12 werden bevorzugt Th1-Lymphozyten gebildet. Th1-Lymphozyten wiederum kurbeln die IL-12- Produktion durch dendritische Zellen an. Das entsprechende Signal wird durch Bindung des Moleküls CD154 auf der Oberfläche von Th1-Lymphozyten an das Empfängermolekül CD40 auf der Oberfläche von dendritischen Zellen vermittelt. Th1- Lymphozyten produzieren darüber hinaus große Mengen des Botenstoffes Interferon- (IFN- ), welcher die durch IL-12 induzierte Th1-Lymphozytenentwicklung vervielfacht. Weiterhin kann Makrophagen dazu anregen, zytotoxisch wirksam zu werden und für -Zellen des Pankreas toxische Botenstoffe abzugeben. und IL-2 stimulieren darüber hinaus zytotoxische CD 8+ -Zellen, die weitere für die -Zellen toxische Botenstoffe abgeben. Th1-Lymphozyten können auch direkt die -Zellen schädigen, indem sie Zytokine wie freisetzen. Werden die insulinproduzierenden -Zellen des Pankreas durch diese verschiedenen sog. Effektormechanismen zerstört, so werden Bestandteile und Inhaltsstoffe dieser - Zellen freigesetzt, wie Proinsulin, GAD (von engl.: glutamic acid decarboxylase) und IA-2 (Tyrosinphosphatase-ähnliches Molekül), die nun aus den ursprünglichen Zellen freigesetzt als Antigene wirken und von APC den T-Lymphozyten präsentiert werden. Antikörper gegen Bestandteile der -Zellen des Pankreas werden gebildet, die diese zerstören. Regulatorische Mechanismen dagegen, welche die pathogene Aktivität von Th1-Lymphozyten in Schach halten würden, sind bei der NOD-Maus außer Gefecht gesetzt. Dazu zählen: die Hemmung der IL-12-Produktion dendritischer Zellen durch Freisetzen des Gegenspielers IL-10 durch Th2-Zellen, die Herunterregulierung der Th1-Zellpopulation durch direkten Zell-Zell-Kontakt von Th1-Zellen und regulatorischen CD4 + CD25 + -T-Zellen sowie die Wirkung von entsprechenden Botenstoffen, die von sog. natürlichen Killerzellen produziert werden [10]. IL-10 Th-1 natürliche Killerzelle Th-2 IL-2 TCR TFN- zytotoxischer T-Lymphozyt -Zelle des Pankreas Makrophage Toxine Zytokine, Toxine ABBILDUNG 3: Schematische Darstellung der Interaktionen verschiedener Immunzellen bei der Entwicklung eines Typ-1-Diabetes. Modifizierte Abbildung aus [10]. Bedeutung der Abkürzungen im Text und Glossar auf S. 36. (Quelle: L. Adorini, BioXell, Mailand.) Typ-1-Diabetes: Therapie mit Vitamin-D 3 -Analoga 33

6 Die immunregulatorischen Eigenschaften von 1,25(OH) 2 D 3 werden derzeit klinisch sogar schon für die Behandlung einer Th1-Zell-vermittelten Autoimmunerkrankung der Haut, für die Therapie der Schuppenflechte, genutzt [8]. Typ-1-Diabetes Das in nördlichen Breitengraden häufigere Auftreten von Typ-1-Diabetes (T1D) als in südlicheren und 1,25(OH) 2 D 3 -Verbindungen sonnigeren Gefilden legt eine mögliche Beteiligung eines 1,25(OH) 2 D 3 -Mangels bei der Entstehung eines T1D nahe. Diese Annahme wird durch eine auf großen Bevölkerungsgruppen basierende Fall-Kontroll-Studie gestützt, die zeigte, dass die Vitamin-D-Zuführung in früher Kindheit nicht nur zur Vorbeugung einer Rachitis, sondern auch zu einer signifikanten Senkung des Risikos der Erkrankung an T1D führte [9]. Umfangreiche Untersuchungen über die Beeinflussung von T1D durch 1,25(OH) 2 D 3 und analoge Verbindungen wurden daher in jüngster Vergangenheit an NOD-Mäusen durchgeführt, einem tierexperimentellen Modell für T1D (siehe Kasten auf S. 33). Wie greift 1,25(OH) 2 D 3 Die aktive Form von Vitamin D 3 im Körper, in die Regulierung der Immunantwort ein? 1,25(OH) 2 D 3, und auch analoge Verbindungen können die Immunantwort durch verschiedene Mechanismen in sekundären lymphoiden Organen und in von autoimmunen Zerstörungsprozessen betroffenen Geweben beeinflussen (siehe Abb. 4). Wirkung auf Th1-Zellen in lymphoiden Organen In sekundären Lymphorganen hemmen die Verbindungen die Produktion des Botenstoffes Interleukin-12 (IL-12) und stimulieren die Produktion des Botenstoffes Interleukin-10 (IL-10). IL-10 blockiert die Entwicklung von Th1-Helferzellen. Darüber hinaus üben 1,25(OH) 2 D 3 und analoge Verbindungen Th1-Zellhemmende Wirkungen auch durch: die Herunterregulierung der Bildung von sog. kostimulierenden Molekülen (CD40, CD80, CD8) durch dendritische Zellen sowie die Bildung von CD4 + CD25 + -regulatorischen T-Zellen und Th2-Zellen aus. 1,25(OH) 2 D 3 hat auch direkte Effekte auf T-Zellen, indem es die Interleukin-2- und die Interferon- -Produktion hemmt. Inter- 34

7 sekundäre Iymphoide Organe betroffenes Gewebe IL-12 CD40 dendritische CD154 Zelle MHC CD4 TCR CD80/CD86 CD28 Makrophage IL-10 IL-2 Th1 Th1 Th1 Th1 IL-2 Th 1 Th 1 IL-4 IL-10 Th 2 zytotoxische T-Zelle Makrophage Zielzelle CD4 + CD25 + regulatorische Zellen ABBILDUNG 4: 1,25(OH) 2 D 3 und seine Analoga können die Immunantwort durch verschiedene Mechanismen in sekundären Lymphorganen und in Zielgeweben beeinflussen. Gestrichelte Pfeile bedeuten Zytotoxizität, grüne Peile symbolisieren Stimulierung, rote abgestumpfte Pfeile Hemmung. Modifizierte Abbildung aus [11]. Bedeutung der Abkürzungen im Text und Glossar auf S. 36. (Quelle: L. Adorini, BioXell, Mailand.) leukin-2 (IL-2) wird von aktivierten T-Zellen gebildet und wirkt gleichzeitig als T-Zell-Wachstumsfaktor, der die Vermehrung von T-Zellen stimuliert. IL-2 steigert auch die Vermehrung von antikörperbildenden B-Lympozyten und wirkt stimulierend auf zytotoxische Makrophagen und zytotoxische T-Zellen. Herunterregelung von Th1-Zellen im betroffenen Gewebe In von autoimmunen Zerstörungsprozessen betroffenen Geweben, in denen pathogen-wirksame Th1-Zellen die Bildung gewebezerstörender (zytotoxischer) T-Zellen und aktivierter Makrophagen bewirken, können 1,25(OH) 2 D 3 und analoge Verbindungen die Anzahl der Th1-Zellen herunterregeln. Des Weiteren regen sie die Bildung von CD4 + CD25 + -regulatorischen T- Zellen und Th2-Zellen an, die ihrerseits wiederum hemmend auf Th1-Zellen wirken [10]. Typ-1-Diabetes: Therapie mit Vitamin-D 3 -Analoga 35

8 Glossar Antigenpräsentierende Zellen (APC): werden von T- Lymphozyten benötigt, um mittels ihrer T-Zell-Rezeptoren (TCR) Antigen zu erkennen. APC sind z. B. dendritische Zellen, Makrophagen, Kupffersche Zellen oder B-Lymphozyten. Sie kommen über Endozytose oder Infektion mit einem Erreger in Kontakt mit dem Antigen. Das Antigeneiweiß wird dann im Inneren der APC in kleinere Bruchstücke von nur wenigen Aminosäuren zerlegt. Diese werden dann an spezialisierte Moleküle gebunden und so auf der Oberfläche der APC den T-Lymphozyten präsentiert. Dendritische Zellen (DC): dienen der Antigenpräsentation (siehe APC) und produzieren darüber hinaus Botenstoffe wie Interleukin-12, die T-Lymphozyten aktivieren. Sie werden aus Knochenmarkstammzellen gebildet und wandern in die Haut und lymphatische Organe ein. Effektor-T-Lymphozyten: werden nach Antigenkontakt gebildet, haben zytotoxische Aktivität (Killerzellen) und sorgen so für die zelluläre Immunabwehr. Primäre lymphoide Organe: wie beim Menschen der Thymus steuern die Entwicklung von B- und T-Lymphozyten ohne Einfluss durch Antigene. Die Bildung von Lymphozyten erfolgt hier aus Stammzellen. Sekundäre lymphoide Organe: dienen der Produktion von Lymphozyten unter dem Einfluss von Antigenen. Es werden Gedächtniszellen und Effektorzellen der zellulären Immunantwort, d. h. antikörperproduzierende B-Lymphozyten und T-Lymphozyten, gebildet. Zu den sekundären lymphoiden Organen zählen beim Menschen Milz, Lymphknoten, Mandeln und das darmassoziierte lymphoide System. Regulatorische T-Lymphozyten: haben einen hemmenden Einfluss auf Ausbildung und Ablauf der Immunantwort. Sie spielen eine große Rolle bei der Aufrechterhaltung der Toleranz von Immunzellen gegenüber körpereigenen Strukturen. MHC: steht für Haupthistokompatibilitätskomplex von engl.: major histocompatibility complex. Es ist eine Gengruppe, deren Genprodukte Zellmembranproteine sind, die die Aktivität von T-Lymphozyten steuern. T- Lymphozyten können Fremdantigene nur mit Hilfe von MHC-Molekülen erkennen. Erste Erfolge bei diabetischen NOD-Mäusen Vitamin-D 3 -Verbindungen in nichthyperkalzä- Eine kurze Behandlung von NOD-Mäusen mit mischen Dosen ergab eine Hemmung der IL-12- und der -Produktion sowie eine Hemmung der Einwanderung von Th1-Zellen in die Bauchspeicheldrüse [10]. Ferner konnte in verschiedenen tierexperimentellen Studien gezeigt werden, dass 1,25(OH) 2 D 3 nicht nur präventiv den Ausbruch eines autoimmunen Diabetes verhindert, sondern auch das Fortschreiten der Erkrankung behindert. Bei NOD-Mäusen konnten transplantierte Pankreasinseln unter Behandlung mit 1,25(OH) 2 D 3 ihre Funktion als Insulinproduzenten für eine längere Zeit aufnehmen. Da bei anhaltender systemischer Verabreichung von 1,25 (OH) 2 D 3 die Gefahr der Entwicklung einer Hyperkalzämie bestehen kann, wurden verschiedene 1,25(OH) 2 D 3 -Analoga entwickelt, die sich in tierexperimentellen Modellen von Autoimmunerkrankungen als effektiv erwiesen, ohne eine Hyperkalzämie hervorzurufen. Die Substanz, deren Struktur in Abb. 5 gezeigt ist, weist z. B. im Tierexperiment nicht nur eine erhöhte 36

9 ABBILDUNG 5: Struktur einer von 1,25(OH) 2 D 3 - abgeleiteten Verbindung: BXL-698. Die Verbindung zeigte im Tierversuch im Vergleich zu 1,25(OH) 2 D 3 eine 100fach höhere Fähigkeit zur Immunsuppression. OH F 3 C CF 3 HO OH metabolische Stabilität, sondern auch eine 100fach höhere Fähigkeit zur Immunsuppression im Vergleich zu 1,25(OH) 2 D 3 auf ein erster Schritt in Richtung Entwicklung einer Vitamin- D 3 -Verbindung als wirksames Instrument zur Behandlung von T1D. Quellen 1. Holick, M.F.: Photosynthesis of vitamin D in the skin: effect of enviromental and lifestyle variables. Fed Proc 46 (5): , Holick, M.F., MacLaughlin, J.A., Doppelt., S.H.: Regulation of cutaneous previtamin D 3 photosynthesis in man: skin pigment is not an essential regulator. Science 211: , MacLaughlin, J., Holick, M.F.: Aging decreases the capacity of human skin to produce vitamin D 3. J Clin Invest 76 (4): , Lexikon der Biochemie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, Zetkin, Schaldach: Lexikon der Medizin, Ullstein Medica., 16. neue bearbeitete Auflage, Pani, M.A., Knapp, M., Donner, H., et al.: Vitamin D receptor allele combinations influence genetic susceptibility to type 1 diabetes in Germans. Diabetes 49(3): , Chang, T.J., Lei, H.H., Yeh, J.I., et al.: Vitamin D receptor gene polymorphisms influence susceptibility to type 1 diabetes mellitus in the Taiwanese population. Clin Endocrinol 52(5): , Adorini, L.: Immunomodulatory effects of Vitamin D receptor ligands in autoimmune diseases. Int Immunopharmacol 2 (7): , The EURODIAB Substudy 2 Study Group: Vitamin D supplement in early childhood and risk for Type I (insulin-dependent) diabetes mellitus. Diabetologia 42: 51-54, Adorini, L., Gregori, S., Harrison, L.C.: Understanding autoimmune diabets: insights from mouse models: Trends in Molecular Medicine 8 (1), The coming of age of 1,25 dihydroxyvitamin D 3 analogs as immunomodulatory agents. Trends in Molecular Medicine 8 (4), 2002 Typ-1-Diabetes: Therapie mit Vitamin-D 3 -Analoga 37