Die Rolle der mitochondrialen DNA für die Entzündung

Trotz intensiver Forschung ist noch nicht vollständig geklärt, wie es letztendlich zur Entzündung bei rheumatischen Erkrankungen kommt. Prof. Dr. med. Ulrich Walker, Leitender Arzt in der Rheumatologie am Universitätsspital Basel, macht auf die Rolle der mitochondrialen DNA hierbei aufmerksam. Sein Fazit: Sind erst einmal die technischen Hürden zur Bestimmung der mitochondrialen DNA überwunden, könnte sie ein nützlicher Parameter in der Diagnostik rheumatologischer und nichtrheumatologischer Krankheiten sein.

Die mitochondriale DNA ist ein kleines kreisförmiges Molekül, bestehend aus 16569 Basenpaaren. Sie wird nur von der Mutter vererbt. In jeder unserer Zellen liegt die mitochondriale DNA in Hunderten von Kopien vor. Sie verfügt über einen speziellen genetischen Code, der sich von dem universellen genetischen Code unterscheidet. Das bedingt, dass das Molekül eigene Gene für tRNAs und rRNAs hat, um diesen Code zu übersetzen.

Die einzige biologische Aufgabe der mitochondrialen DNA beim Menschen ist es, 13 Strukturgene zur Verfügung zu stellen, also Gene, die für Strukturproteine und Enzyme codieren (Abb.1).

Mitochondrien sind als «Kraftwerke» für die meisten Leistungen fast aller Zellen des Körpers von zentraler Bedeutung. Sie haben vor allem die Aufgabe, ATP (Adenosintriphosphat) zu synthetisieren.

Kurzer Exkurs in die Biochemie: ATP, 1929 vom deutschen Physiologen und Biochemiker Karl Lohmann entdeckt, besteht aus einem Adeninrest, dem Zucker Ribose und drei Phosphatresten. Vereinfacht gesagt werden bei der Atmungskette Glukose, Sauerstoff und Wasser in den Mitochondrien zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abgebaut. Durch diesen Abbau entsteht Energie in Form von ATP. Zur Energiegewinnung wird ATP gespalten und Energie freigesetzt.

Durch Mutationen in der mitochondrialen DNA können Krankheiten entstehen; diese manifestieren sich vor allem an den sogenannten postmitotischen Organen, also in der Muskulatur und im Nervensystem.

Auffällige Fettansammlungen

Im Rahmen des Symposiums Experiencia 2020 in Basel berichtete Prof. Walker von einem seiner Patienten, einem 35-jährigen Mann mit progredienter «Schwäche», wie es der Mann beschrieb. Er konnte letztendlich nur noch maximal 1000 Meter gehen. In der klinischen Untersuchung stellte Walker eine reduzierte Muskelkraft und Myoklonien fest, der Achillessehnenreflex beidseits war negativ, der Romberg-Test pathologisch und es fand sich eine zunehmende Pallästhesie malleolär beidseits. Laborchemisch auffällig war die CK mit 672U/l. BSG, CRP und ANAs waren normal. Einen Hinweis auf die Diagnose habe er durch die auffälligen Fettansammlungen im Halsbereich des Mannes bekommen, erzählt Walker. Die Diagnose: mitochondriale Myopathie mit multipler symmetrischer Lipomatose als Folge einer Punktmutation in einem Gen einer mitochondrialen DNA.

2008 erschien eine Studie, die die Kenntnisse über mitochondriale DNA in eine neue Richtung gelenkt habe, erzählt Walker. Forscher vom Institut für Pharmakologie der Universität Bern zeigten damals, dass eosinophile Granulozyten in der Lage sind, mitochondriale DNA quasi katapultartig in den Extrazellulärraum «auszuspucken».¹ Dort bildet die mitochondriale DNA netzartige Strukturen, die Bakterien binden und töten – sowohl in vitro als auch unter Entzündungsbedingungen in vivo.

Eine andere interessante Beobachtung, die Forscher vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried machten, war, dass man das Material, das von eosinophilen und auch neutrophilen Granulozyten «ausgespuckt» wurde, nicht nur bei bakteriellen Infektionen, sondern auch bei Vaskulitispatienten findet, zum Beispiel in befallenen Glomeruli von Patienten mit Vaskulitis der kleinen Gefässe.²

Im Extrazellulärraum kann die mitochondriale DNA auch an bestimmte Toll-like-Rezeptoren auf verschiedenen Entzündungszellen binden. Das führt über den NF-kappaB-Signalweg zu einer erhöhten Produktion proinflammatorischer Botenstoffe wie TNF, Interleukin6 und Adhäsionsmoleküle. Dies verstärkt die Differenzierung der Leukozyten, deren Extravasion in Gewebe und stimuliert das Inflammasom.³

«Sowohl intrazelluläre als auch extrazelluläre DNA sind also ein starker Stimulus für die Entzündung», fasst Walker zusammen. Wahrscheinlich sei die mitochondriale DNA deshalb ein so starker Stimulus für die Inflammation, weil sie – wie auch die bakterielle DNA – sehr reich an sogenannten nichtmethylierten CpG-Islands ist. Diese sind ein starkes Erkennungssignal für den Toll-like-Rezeptor. Spritzt man mitochondriale DNA in die Schwanzvene einer Ratte, entwickelt das Tier eine Alveolitis – was an Symptome von Patienten mit ANCA-assoziierter Vaskulitis erinnert.^4,5

Bei den ANCA-assoziierten Vaskulitiden sind Trigger bekannt, die das katapultartige Ausschütten der mitochondrialen DNA fördern. Das sind erstens ANCAs, zweitens Gewebeschäden und drittens Staphylococcus aureus. Von dem Keim ist bekannt, dass die nasale Kolonisation das Risiko für ein Rezidiv einer ANCA-assoziierten Vaskulitis deutlich erhöht. «Die ‹ausgespuckte› DNA ist in der Lage, über den Toll-like-Rezeptor-Signalweg eine Entzündung und Destruktion des Gewebes auszulösen, und da dieserein Trigger ist, wird im Sinne eines Circulus vitiosus der Entzündungsprozess weiter aufrechterhalten», so Walker.

DNA als diagnostische Hilfe

In einer prospektiven Studie untersuchte Walker, ob sich die mitochondriale DNA im Blut von Vaskulitispatienten nachweisen lässt und ob dies mit einer Entzündung assoziiert ist. Eingeschlossen wurden 54 Patienten mit ANCA-assoziierter Vaskulitis, darunter 19 Frauen. Als Kontrollgruppe dienten 31 gesunde Blutspender. Die 40 Patienten mit GPA (Granulomatose mit Polyangiitis) hatten im Schnitt fast hundertmal so hohe Blutspiegel an mitochondrialer DNA wie die Kontrollpatienten. Bei den 12 Patienten mit EGPA (eosinophile Granulomatose mit Polyangiitis) und den 2 Patienten mit MPA (mikroskopische Polyangiitis) waren ebenfalls höhere Spiegel zu erkennen.

Besonders viel zirkulierende mitochondriale DNA hatten Patienten mit hoher Vaskulitisaktivität – erkennbar an einem hohem BVAS-Score – und hohem CRP. Die Höhe desSpiegelsan mitochondrialer DNA war ein besserer Hinweis auf die Krankheitsaktivität als die klassischen Werte wie Neutrophilenzahl, CRP oder Antikörper.

Auch beim systemischen Lupus erythematodes (SLE) gibt es Hinweise, dass die mitochondriale DNA in den Entzündungsprozess involviert ist. Walkers Team untersuchte die Spiegel von mitochondrialer DNA bei 111 SLE-Patienten. Als Vergleichsgruppen dienten 39 gesunde Erwachsene und 30 Patienten mit rheumatoider Arthritis (RA). Bei den RA-Patienten wies Walkers Team im Schnitt zehnfach höhere Spiegel an mitochondrialer DNA nach als bei den gesunden Erwachsenen, während SLE-Patienten nochmals zehnfach höhere Werte hatten als RA-Patienten. Auch hier hatten Patienten mit hoher Krankheitsaktivität – gemessen mit dem SLEDAI – eher höhere Spiegel an mitochondrialer DNA. Und auch hier wies die mitochondriale DNA besser auf einen hohen SLEDAI hin als herkömmliche Parameter. Die mitochondriale DNA konnte mit einer Sensitivität und Spezifität von jeweils 100% zwischen einem Patienten mit SLE und einem Gesunden unterscheiden.

Vermutlich ist die mitochondriale DNA nicht nur bei entzündlichen rheumatischen Krankheiten ein wichtiger pathogenetischer Faktor. Sie scheint auch bei diversen anderen Krankheiten oder Situationen, die mit einer Entzündung einhergehen, eine Rolle zu spielen, etwa nach Traumata oder bei Makuladegeneration, Arteriosklerose oder Schwangerschaftsgestose. Forscher von der Washington University haben die mitochondriale DNA bei 97 Covid-19-Patienten untersucht.⁶ Hier zeigte sich: Die Menge an zirkulierender DNA war der beste Prädiktor für einen schweren Krankheitsverlauf.

Fazit und Ausblick

Die mitochondriale DNA ist ein wichtiger Marker, der die Aktivierung des angeborenen Immunsystems widerspiegelt. Auf diverse Trigger hin spucken Granulozyten die DNA explosionsartig aus, und die Höhe der DNA-Spiegel korreliert mit der Aktivität verschiedener rheumatologischer und nichtrheumatologischer Krankheiten. Die zirkulierende DNA stimuliert die Neutrophilen, erneut mitochondriale DNA auszuspucken, was im Sinne eines Circulus vitiosus den Entzündungsprozess ständig aufrechterhält. Die mitochondriale DNA könne ein zusätzlicher wertvoller diagnostischer Marker sein. «Sie kann zeigen, ob ein Patient krank ist», sagt Walker. «Aber sie kann natürlich nichts darüber aussagen, welche Krankheit vorliegt.»

Der Rheumatologe sieht in dem Marker das Potenzial zur Differenzialdiagnose. Zum Beispiel könnte er dazu beitragen, ein primäres von einem sekundären Raynaud-Phänomen zu unterscheiden oder Symptome einer Krankheit zuzuordnen. Ausserdem könnte die mitochondriale DNA zur Aktivitätsbeurteilung von Kollagenosen oder Vaskulitiden herangezogen werden.

Bis der Marker zur Routinediagnostik gehört, wird es aber vermutlich noch etwas dauern. «Das Problem ist, dass man zuerst die Thrombozyten aus dem Plasma eliminieren muss, denn diese enthalten auch mitochondriale DNA», erklärt Walker. «Man muss also zellfreie DNA präparieren – das ist ziemlich aufwendig.» Dies gelingt mit einer 2-Stufen-Zentrifugation, erst dann erfolgt die quantitative PCR-Analyse. Wegen des aufwendigen Verfahrens ist die Technik noch nicht auf dem Markt.

Um die aufwendige Zentrifugation zu umgehen, gibt es mikrofluidische Möglichkeiten. Walker entwickelt mit seinem Team zusammen mit einer Firma ein neues Gerät, einen sogenannten Labdisk-Player. Dieser erinnert an einen tragbaren CD-Spieler und funktioniert vereinfacht gesagt so: Die Blutprobe wird in die Mitte des Players pipettiert und der Player gestartet. Durch die Zentrifugalkraft wird das Plasma von den Thrombozyten getrennt, die DNA extrahiert und mit den schon vorher beigefügten Reagenzien wird die PCR-Analyse durchgeführt. Ob die mitochondriale DNA in Zukunft zur nützlichen Standarddiagnostik gehören wird und wie teuer die Testung sein wird, bleibt abzuwarten.

Hinweis: Die Deutsche Gesellschaft für Neurologie (DGN) hat vor Kurzem eine neue Leitlinie für die Diagnostik und Therapie mitochondrialer Erkrankungen publiziert: Kornblum C et al.: Mitochondriale Erkrankungen. S1-Leitlinie, 2021. In: Deutsche Gesellschaft für Neurologie (Hrsg.): Leitlinien für Diagnostik und Therapie in der Neurologie. www.dgn.org/leitlinien

Quelle:

Experiencia 2020, 15. Oktober 2020, online

Literatur: