Wiendl et al. (Hrsg.) Fragen und Antworten zur Neuroimmunologie. Hogrefe Verlag Programmbereich Medizin

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2 Wiendl et al. (Hrsg.) Fragen und Antworten zur Neuroimmunologie Hogrefe Verlag Programmbereich Medizin

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4 Heinz Wiendl (Hrsg.) Bernd Kieseier Sven G. Meuth Fragen und Antworten zur Neuroimmunologie HogrefeVerlag

5 Anschrift des Herausgebers: Univ.-Prof. Dr. Heinz Wiendl Klinik für Allgemeine Neurologie Department für Neurologie Albert Schweitzer Campus 1, Gebäude A1 D Münster Lektorat: Dr. Klaus Reinhardt Herstellung: Adrian Susin Bearbeitung: Jana Diebold, Freiburg Umschlaggestaltung: Claude Borer, Basel Druckvorstufe: punktgenau GmbH, Bühl Druck und buchbinderische Verarbeitung: AZ Druck und Datentechnik, Kempten Printed in Germany Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Die Verfasser haben größte Mühe darauf verwandt, dass die therapeutischen Angaben insbesondere von Medikamenten, ihre Dosierungen und Applikationen dem jeweiligen Wissensstand bei der Fertigstellung des Werkes entsprechen. Da jedoch die Medizin als Wissenschaft ständig im Fluss ist und menschliche Irrtümer und Druckfehler nie völlig auszuschließen sind, übernimmt der Verlag für derartige Angaben keine Gewähr. Jeder Anwender ist daher dringend aufgefordert, alle Angaben in eigener Verantwortung auf ihre Richtigkeit zu überprüfen. Anregungen und Zuschriften an: Hogrefe Verlag Lektorat Medizin Länggass-Strasse 76 CH-3000 Bern 9 Tel: 0041 (0) verlag@hogrefe.ch 1. Auflage by Hogrefe AG, Bern (E-Book-ISBN [PDF] ) ISBN

6 Inhalt Geleitwort (Reinhard Hohlfeld) Vorwort Experimentelle Grundlagen neuroimmunologischer Erkrankungen Andrew Chan, Fred Lühder Allgemeines... 7 Experimentelle Grundlagen autoimmun-demyelinisierender- ZNS-Erkrankungen Experimentelle Grundlagen autoimmun-demyelinisierender Erkrankungen des peripheren Nervensystems (PNS) Experimentelle Grundlagen autoimmuner Myositiden und der Myasthenia gravis Immunologische Techniken und Immundiagnostik Chi Wang Ip, Sven G. Meuth, Heinz Wiendl 3 Grundlagen der Immuntherapie Kerstin Göbel, Heinz Wiendl, Sven Meuth 4 Multiple Sklerose Stefan Bittner, Sven G. Meuth, Heinz Wiendl 5 Entzündliche Erkrankungen des Muskels Tobias Ruck, Sven G. Meuth, Heinz Wiendl 6 Erkrankungen der neuromuskulären Synapse Nico Melzer, Heinz Wiendl, Mathias Mäurer Myasthenia gravis (MG) Lambert-Eaton-Myasthenie-Syndrom (LEMS) Weitere Erkrankungen der neuro muskulären Synapse Immunneuropathien Gerd Meyer zu Hörste, Stefan Bittner, Bernd C. Kieseier

7 Inhalt 8 Paraneoplastische Erkrankungen des zentralen und peripheren Nervensystems Nico Melzer, Hannah Pellkofer, Raymond Voltz 9 Epilepsie und Immunsystem Christian G. Bien, Nicholas Schwab, Sven G. Meuth, Heinz Wiendl 10 Neurologische Komplikationen systemischer Immunerkrankungen Martin Stangel, Luisa Klotz Diagnostik Kollagenosen Vaskulitiden Hämatologische Erkrankungen Weitere immunvermittelte Erkrankungen Autonomes Nervensystem und Autoimmunität Tjalf Ziemssen, Martin Marziniak 12 Neurobiologische und neurophysiologische Aspekte in der Neuroimmunologie Sven G. Meuth, Petra Ehling, Thomas Budde Neuronale Proteine als Zielstrukturen neuroimmunologischer Erkrankungen generelle Aspekte Ionenkanäle und ihre Rolle bei neurologischen und neuroimmunologischen Erkrankungen Transmitterrezeptoren und ihr Bezug zu neuroimmunologischen Prozessen Neurodegeneration und Neuroreparatur: Implikationen für neuroimmunologische Prozesse Neurodegeneration und Neuro inflammation versus Neuroregeneration und Neuroprotektion Abkürzungen Sachregister

8 5 Geleitwort Die Neuroimmunologie ist ein überaus dynamisches Gebiet. Ein augenfälliges Beispiel bietet die Multiple Sklerose, die häufigste neuroimmunologische Erkrankung, für die es noch vor nicht allzu langer Zeit keine ursächlichen Behandlungsmöglichkeiten gab. Inzwischen hat unser Wissen über die pathogenetischen Mechanismen drastisch zugenommen, und dieser Wissenszuwachs hat auch die Therapieentwicklung positiv beeinflusst. Genauso beeindruckend sind die Fortschritte in anderen Bereichen der Neuroimmunologie. Zum Beispiel gibt es eine immer größere Zahl von «neuropsychiatrischen» Syndromen, die sich als Autoimmunerkrankungen herausstellen, bei denen das Immunsystem Ionenkanäle oder Rezeptoren des Zentralen Nervensystems attackiert. Ähnliches gilt für die Epilepsien und für die paraneoplastischen neurologischen Autoimmunerkrankungen. Bei all diesen Fortschritten ist es manchmal selbst für Experten nicht leicht, über alle wichtigen Entwicklungen immer umfassend informiert zu sein. Deswegen ist eine gleichermaßen konzise und aktuelle Darstellung der Neuroimmunologie höchst willkommen. Mit dem vorliegenden Buch widmen sich nun drei geschätzte Fachkollegen gemeinsam dieser komplexen Aufgabe: Prof. Sven Meuth, Prof. Bernd Kieseier und Prof. Heinz Wiendl haben mit einem Team angesehener Experten ihre Fachdisziplin in didaktisch vorbildlicher Weise aufbereitet. Durch Verwendung zahlreicher Tabellen und Abbildungen gelingt es den Autoren, auch schwierige Sachverhalte übersichtlich und verständlich darzustellen. Besonders bemerkenswert ist der didaktische Ansatz der «Fragen und Antworten». Dieses Konzept basiert auf den im angelsächsischen Sprachraum bestens bekannten und sehr beliebten «Neurology Secrets», bei denen die gesamte Neurologie in einem Frage-Antwort-Format dargestellt wird. Heinz Wiendl war schon als Arzt im Praktischen Jahr beim Stöbern in einer Buchhandlung der Duke University auf diesen Klassiker gestoßen und war davon so begeistert, dass er 2001 erstmals eine deutsche Version der «Neurology Secrets» vorlegte. Tatsächlich hilft die Aufbereitung komplexer Wissensgebiete in Form von Fragen und Antworten sehr dabei, neue Informationen aufzunehmen und zu verarbeiten. Die prägnanten Fragen am Anfang jedes Abschnitts erleichtern den Einstieg in eine neue Thematik, und sie helfen auch beim effizienten «Querlesen». Denn im Gegensatz zu klassischen Lehrbuchtexten ist dieses Buch nicht primär dazu gedacht, systematisch von Anfang bis Ende durchgearbeitet zu werden. Stattdessen wird man bereits nach kurzer intensiver Lektüre zu einer interessanten Fragestellung mit einer konzisen, in sich abgeschlossenen Antwort belohnt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Aufbereitung in Fragen und Antworten eine gute Unterstützung bei der Prüfungsvorbereitung bietet. Aber auch für Erfahrene ist dieses Buch eine willkommene Quelle nützlicher Informationen. Aus all diesen Gründen ist diesem Buch eine große Verbreitung zu wünschen. München, im Dezember 2014 Prof. Dr. med. Reinhard Hohlfeld

9 6 Vorwort der Herausgeber Als pars pro toto hat sich die Neuroimmunologie innerhalb der Neurologie in den letzten beiden Jahrzenten fast explosionsartig entwickelt, so dass nach den «Fragen und Antworten der Neurologie» (Rolak/Wiendl) und den «Fragen und Antworten der Neurowissenschaften» (Budde/Meuth) nun konsequenterweise die «Fragen und Antworten der Neuroimmunologie» vorgelegt werden. Im bekannten Stil der Buchreihe wird das umfangreiche Gebiet der Neuroimmunologie in insgesamt zwölf Kapiteln von der Erläuterung grundlegender immunologischer Techniken über die Beschreibung paradigmatischer Erkrankungsbilder bis hin zu neuroimmunologischen Therapiestrategien aufgearbeitet. Die Auswahl der Themenschwerpunkte und Fragen sind das Resultat jahrelanger Diskussionen mit unseren Mentoren, Kollegen und Studenten. Daher würden wir uns wünschen mit diesem Buch sowohl den Lehrenden als auch den Lernenden «Neuroimmunologen» sowie unseren ärztlichen Kollegen ein hilfreiches Kompendi- um als Arbeits- und Nachschlagewerk zur Verfügung zu stellen. Herausgeber und Autoren wünschen dem Werk eine kritische Leserschaft und würden sich über Anregungen zur weiteren Optimierung der Inhalte freuen. Stellvertretend für den Verlag Hans Huber danken wir Herrn Dr. Reinhardt für die Unterstützung bei diesem Projekt. Unser ganz besonderer Dank gilt Frau Sarah Khalil, die durch ihren nachhaltigen Einsatz ganz maßgeblich zum Entstehen dieses Buches beigetragen hat. Frau Heike Blum danken wir für die Hilfe bei einigen Abbildungen. Bei unseren Familien möchten wir uns für die kontinuierliche Unterstützung und das Verständnis für unsere Arbeit bedanken. Münster/Düsseldorf, im Dezember 2014 Heinz Wiendl Bernd Kieseier Sven G. Meuth

10 7 1 Experimentelle Grundlagen neuroimmunologischer Erkrankungen Andrew Chan, Fred Lühder Allgemeines 1.1 Nennen Sie Kriterien der Koch-Witebsky- Postulate für Autoimmunerkrankungen! Wer war E. Witebsky? In den 50er-Jahren des letzten Jahrhunderts wurden die Koch-Postulate für Infektionserkrankungen durch Ernst Witebsky anhand des M. Basedow an Autoimmunerkrankungen adaptiert. In erweiterter und modifizierter Form besagen sie, dass: bei der Erkrankung Zeichen einer Immunreaktion nachweisbar sein müssen, die mit der Krankheitsaktivität korrelieren durch eine Immunisierung von Versuchstieren mit Antigenen des Zielgewebes eine der menschlichen Erkrankung vergleichbare Modellkrankheit erzeugt werden kann diese Modellkrankheit durch passiven Transfer immunkompetenter Zellen oder humoraler Antikörper auf gesunde Empfängertiere übertragbar sein und bei diesen ebenfalls zu einer Erkrankung führen muss; im Falle von Autoantikörpern soll die direkte Interaktion mit dem Antigen demonstriert werden können die Erkrankung sich durch definierte Eingriffe in das Immunsystem modulieren lässt (z. B. Toyka et al., 1987; Drachman, 2003). Der Immunologe Ernst Witebksy ( ) studierte in Heidelberg und Berlin, bevor er 1925 in Heidelberg promovierte und sich später für Serologie und Immunologie habilitierte. Er ist u. a. für klassische Untersuchungen an der experimentellen autoimmunen Thyroiditis bekannt geworden. 1.2 Nennen Sie beispielhaft eine neurologische Erkrankung für die die Koch-Witebksy- Postulate vollständig erfüllt sind! Bei der Myasthenia gravis (MG) korreliert der Titer der Acetylcholinrezeptor-Antikörper mit der Krankheitsaktivität. Die Immunisierung von Versuchstieren mit dem muskulärennikotinischen-acetylcholin-rezeptor (nachr) führt zu einer experimentellen autoimmunen MG, die klinisch, elektrophysiologisch und histologisch der menschlichen Erkrankung ähnelt. Dabei verursachen die Anti-nAChR-Antikörper den Defekt in der postsynaptischen neuromuskulären Übertragung. Die Erkrankung kann auch passiv durch den Transfer von Immunoglobulinen (Ig) oder nachr-igg von Myastheniepatienten auf Mäuse übertragen werden. Die Plasmapherese führt zu einer klinischen Besserung der Patienten. 1.3 Diskutieren Sie einige Einschränkungen für die Koch-Witebsky-Postulate! Das Kriterium, dass Zeichen einer Immunreaktion vorhanden sein müssen, die mit der Krankheitsaktivität korrelieren, könnte implizieren,

11 8 1 Experimentelle Grundlagen neuroimmunologischer Erkrankungen Die EAE kann in suszeptiblen Nagerstämmen wie z. B. der Lewis-Ratte entweder durch eine aktive Immunisierung mit einem Immunogen (aktive EAE) oder mittels passiver Übertragung enzephalitogener T-Zellen (passive-, adoptivetransfer (AT-) EAE) ausgelöst werden (Abb. 1-1). Bei der aktiven Krankheitsauslösung werden die Tiere mit einem spezifischen Antigen, wie beispielsweise dem basischen Myelin-Protein (MBP) immunisiert, welches in einem Adjuvans (komplettes Freund sches Adjuvans, CFA) zur Verstärkung der Immunantwort emulgiert ist. Bei der MBP-Immunisierung bei Lewis-Ratten führt dies nach vorausgehender Gewichtsabnahme nach etwa 2 Wochen zum Auftreten neurologischer Symptome. Nach Isodass bei allen Patienten mit der entsprechenden Erkrankung z. B. Autoantikörper nachweisbar sind. Dies ist natürlich nicht der Fall. Erklärungsansätze hierfür könnten neben technischen Gründen beispielsweise sein, dass Autoantikörper an entsprechende Zielstrukturen gebunden, und somit nicht mehr in zirkulierender Form nachweisbar sind bzw. dass das Antigen in so geringer Menge exprimiert wird, dass die Autoantikörper in situ nicht nachgewiesen werden können. Weiterhin könnte es sich trotz eines gleichen klinischen Phänotyps um mehrere nah verwandte, aber nicht identische Zielantigene handeln. Darüber hinaus stellt sich die Frage, weshalb nicht alle Patienten mit Autoantikörper-vermittelten-Erkrankungen Krankheitszeichen aufweisen, beziehungsweise warum mehrere unterschiedliche Autoimmunerkrankungen mit einem Autoantikörper assoziiert sein können. Dies ist zum Beispiel bei der Typ-1-Diabetes und beim Stiff-Person-Syndrom der Fall, die beide durch das Vorhandensein von Antikörpern gegen Glutamatdecarboxylase (GAD 65 ) charakterisiert sind (Kim et al., 1994). Das Kriterium einer passiven Übertragbarkeit von humoralen Faktoren auf gesunde Versuchstiere könnte durch die Blut-Hirn-Schranke bzw. die Blut- Nerven-Schranke eingeschränkt sein. 1.4 Was versteht man unter dem Immunprivileg des zentralen Nervensystems (ZNS)? Nennen Sie weitere immunprivilegierte Gewebe! Welches sind Mechanismen, die zum Immunprivileg führen? Während viele Gewebe lokale Immunreaktionen ohne bleibende funktionelle Einschränkungen tolerieren können, sind in einigen spezialisierten Geweben spezifische immunregulatorische Mechanismen aktiv, die die Immunantwort so begrenzen und modulieren sollen, dass eine dauerhafte Schädigung des Gewebes verhindert wird. Solche gewebespezifischen Mechanismen, die zu einem «Immunprivileg» führen, existieren z. B. im ZNS, in den reproduktiven Organen (Testis, Ovarien) sowie der Vorderkammer des Auges. Dabei stammt die erste experimentelle Definition des Immunprivilegs aus den 40er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts von Transplantationsversuchen in das Auge und das Gehirn, in denen ein längeres Überleben histo-inkompatibler-gewebe beobachtet wurde. Mechanismen des Immunprivilegs umfassen u. a. das Fehlen einer direkten lymphatischen Drainage, eine spezifische Blut-Gewebe-Schranke, ein immunsuppressives Mikromilieu, das z. B. durch die Expression immunsuppressiver Zytokine und Neuropeptide charakterisiert ist sowie die Induktion von Apoptose von eingewanderten Immunzellen durch die Expression von sogenannten «Todesliganden» (z. B. Fas-Ligand) im Gewebe (Ferguson et al., 2002; Engelhardt/Coisne, 2011). Dabei zeigen verschiedene neuere Untersuchungen aber, dass z. B. im ZNS das Immunprivileg nicht absolut ist, sondern dass eine geringe Anzahl aktivierter vor allem CD8 + -T- Zellen durch das ZNS patrouilliert und das Auftreten von Infektionen verhindert (Carson et al., 2006). 1.5 Schildern Sie grundlegende experimentelle Prinzipien der Tiermodelle für auto immundemyelinisierende Erkrankungen des Nervensystems am Beispiel der autoimmunen experimentellen Enzephalomyelitis (EAE)!

12 1 Experimentelle Grundlagen neuroimmunologischer Erkrankungen 9 Abbildung 1-1: Transfer der EAE in suszeptible Nagerstämme lation, Stimulation und Selektion können antigenspezifische T-Zellen in vitro propagiert werden. Werden diese antigenspezifischen T-Zelllinien in naive Tiere injiziert, entwickeln diese nach wenigen Tagen eine passive Erkrankung, die man adoptive Transfer-EAE nennt. 1.6 Bei Tiermodellen wie der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis und Neuritis gibt es eine Variabilität der Erkrankung hinsichtlich z. B. Erkrankungsinzidenz, Beginn und Schwere der Erkrankung. Wovon hängt diese Variabilität ab? Die Erkrankungsvariabilität lässt sich nicht auf einen einzelnen Faktor zurückführen, sondern hängt von einer Vielzahl von Einflussfaktoren ab. Hierzu gehören das verwendete Antigen, die Spezies der Versuchstiere, das Geschlecht, Alter und Stamm der Versuchstiere sowie das Immu- nisierungsprotokoll. Obwohl diese Komponenten unter Versuchsbedingungen weitestgehend konstant gehalten werden können, kommt es trotzdem zu einer teilweise erheblichen Variabilität, was wahrscheinlich auf Umwelteinflüsse wie Jahreszeit, Temperatur, Stress, Tierstall etc. zurückgeführt werden muss. Für Therapieversuche wird häufig die durch basisches Myelin-Protein induzierte adoptive Transfer-autoimmune experimentelle Enzepha lomyelitis (AT-EAE) in der Lewis-Ratte benutzt, da diese eine verlässlich hohe Krankheits inzidenz und einen relativ synchronen Zeitverlauf zwischen den einzelnen Tieren einer Versuchsgruppe aufweist. Dies hat den Vorteil, dass kleinere Gruppengrößen von beispielsweise 6 bis 10 Tieren verwendet werden können, mit denen dann signifikante Ergebnisse zu erzielen sind.

13 10 1 Experimentelle Grundlagen neuroimmunologischer Erkrankungen 1.7 Einer der Vorteile der Mausmodelle neuroimmunologischer Erkrankungen ist die Möglichkeit der Untersuchung genetisch veränderter Tiere, insbesondere an Knockout-Modellen. Warum sind Knockout- Untersuchungen an Mäusen häufiger als z. B. an Ratten? Die Techniken zur Erzeugung gentechnisch veränderter Nager, wie Desoxyribonukleinsäure-Mikroinjektion in den Pronukleus zur Generierung transgener Tiere, die Elektroporation embryonaler Stammzellen (ES-Zellen) und die homologe Rekombination für die Generierung von Knockout-Tieren wurden zunächst in Mäusen entwickelt und angewandt. Hinzu kommt, dass ES-Zellen von Mäusen relativ robust und dadurch leichter zu manipulieren sind, während ES-Zellen von Ratten äußerst fragil sind, was die Erzeugung von Knockout-Ratten äußerst diffizil macht. Inzwischen gibt es hunderte Maus-knockout-Linien, von denen die meisten auch auf einen für Versuche mit der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis relevanten genetischen Hintergrund zurückgekreuzt sind (z. B. C57BL/6). In den letzten Jahren ist aber auch die Generierung transgener Ratten gelungen (van den Brandt et al., 2007). Knockout-Ratten gab es bis vor kurzem nur einige wenige, die über den mühsamen Weg zufälliger Mutagenese und nachfolgender Selektion gezüchtet wurden. Im Jahr 2009 wurde die Zinkfinger-Nukleasetechnologie entwickelt, mit deren Hilfe inzwischen auch Knockout-Rattenmodelle mit modifizierten ES-Zellen als Ausgangspunkt generiert werden können (Dolgin, 2010). 1.8 Was sind «konditionale» Knockout-Modelle? Einige Knockout-Linien können nicht generiert werden, da eine Inaktivierung des entsprechenden Gens letal ist. Außerdem muss bei der Interpretation von Daten von Knockout-Modellen berücksichtigt werden, dass der an den Tieren beobachtete Effekt nicht notwendiger- weise nur auf die Ausschaltung eines Gens zurückzuführen ist, sondern vielmehr auch kompensatorische Mechanismen anderer Gene widerspiegeln kann (Adaptationsprozesse) und somit eher auf komplexen Interaktionen beruht. Eine weitere Einschränkung ist, dass bei vielen Knockout-Modellen die Funktion des ausgeschalteten Gens nicht zelltypspezifisch ist. Alternativen sind deshalb konditionale Knockout-Modelle, die den Vorteil einer entweder zell- oder gewebespezifischen oder zeitlich definierten Inaktivierung eines Gens im adulten Stadium bieten. 1.9 Welche Möglichkeiten gibt es zur Generierung von konditionalen Knockout- Modellen und wie funktionieren sie? Die am weitesten verbreitete Methode zur Generierung einer konditionalen Knockout-Maus ist das Cre/loxP-System (Feil, 2007). Hierbei wird das Ziel-Gen durch zwei loxp-sequenzen flankiert («gefloxte» Maus), das dazwischen liegende Gensegment kann mit Hilfe der vom Bakteriophagen P1 stammenden Cre-Rekombinase herausgeschnitten und damit inaktiviert werden. Cre kann als Transgen oder «knock-in» entweder gewebespezifisch oder induzierbar exprimiert werden (Cre-Maus). Erst die Kreuzung dieser beiden Mäuse führt zur gewünschten Gendeletion. Eine weitere Möglichkeit des kontrollierten An- oder Abschaltens von Genen über festgelegte Zeiträume ist die Verwendung des Tetrazyklin-Systems (Sprengel/Hasan, 2007). Auch hierbei sind wieder 2 Mäuse erforderlich. Eine, die transgen einen Tetrazyklin-Transaktivator exprimiert, und eine andere, die das Zielgen gekoppelt mit einem synthetischen Promotor exprimiert. Die Bindung des Transaktivators an den Promotor (und damit die Aktivität der Genexpression) ist durch Tetrazyklin steuerbar, d. h. in diesem System können Gene durch Zufütterung bzw. Entzug von Tetrazyklinen während klar definierter Zeiträume aktiviert und deaktiviert werden. Somit kann die Wirkung