Immunität und Entzündung bei Arteriosklerose

Abstract

There is now overwhelming experimental and clinical evidence that atherosclerosis is a chronic inflammatory disease. Lessons from genome-wide association studies, advanced in vivo imaging techniques, transgenic lineage tracing mice, and clinical interventional studies have shown that both innate and adaptive immune mechanisms can accelerate or curb atherosclerosis. Here, we summarize and discuss the pathogenesis of atherosclerosis with a focus on adaptive immunity. We discuss some limitations of animal models and the need for models that are tailored to better translate to human atherosclerosis and ultimately progress in prevention and treatment.

Arteriosklerose ist die häufigste pathologische Ursache für koronare Herzkrankheit, periphere Arterienerkrankung und Hirnarterienerkrankung (1,2). Das chronische Wachstum gefäßverengender Plaques in der subendothelialen Neointima von großen und mittelgroßen Arterien führt letztendlich zu erheblichen Stenosen, die die Durchblutung vermindern und kritische Gewebehypoxie verursachen (3). Die häufigsten Komplikationen, Herzinfarkte und Schlaganfälle, werden von spontganen thrombotischen Gefäßverschlüssen verursacht und stellen zusammen die weltweit häufigste Todesursache dar (4,5). Die gegenwärtigen klinischen Leitlinien konzentrieren sich auf die Behandlung dieser Komplikationen (6). Klinische Therapieansätze, die das Fortschreiten der Arteriosklerose verhütenoader verlangsamen, sind auf Medikamente beschränkt, die LDL (low density lipoprotein) Cholesterin senken. Früher wurde Arteriosklerose als eine Erkrankung der Cholesterinablagerung durch Zurückhalten von LDL und anderen Lipoproteinen in der Neointima angesehen. LDL in der Gefäßwand wird verändert und dann von Scavenger-Rezeptoren erkannt und aufgenommen. Dieser Vorgang führt zu kontinuierlichem Wachstum der fett- und leukozytenreichen Infiltrate, die makroskopisch als Plaques erscheinen. Plasmakonzentrationen von Cholesterin, LDL Cholesterin und Apolipoproteinen einschließlich Apolipoprotein B (ApoB) sind stark mit klinischer Arteriosklerose korreliert (7,8). Maus- und andere Tiermodelle zeigen Hinweise auf einen ursächlichen Zusammenhang: erhöhte Plasmacholesterinkonzentrationen durch genetische Nullmutationen der LDL-Rezeptor (LDLR) oder Apolipoprotein-E-Gene in Mäusen verursacht Atherosklerose in dem C57BL/6-Mausstamm, der normalerweise keine spontane Arteriosklerose entwickelt (9,10). Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) korelieren viele Einzelbasen-Polymorphismen (SNPs) in oder in der Nähe von Genen, die für lipidrelevante Proteine kodieren. LDLR, APOB und Proprotein Konvertase Subtilisin/Kexin Typ 9 (PCSK9) beeinflussen LDL-Cholesterinwerte und sind Risikofaktoren für Arteriosklerose und Herzinfarkte (11, 12). Arteriosklerose wird von einer chronischen, schwelenden Entzündungsreaktion begleitet, die Leukozyten des angeborenen und des adaptiven Immunsystems anzieht. Diese Leukozyten und Makrophagen wandern in die Plaques ein (3), und manche erkennen ApoB, das Hauptlipoprotein von LDL. Wir haben daher Arteriosklerose als eine chronisch-entzündliche Erkrankung mit einer Autoimmunkomponente klassifiziert (13). Diese Autoimmunantwort manifestiert klinisch am besten in Antikörpern gegen LDL und andere Arteioskleroseantigene sichtbar, die in allen Patienten und Tiermodellen nachweisbar sind. Viele Studien zeigen, dass niederaffine „natürliche” IgM-Antikörper gegen Oxidationsepitope im LDL negativ mit Arteriosklerose korrelieren, während hochaffine IgG-Antikörper positiv korrelieren (14). In diesem Beitrag fassen wir die adaptiven Immunmechanismen, die mit Arteriosklerose einhergehen und den Krankheitsverlauf modifizieren, zusammen.

LDL-Akkumulation löst die Entzündung der Gefäßwand aus

Arteriosklerose beginnt mit der Akkumulation von einigen Plasmalipoproteinen in der subendothelialen Intima in Gefäßbereichen mit gestörtem Blutflussmuster und endothelialer Dysfunktion. Dies ist am besten für LDL dokumentiert, dessen Akkumulation mit klassischen Risikofaktoren wie Rauchen, Bluthochdruck, metabolische Dysregulation bei Fettleibigkeit und Diabetes mellitus korreliert (15). In der Neointima wird LDL durch reaktive Sauerstoffderivative oxidiert, und dieses oxidierte LDL (oxLDL) wird dann von Makrophagen aufgenommen (16). oxLDL selbst löst weitere Entzündung der Arterienwand aus, indem es an TLR (Toll-like receptors) bindet, die zu den weitverbreiteten PRRs (pattern recognition receptors) gehören und entzündungsfördernde Signale auslösen (18). Makrophagen können auch unverändertes LDL durch Mikropinozytose oder in aggregierter Form als Cholesterinkomplexe oder Cholesterinkristalle durch Phagozytose aufnehmen. Die anhaltende Zufuhr von Cholesterin übersteigt irgendwann die metabolische Kapazität der Phagozyten, und es bilden sich intrazelluläre Fetttröpfchen. Solche cholesterinbeladenen Makrophagen imponieren mikroskopisch als Schaumzellen. Wahrscheinlich ruft die Cholesterinakkumulation eine Antwort der myeloiden Leukozyten hervor, die mit Zytokinsekretion, Makrophagenproliferation in situ und der Rekrutierung von myeloiden Leukozyten aus dem Blut einhergeht (20). Eine klinisch relevante Folge der Cholesterinakkumulation ist die Bildung von intrazellulären Cholesterinmikrokristallen, die das Inflammasom aktivieren, ein molekularer Komplex der NLRP3 (nucleotide binding domain and leucine-rich repeat) Familie, der Pro-Interleukin-1β in die aktive Form spaltet. IL-1β ist ein Hauptzytokin der Entzündung, das die Expression vieler proinflammatorischer Zytokine und auch CRP (C-reaktives Protein) verstärkt (22). Verminderte Cholesterinakkumulation oder erhöhter Cholesterinefflux kann die Entzündung im Plaque vermindern und sogar Plaqueregression bewirken (23). Die myeloide Antwort ist vom Einwandern von B- und T-Lymphozyten des adaptiven Immunsystems begleitet (24–25). Der Gehalt an myeloiden Leukozyten und Lymphozyten im Plaque korreliert mit klinischen Komplikationen und scheint den Patienten für spätere thromboembolische Ereignisse zu prädestinieren, die oft von unstabilen Plaques mit massiven Entzündungszellinfiltraten und dünner fibrotischer Kappe ausgehen (26,27).

Die Autoimmunantwort in der Arteriosklerose

Nach der Entdeckung von T- und B-Lymphozyten in Plaques (28) wurde die Hypothese entwickelt, dass Arteriosklerose von einer Autoimmunantwort begleitet wird. Die adaptive Immunantwort bei Infektionen und Autoimmunität hat einen humoralen Arm, in dem Plasmazellen spezifische Antikörper gegen Antigen(e) produzieren, und einen zellulären Arm, in dem T-Lymphozyten einerseits B-Lymphozyten durch Kostimulation aktivieren und andererseits selbst in Effektor-T-Lymphozyten differenzieren, die pro- oder anti-inflammatorische Zytokine produzieren können (29). CD4- und CD8-T-Lymphozyten können nur dann eine Immunantwort auslösen, wenn die antigenen Peptide von MHC (Major Histocompatbility Complex)-I auf allen kernhaltigen Zellen beziehungsweise MHC-II auf antigenpräsentierenden Zellen (APCs) präsentiert werden. Die Immunantwort der T-Lymphozyten ist daher MHC-beschränkt, das heißt, eine Immunantwort erfolgt nur in Personen, die Versionen der MHC-Moleküle ausbilden, die die relevanten Peptidepitope binden können. Die Bindung eines spezifischen T-Zellrezeptors (TCR) und kostimulatorischer Moleküle von APCs aktiviert T-Lymphozyten und induziert ihre klonale Proliferation (30). In Mausmodellen der Arteriosklerose hat Zweiphotonenmikroskopie gezeigt, dass die Rate der Interaktionen zwischen CD4-T-Lymphozyten und APCs spezifisch durch Hypercholesterinämie gesteigert wird und zur Sekretion proinflammatorischer Zytokine führt (31). Diese Helfer-T-Lymphozyten zeigen verstärkte Reifung zu Effektor-Gedächtniszellen (T_EM) und zentralen Gedächtniszellen (T_CM) in Lymphknoten (Abb. 1A) und in arteriosklerotischen Plaques (28, 31). TCR-Sequenzierung zeigt, dass die T-Lymphozyten im Plaque oligoklonal sind (32, 33), was bedeutet, dass einige antigenspezifische T-Lymphozytenklone in Plaque aktiv proliferieren. Die verstärkte Aktivierung der T-Lymphozyten in älteren Apoe^−/−-Mäusen wird von einer Schwellung der die arteriosklerotische Aorta drainierenden Lymphknoten begleitet (Abb. 1B). Die lokale und systemische Entzündungsantwort wird außerdem durch eine Hypercholesterinämie-erzeugende Ernährung verstärkt (34–36). Diese Befunde bestärken die Hypothese, dass bei Arteriosklerose spezifische Antigene die adaptive Immunantwort in der Aorta und den Lymphknoten hervorrufen.

Abb. 1:

Die Aktivierung von T-Zellen ist ein Kennzeichen der Arteriosklerose. A: Bei der Fütterung mit einer westlichen Diät (WD) bauen CD4⁺-T-Helferzellen aus arteriosklerosegefährdeten Apoe^−/−-Mäusen ein signifikantes Immungedächtnis auf, wobei mehr als die Hälfte der T-Zellen die Marker CD62L⁻ CD44⁺ für T-Effektor-Gedächtniszellen (T_EM) und CD62L⁺ CD44⁺ für zentrale Gedächtniszellen (T_CM) im Vergleich zu arteriosklerosefreien Wildtyp-(WT)-Mäusen exprimieren. B: Neben einer erhöhten T-Lymphozytenaktivierung nimmt die Größe der Lymphknoten, die die Aorta und die supra-aortalen Arterien (Halswirbelsäule, Achsellymphknoten) entwässern, massiv zu. Apoe: Apolipoprotein E

LDL: Ein Autoantigen im Plaque

Unter allen Kandidaten, die als B- und T-lymphozytenaktivierende Antigene in Frage kommen, zeigt LDL im Blutplasma und sein Hauptlipoprotein ApoB die stärkste klinische und kausale Verbindung mit Arteriosklerose beim Menschen (37). ApoB-enthaltende triglyzeridreiche Remnant-Partikel zeigen auch eine starke Korrelation mit kardiovaskulären Erkrankungen, Entzündung und Immunität (7). LDL als Autoantigen bei Arteriosklerose wurde schon 1959 von Gero et al. (38) entdeckt. Impfung von arterioskleroseanfälligen Kaninchen mit LDL verminderte die Arteriosklerose, was heißt, dass die Autoimmunantwort gegen LDL schützend wirken kann (39). Beim Menschen sind viele CD4-T-Lymphozyten im Plaque spezifisch für oxLDL (40) und binden an Peptidepitope von ApoB, die von MHC-Molekülen präsentiert werden (41, 42). Tetramere rekombinanter MHC-Moleküle, mit ApoB-Peptid beladen, können antigenspezifische Helfer-T-Lymphozyten in vivo identifizieren (43). Solche Tetramere markieren eine natürliche Population von CD4-Lymphozyten im menschlichen Blut, die spezifisch an das ApoB_3036–3050 Peptid binden (42). Im Plasma arteriosklerotischer Patienten werden regelmäßig IgG-Antikörper gegen LDL, oxLDL und ApoB gefunden (42). Diese Befunde zeigen, dass LDL ein relevantes Autoantigen ist, das die Autoimmunantwort gegen Eigenproteine im arteriosklerotischen Plaque antreibt. Neben LDL und ApoB wurde auch gezeigt, dass HSPs (Heat Shock Proteins, 45–47) und einige Peptide von Pathogenen wie Zytomegalievirus (CMV), Hepatitis C virus (HCV), humanem Papillomviurus (HPV) und anderen arterioskleroserelevante Antigene sein könnten (48–50).

Helfer T-Lymphozyten-abhängige Immunität bei Arteriosklerose

Frühe immunhistochemische Befunde (28–51) und neue Daten von Einzelzell-RNA-Sequenzierungsexperimenten (24, 52) und massenspektrometrische Durchflusszytometrie (CyTOF, 24, 53) haben gezeigt, dass etwa 25 bis 35% aller Leukozyten in arteriosklerotischen Plaques von Mäusen und Menschen CD3⁺-T-Lymphozyten sind, wobei CD4-Helfer-T-Lymphozyten etwa 10% ausmachen. Die T-Lymphozyten werden bevorzugt in der fibrotischen Kappe arteriosklerotischer Plaques gefunden (28, 51), aber auch in der Adventitia älterer Läsionen (24, 54). Ihre Migration in den Plaque erfordert den Chemokinrezeptor CCR5 (C-C Chemokinrezeptor Typ 5), CXCR6 (C-X-C Chemokinrezeptor Typ 6) und andere Moleküle (55, 56). CD4-T-Lymphozyten sind entscheidend für die Regulierung der adaptiven Immunantwort und könnne in verschiedene Helfer-T-Lymphozytentypen differenzieren. Diese können einerseits die Immunantwort dämpfen oder andere T-Lymphozyten aktivieren, können entzündungsfördernde oder entzündungshemmende Effekte auf Gewebszellen haben, können B-Lymphozyten helfen, hochaffine IgG-Antikörper zu produzieren, oder können selbst zytolytisch sein (29, Abb. 2). Somit sind die Funktionen der Helfer-T-Lymphozyten facettenreich und hängen von den spezifischen Transkriptions- und Zyotokinsekretionsprogrammen ab, die die Arteriosklerose beschleunigen oder hemmen können. Frühe Experimente mit Rag1-defizienten Mäusen, die weder reife T- noch B-Lymphozyten produzieren können, zeigten eine pathogene Rolle der T- und B-Lymphozyten nur in der frühen Arteriosklerose bei mäßig erhöhten Cholesterinwerten, aber nicht in schwer hypercholestinämischen Apoe^−/−-Mäusen (57, 58). Genetischer Mangel von T-Lymphozyten in athymischen nu/nu-Mäusen oder Depletion von CD4-T-Lymphozyten mittels CD4-Antikörper zeigte verminderte Entwicklung arteriosklerotischer Plaques (59). Nachdem APCs den T-Lymphozyten im Plaque spezifische Antigene präsentieren, differenzieren diese in funktionell unterschiedliche Untergruppen: Helfer Typ (T_H) 1, 2 oder 17, regulatorische T-Lymphozyten (T_reg), oder Typ1 regulatorische (T_R1) Lymphozyten (60). Arteriosklerose wird als T_H1 Erkrankung angesehen. Viele der CD4-T-Lymphozyten im Plaque sind entzündungsfördernd und produzieren die T_H1-Zytokine Interferon-γ, IL-2, IL-3, TNF (Tumornekrosefaktor) und Lymphotoxin (LT), die Makrophagen, andere T-Lymphozyten und andere Zellen im Plaque aktivieren können und damit die Entzündungsantwort verschlimmern (61). T-Lymphozyten in Lymphknoten, die den Chemokinrezeptor CCR5 exprimieren, und T-Lymphozyten in arteriosklerotischen Plaques sezernieren Interferon-γ und exprimieren den T_H1-definierenden Transkriptionsfaktor T-bet (55, 62). Entfernung von Interferon-γ, seinem Rezeptor, oder T-bet schützt die jeweiligen genetisch manipulierten Mäuse gegen Arteriosklerose (63–65). IFN-γ kann die Plaquestabilität direkt reduzieren, indem es die Proliferation glatter Muskelzellen hemmt (66), Makrophagen polarisiert, und kardiovaskuläre Risikofaktoren beeinflusst (67). Andererseits schützen regulatorische T-Lymphozyten (T_regs), die den Transkriptionsfaktor FoxP3 und den hochaffinen IL-2-Rezeptor CD25 exprimieren, vor Arteriosklerose. T_regs üben diese antiarteriosklerotischen Effekte durch Sekretion des entzündungshemmenden Zytokins IL-10 (70) und des plaquestabilisiernden Zytokins TGF-β (transforming growth factor-β, 71) sowie durch die Unterdrückung der Proliferation der entzündungsfördernden Effektor-T-Lymphozyten (72) aus. Anti-arteriosklerotische Effekte von Injektion von IL-2-Komplexen (73) oder Antikörpern gegen CD3 (74, 75) werden einer relative Zunahme von T_regs zugeschrieben. IL-10 wird auch von T_R1-Lymphozyten sezerniert, die kein FoxP3, aber CD49b und Lag-3 exprimieren; dies kann Arteriosklerose vermindern (76, 77). In arteriosklerotischen Plaques exprimieren viele T-Lymphozyten mRNA für die T_H2-Zytokine IL-4, IL-5 und IL-13 (24). Im Gegensatz zum abdominalen Aortenaneurysma, das als T_H2-Krankheit angesehen wird (78), und der negative Korrelation zwischen IL-4 und Arteriosklerose, ist die Rolle der T_H2-Lymphozyten in der Ateriosklerose unklar. Das T_H2-Zytokin IL-4 blockiert T_H1-Reaktionen. Injektion von IL-4 führte zu verminderten Plaques in einer Studie (80), aber in einer anderen Studie schützte Depletion von IL-4 vor Arteriosklerose (81). Die Rolle von T_H17-Lymphozyten bei Arteriosklerose ist ebenfalls kontrovers: Genetische Deletion oder Neutralisierung des T_H17-Zytokins IL-17 schützte vor Arteriosklerose (82–84), während andere Studien fanden, dass T_H17-Lymphozyten einen stabileren Plaquephänotyp begünstigten und vor Arteriosklerose schützten (85–87). Follikuläre Helfer-T-Lymphozyten (T_FH), die nötig sind, um B-Lymphozyten zum Wechsel der Immunglobulinproduktion von IgM zu IgG zu veranlassen, könnten proarteriosklerotisch sein (88) oder könnten vor Arteriosklerose schützen, indem sie die Produktion von Antikörpern veranlassen, die LDL oder ApoB senken oder neutralisieren (89). Die unterschiedlichen Befunde der verschiedenen Studien könnten auf unterschiedlicher, aber unbekannter Antigenspezifität der T-Lymphozyten beruhen. Es ist bemerkenswert, dass Antigenpräsentation die CD4-Helfer-Lymphozytenantwort bei Arteriosklerose sowohl induzieren als auch begrenzen kann. Die antigenspezifische T-Lymphozytenaktivierung erfolgt ausschließlich durch APCs, die Peptidantigene in MHC-Molekülen präsentieren (29). Wenn MHC-II während der Kostimulation oder auf den APCs blockiert wird, erfolgt keine CD4-T-Lymphozytenantwort (31, 90). Die T-Lymphozytenantwort beginnt typischerweise, wenn antigenbeladene dendritische Zellen in Lymphknoten erscheinen. Mehrere Zelltypen im Plaque können als APCs für Restimulation von antigenerfahrenen und Gedächtnis-T-Lymphozyten dienen: Makrophagen im Plaque, B-Lymphozyten in der Adventitia und konventionelle und plasmazytoide dendritische Zellen. Die Immunantwort kann tolerogen (immunsuppressiv) oder immunogen sein, was von der Natur der kostimulatorischen Moleküle und der von den APCs sezernierten Zytokinen abhängt (91, 92).

Abb. 2:

T-Zell-Polarisierung bei Arteriosklerose. Naive T-Helferzellen (T_H) differenzieren zu Effektor-T-Lymphozyten im Plaque nach der Präsentation von antigenen Peptiden aus ApoB (Apolipoprotein B) durch antigenpräsentierende Zellen (APCs). Eine APC nimmt (oxidierte) LDL-Cholesterinpartikel auf, verarbeitet und präsentiert Peptide aus ApoB auf MHC (major histocompatibility complex)-II. Die T-Zelle erkennt diesen Komplex durch einen spezifischen T-Zell-Rezeptor (TCR). Dieser Prozess wird durch die Bindung von kostimulatorischen Liganden an die entsprechenden Rezeptoren auf T-Zellen gesteuert. Durch kostimulatorische Signale und von einer APC ausgeschüttete Zytokine exprimieren T-Zellen Transkriptionsfaktoren (in den Zellen markiert), die die Differenzierung in verschiedene T_H-Typen antreiben. Diese exprimieren spezifische Zytokine, die entweder atheroprotektiv oder proatherogen wirken können. Die Relevanz für die Arteriosklerose bleibt für einige T_H-Phänotypen umstritten. IL: Interleukin; TGF: transformierender Wachstumsfaktor

Die Rolle anderer T-Lymphoztenuntergruppen ist weniger gut bekannt. Möglicherweise tragen MHC-I-abhängige zytotoxische CD8-T-Lymphozyten zur Entzündung im Plaque und zum Wachstum des nekrotischen Kerns bei (93, 94), aber die Antigenspezifität dieser CD8-Lymphozyten ist noch nicht erforscht (95). Natürliche Killerlymphozyten (NK) können die antigenspezifische T-Lymphozyten-Immunität beeinflussen und infizierte oder Tumorzellen direkt abtöten. NK-Zellen kommen im Plaque in niedriger Konzentration vor und könnten Einfluss auf die Arteriosklerose haben (96). Im Gegensatz zu früheren Studien zeigten neure Arbeiten, dass natürliche Killerlymphozyten die Arteriosklerose nicht beeinflussen (97–100). Außerdem können CD1d-abhängige natürliche Killer-T-Lymphozyten (NKT) Glykolipidantigene erkennen. Einige NKT-Untergruppen können Arteriosklerose verschlimmern, aber die arterioskleroserelevanten Glykolipide, auf die diese NKT-Lymphozyten ansprechen, sind unbekannt (101–103).

Die Funktion von ApoB-spezifischen autoreaktiven Helfer-T-Lymphozyten

Lange Zeit war der Phänotyp der ApoB-spezifischen CD4-T-Lymphozyten, das heißt des kleinen Anteils von T-Lymphozyten, die einen TCR exprimieren, der ApoB-Peptide im MHC-II-Molekül erkennen kann, unbekannt. In Tiermodellen wurden ApoB-spezifische CD4-T-Lymphozyten durch Impfung gegen LDL oder ApoB oder in vitro expandiert. Der direkte Transfer solcher impfungsinduzierten T-Lymphozyten verschlimmerte Arteriosklerose in einer Studie (104). T-Lymphozyten, die ex vivo mit oxLDL stimuliert wurden, verschlimmerten ebenso die Arteriosklerose in einem Immundefizienzmodell (scid/Apoe^−/−-Mäuse, 105). Neutralisation von durch oxLDL stimulierten T-Lymphozyten durch einen monoklonalen Antikörper gegen die TCR V31 Untereinheit schützte Mäuse vor Arteriosklerose (106), was auf eine arteriosklerosefördernde Funktion von ApoB-spezifischen T-Lymphozyten hindeutet. Andererseits zeigen neure Studien, in denen ApoB-spezifische T-Lymphozyten direkt in vivo untersucht wurden, das Gegenteil: die meisten ApoB-reaktiven CD4-T-Lymphozyten in Mäusen und Menschen sind immunsuppressive T_regs (42). Dieser Befund stimmt mit der jüngsten Arbeit von Gistera et al. (89) überein, in der ApoB-reaktive T-Lymphozyten von Mäusen mit einem transgenen TCR gegen oxLDL/ApoB die Empfängermäuse vor Arteriosklerose schützten. Diese unterschiedlichen Ergebnisse verschleiern das Verständnis der genauen Funktion antigen-spezifischer T-Lymphozyten. Wahrscheinlich hängt ihr Phänotyp von der Natur der präsentierten Peptide, der Mikroumgebung und dem Zytokinmilieu ab, die die T-Lymphozytenpolarisation beeinflussen können. Einige proarteriosklerotische antigenspezifische T-Lymphozyten wurden isoliert und dann in vitro kloniert (105, 106), ein Prozess, von dem bekannt ist, dass er T_H1-Klone bevorzugt und T_reg-Klone unterdrückt. Es scheint, dass die antigenspezifischen T-Lymphozyten multipotent sind und mehrer Helfer-T-Lymphozytentypen in vivo erzeugen können. Diese Idee ist konsistent mit unserer jüngsten Beobachtung, dass durch MHC-II-Tetramer ausgewählte ApoB-reaktive T-Lymphozyten mehrere T_H-definiernde Transkriptionsfaktoren gleichzeitig exprimieren können (42).

Die T_reg Umschalthypothese: Wie eine schützende zu einer pathogenen Antwort wird

Die Beobachtung, dass Arteriosklerose von einer Autoimmunantwort begleitet wird, fordert die Frage heraus, ob Arteriosklerose in Gesunden durch ApoB-spezifische T_regs aktiv verhütet wird (39). T_regs verhüten den Ausbruch von Autoimmunerkrankungen (107). Natürliche T_regs (nT_regs) werden im Thymus produziert und periphere T_regs werden aus naiven T-Lymphozyten induziert (iT_regs). Obwohl bekannt ist, dass die Gesamtpopulation von T_regs vor Arteriosklerose schützt (68, 60), war bis vor kurzem unbekannt, ob ApoB-spezifische T_regs exisitieren und wie sie den Krankheitsverlauf beeinflussen. Interssanterweise zeigen reiche klinische Daten eine starke inverse Beziehung zwischen T_regs und Arteriosklerose: die Zahl der T_regs und IL-10-exprimierenden T-Lymphozyten ist im Blut von Patienten mit Herzinfarkt erniedrigt (108, 109). Niedrige T_reg-Zahlen sagen kardiovaskuläre Komplikationen voraus (110). Die Zahl der T_regs im Blut von Mäusen mit Arteriosklerose nehmen im späteren Krankheitsverlauf ab, während Effektor-T-Lymphozyten ansteigen (36, Abb. 3A). Anderseits korrleliert die Zahl der T_regs in Arteriosklerosepatienten positiv mit dem LDL-Spiegel (111). In Mäusen begünstigt Hypercholesterinämie zunächst die Differenzierung von T_regs (112), aber dies wird möglicherweise durch erhöhte Entzündung (36), intrazelluläre Lipidakkumulation (113) oder eine antigenspezifische Antwort unterdrückt. Die letztgenannte Hypothese wird von Beobachtungen unterstützt, dass die vom TCR in Gang gesetzten Signalvorgänge in hypercholesterinämischen Mäusen verstärkt ist (114). Möglicherweise reagiert eine Untergruppe von T-Lymphozyten auf Antigene, die mit erhöhtem LDL-Spiegel einhergehen, oder auf Komponenten von LDL selbst. Diese Daten deuten darauf hin, dass ApoB/LDL-reaktive T_regs TCRs exprimieren, die auf spezifische ApoB-Autopeptide reagieren. Diese Zellen werden aktiviert, wenn die respektiven Peptide von APCs in MHC-II-Molekülen präsentiert werden. Im vergangenen Jahr zeigten wir die Existenz solcher ApoB-reaktiven T-Lymphozyten direkt, indem wir sie mit MHC-II-Tetrameren, die mit dem humanen und sequenzidentischen Maus ApoB3_036–3050 beladen waren. Mit diesen Tetrameren zeigten wir, dass zwei Drittel der ApoB_3036–3050 reaktiven CD4 T-Lymphozyten in Patienten ohne nachweisbare kardiovaskuläre Erkrankung nur FoxP3 exprimierten, was zeigt das die Mehrzahl der ApoB-reaktiven Zellen T_regs sind. In Patienten mit subklinischer Arteriosklerose war der Anteil der FoxP3-einzelpositiven T-Lymphozyten auf etwa 30% reduziert. Stattdessen koexprimierte ein erheblicher Anteil der FoxP3-positiven Lymphozyten auch RORγt oder T-bet, die Transkriptionsfaktoren die T_H17 beziehungsweise T_H1-Helfer-T-Lymphozyten definieren (42). Diese Beobachtungen und die verringerte Zahl von T_regs mit fortgeschrittener Arteriosklerose in Patienten und Mäusen unterstützen die Hypothese, dass der immunsuppressive Phänotyp der T_regs verschwindet, wenn die Arteriosklerose voranschreitet. In der Tat exprimieren T_regs in älteren arteriosklerotischen Mäusen T-bet, verlieren ihre Fähigkeit zu regulieren und vor Arteriosklerose zu schützen, aber haben immer noch einige phänotypische Merkmale von T_regs, zum Beispiel erhaltene Expression von etwas FoxP3 (36, 55, 62). Gaddis et al. (88) zeigten vor kurzem, dass FoxP3-Expression verlorengeht und stattdessen der Transkriptionsfaktor Bcl-6 exprimiert wird, der T_FH-Lymphozyten definiert. In Empfängermäuse injizierte ApoB⁺-Helfer-T-Lymphozyten wurden zu T_FH (89). In anderen Autoimmunerkrankungen wie experimenteller Autoimmunenzephalitis oder Arthritis wurde gezeigt, dass Instabilität der FoxP3-Expression zu antigenspezifischen, aber nichtfunktionellen ehemaligen T_regs (exT_regs) führt, die nicht mehr vor der Erkrankung schützen können (115–117). Die Instabilität von FoxP3 ist möglicherweise durch erhöhte Methylierung im FoxP3-Genlokus bedingt, die auch in Patienten mit kardiovaskulären Erkrankungen beobachtet wurden (118). Möglicherweise kann dies durch Veränderungen im Lipidmetabolismus oder Interventionen, die Zytokine blockieren, verhindert werden (88, 115). Die Funktion von FoxP3 kann zusätzlich durch alternative Spleißung beeinflusst werden. Die Spleißvariante kann bevorzugt zu pathogenen Transkriptionsprogrammen führen (119). Diese Befunde zeigen, dass die initial schützende Immunantwort durch T_regs im Verlauf der Arteriosklerose zu einer pathogenen Antwort wird (39, Abb. 3B und 3C).

Abb. 3:

Rückgang der protektiven regulatorischen T-Lymphozyten (T_reg) im Zuge der Arteriosklerose. A: Im Verlauf der Erkrankung wird der Pool der T_reg-dominierten antigenspezifischen T-Zellen von Effektor-T-Zellen (T_eff) mit einer vermutlich proatherogenen Funktion überwältigt. B: Im Laufe der Zeit beginnen T_regs, die den sie definierenden Transkriptionsfaktor FoxP3 exprimieren, alternative Transkriptionsfaktoren von T-Helferzellen (T_H) wie RORγ-T (T_H17), Bcl-6 (T_FH) oder T-bet (T_H1) zu exprimieren. FoxP3 wird entweder koexprimiert oder verschwindet. Wahrscheinlich kann dieser Wechsel in FoxP3 niedrigexprimierte oder FoxP3-negative exT_regs durch die Antigenspezifität der T-Zelle, das Zytokin-Milieu in der atherosklerotischen Plaque oder die Beladung der T-Zelle mit intrazellulärem Cholesterin verursacht werden. C: Diese Beobachtungen sind Grundlage des Konzepts eines zunehmenden Ersatzes der protektiven Immunität durch eine arteriosklerosefördernde Reaktion.

B-Lymphozyten können die Arteriosklerose verschlimmern oder verbessern

Zwei klassische Typen von B-Lymphozyten sind bekannt: B1-Lymphozyten sind Teil des angeborenen Immunsystems und sezernieren IgM-Antikörper unabhängig von T-Lymphozyten. B2-Lymphozyten müssen von T_FH aktiviert werden, um zu IgG-sezernierenden Plasmazellen zu reifen. Während einer Infektion oder nach einer Impfung gegen pathogene Organismen sezernieren Plasmazellen, die von B-Lymphozyten abstammen, IgG-Antikörper, die Bakterien und Viren neutralizieren oder opsonisieren (29). Außerdem sezernieren B-Lymphozyten mehrere Zytokine, die die Entzündungsreaktion beeinflussen. Beispielsweise produzieren IRA-B-Lymphozyten das arteriosklerosefördernde Zytokin GM-CSF, das myeloide Zellen aktiviert und eine T_H1-Antwort fördert (120). Regulatorische B-Lymphozyten (B_reg) sezernieren das entzündungshemmende Zytokin IL-10, induzieren arteriosklerosehemmende T_regs und können direkt entzündungshemmend sein (121), aber ihre Rolle in der Arteriosklerose wird kontrovers diskutiert (122). Die Rolle anderer zytokinsezernierender Effektor-B-Lymphozyten (Be) ist unklar. In arteriosklerotischen Plaques finden sich nur wenige B-Lymphozyten (24); mehr B-Lymphozyten sitzen in der Adventitia, insbesondere in älteren arteriosklerotischen Mäusen, in denen sich arterielle tertiäre Lymphorgane (ATLOs) bilden. B-Lymphozyten in der Milz sprechen auch auf eine hypercholesterinämieinduzierende Ernährung an (124), sodass bei Arteriosklerose sowohl lokale als auch systemische Effekte berücksichtigt werden müssen. Globale Funktionsgewinn- und Funktionsverlustexperimente zeigen, dass die vor Arteriosklerose schützende Rolle der B-Lymphozyten überwiegt (125, 126). Angeborene B1-Lymphozyten sind überwiegend arteriosklerosehemmend und adaptive B2-Lymphozyten sind überwiegend arteriosklerosefördernd (Abb. 4).

Abb. 4:

Rolle der B-Lymphozyten bei der Arteriosklerose. Aus sich entwickelnden B-Lymphozyten (Pre-B) werden angeborene B1-Lymphozyten oder adaptive, konventionelle B2-Lymphozyten (rechts). B1-Lymphozyten erkennen Epitope auf LDL- (Low-Density-Lipoprotein) und oxLDL-Partikeln, was zu ihrer Aktivierung und Expression von niederaffinen IgM-Antikörpern durch Proliferation führt. Häufig zeigen diese IgM-Antikörper eine Kreuzreaktivität mit Epitopen auf Bakterien wie Streptococcus pneumoniae oder auf apoptotischen Zellen. Die Störung der B1-Funktionalität verschlimmert die Arteriosklerose. B2-Zellen benötigen eine Kostimulation durch T-follikuläre Helferzellen (T_FH-Zellen) durch MHC (major histocompatibility complex)-II:peptide:TCR (T-Zell-Rezeptor)-Interaktionen und kostimulatorische Signale, um sich zu Plasmazellen zu differenzieren, die hochaffine IgG-Antikörper gegen Arterioskleroseantigene wie ApoB, oxLDL oder HSP (Heat-Shock-Proteine) exprimieren. Die Neutralisierung von B2-Zellen ist atheroprotektiv, obwohl die Rolle der IgG-Antikörper mit den beschriebenen pro- und antiatherogenen Funktionen weiterhin umstritten ist. Unabhängig von der Klassifizierung von B1/2-Zellen wurde gezeigt, dass bestimmte B-Zell-Subgruppen Gruppen von Zytokinen exprimieren, die die Definition von zytokinsezernierenden B-Effektor (Be)-1 und −2-Zellen, regulatorischen B-Zellen (B_regs) und angeborenen Aktivator (IRA) B-Zellen (links) ermöglichen. ApoB: Apolipoprotein B; IL: Interleukin; IFN: Interferon; TNF: Tumornekrosefaktor

B1 Lymphozyten

B1-Lymphozyten stellen die erste Verteidigungslinie gegen weitverbreitete Pathogene dar. In Mäusen ist ihr Oberflächenphenotyp CD11b⁺CD43⁺CD23⁻B220^niedrigCD19⁺. Sie können anhand von Oberflächenmarkern und Lokalisation weiter in B1a und B1b unterteilt werden (127). Die meisten B1-Lymphozyten finden sich in der Peritonealhöhle. In arteriosklerotischen Plaques findet man wenige CD11b⁺B220⁻CD19⁺ B1-ähnliche Lymphozyten, die mit zunehmender Arteriosklerose abnehmen (24). B1-Lymphozyten sezernieren IgM, das direkt von der genomischen Keimbahn-DNA stammt (nicht rearrangiert). IgM von B1-Lymphozyten bindet an Phosphocholingruppen, die sich in der Baketerienwand von Streptococcus pneumoniae finden. Die gleichen IgM-Klone binden an oxitationsspezifische Epitope in LDL und auf apoptotischen Zellen (128–130). Solche Oxidationsepitope werden bei steriler Entzündung auch in der Milz produziert (131). Bei kardiovaskulären Erkrankungen sind IgM-Spiegel, die Oxidationsepitope auf LDL oder ApoB erkennen, invers mit Arteriosklerose und ihren Komplikationen korreliert (132–138). IgM gegen oxLDL hemmt dessen Aufnahme in Makrophagen, was entzündungshemmend wirkt (139, 140). In vielen Funktionsgewinn- und Funktionsverluststudien wurde gezeigt, dass B1-Lymphozyten vor Arteriosklerose schützen (141–145).

B2 Lymphozyten

IgG-Antikörper werden von Plasmazellen sezerniert, die in Keimzentren mit Hilfe von T_FH-Lymphozyten aus B-Lymphozyten reifen und von niederaffinem IgM auf hochaffine IgG-Antikörperproduktion umschalten (156). IgG-Antikörpertiter gegen natives und oxidiertes LDL sind in Mäusen und Menschen positiv mit Arterisosklerose korreliert (133, 147–149). Die Hemmung von B2-Lymphozyten schützt vor Arteriosklerose (150–152), während die Hemmung von Plasmazellen arteriosklerosefördernd wirkt (153). Die direkte Funktion der IgG-Antikörper bei Arteriosklerose ist kontrovers: IgGs gegen ApoB können Arteriosklerose verschlimmern (154) oder vor Arteriosklerose schützen (155, 156). In der klinischen Phase-II-Studie GLACIER (Goal of Oxidized LDL and Activated Macrophage Inhibition by Exposure to a Recombinant Antibody) wurde Teilnehmern ein monoklonaler IgG-Antikörper gegen ein humanes ApoB-Peptid verabreicht; dies zeigte nicht den erwarteten arteriosklerosehemmenden Effekt (157). Die Studie basierte auf Positronenemissionstomographie mit 8F-Fluorodeoxyglukose als Biomarker für die Entzündung im Plaque anstelle von klinischen kardiovaskulären Endpunkten. Dies, die kurze Beobachtungdauer von 85 Tagen und die geringe Anzahl von Teilnehmern haben möglicherweise zum Scheitern der Studie beigetragen.

Kann Arterioskleroseimpfung für die klinische Anwendung entwickelt werden?

Die Entdeckung der Autoimmunkomponente der Arteriosklerose hat zu der Idee geführt, dass Impfung mit LDL oder ApoB-Peptiden der Arteriosklerose vorbeugen kann, indem sie die schützende Komponente der Autoimmunität stärkt oder erhält. Schon vor fast 60 Jahren wurde gezeigt, dass Kaninchen, die subkutane Injektionen von LDL erhielten, kleinere arteriosklerotische Läsionen entwickelten (38). Dass Impfung mit LDL vor Arteriosklerose schützen kann wurde in mehreren Tiermodellen, mit verschiedenen LDL-Präparationen, Applikationsrouten und Adjuvanzien gezeigt (158–160). Mindestens sieben MHC-II restringierte Peptide von ApoB, das die immundominanten Epitope von LDL enthält, schützen vor Arteriosklerose, wenn Tiermodelle mit ihnen geimpft wurden: p3, p6, p101, p102, p103, p18 und p210 (42, 161–163). Unklar ist allerdings der Wirkmechanismus, dessen Entdeckung notwendig ist, um Impfstrategien für Anwendung beim Menschen zu entwickeln. Gegenwärtig werden hauptsächlich drei Wirkmechanismen diskutiert: Induktion von T_regs (42, 164–167), IL-10-Produktion (41, 42, 161, 167) oder impfinduzierte IgG-Antikörper – abhängig von der Dosis, Administrationsroute und Adjuvantien (44). Neuere Studien legen nahe, dass IgG-Antikörper nicht notwendig sind (168), sodass die T_reg und IL-10-Hypothesen wahrscheinlicher werden (42). Ob Arterioskleroseimpfungen für die klinische Anwendung entwickelt werden können, ist noch unklar. Ein erster Schritt hierzu war die Entdeckung von ApoB-Peptidepitopen im humanen ApoB, die der Immunmodulation zugänglich sind (42, 169). In den meisten Mausstudien wurden die ApoB-Peptide in komplettem Freundschem Adjuvans (CFA) gegeben, einer Emulsion von inaktivierten Mykobakterien in Mineralöl, oder in inkomplettem Freundschem Adjuvans (IFA), das keine Mykobakterien enthält. Beide Adjuvanzien können nicht beim Menschen angewandt werden, da die subkutane oder intraperitoneale Injektion von CFA oder IFA starke unspezifische Entzündung induziert (170, 171). Dieses Problem wurde in einer neueren Studie gelöst, in der gezeigt wurde, dass ein Squalenöl, ein Adjuvans das bereits in klinischen Impfstoffen benutzt wird, mit ApoB-Peptiden gegeben werden kann und effektiv vor Arteriosklerose schützt (168). Derzeit ist außerdem unbekannt, ob Impfung von Nagetieren mit bereits bestehender Arteriosklerose wirkt, da die meisten Studien nur die prophylaktische Verhütung von Arteriosklerose untersucht haben.

Einschränkungen von Tiermodellen

Im Prinzip ist die zelluläre und humorale adaptive Immunantwort in Mausmodellen der Arteriosklerose bekannt. Die klinische CANTOS-Studie (Canakinumab Anti-Inflammatory Thrombosis Outcomes Study) hat gezeigt, dass entzündungshemmende Therapie die Arteriosklerose beim Menschen vermindern kann. Allerdings bestehen signifikante Probleme für die Übertragung von Tierstudienbefunden auf den Menschen. Erstens entwickeln Mäuse keine spontane Arteriosklerose, und die weitverbreiteten gendefizienten Mäuse entwickeln keine koronare Herzkrankheit. Arteriothrombotische Ereignisse wie Herzinfarkte oder Schlaganfälle treten in arteriosklerotischen Mäusen nicht auf. Außerdem sind die Blutlipidwerte in den genetischen Mausarteriosklerosemodellen sehr verschieden von denjenigen beim Menschen. Zweitens wurden die meisten Arteriosklerosestudien in einem einzigen Mausstamm durchgeführt (C57BL/6), der nicht die Breite der genetischen Heterogenität bei Menschen widerspiegeln kann. Es ist bekannt, dass die genetische Heterogenität enormen Einfluss auf die Immunantwort und die Arteriosklerose hat, mit einem weiten Spektrum von entzündungsfördernd bis entzündungshemmend (172, 173). Drittens sind manche Zytokine und Immunrezeptoren nicht gut von der Maus auf den Menschen übertragbar, da die Immunsysteme von Maus und Mensch mehr als andere Systeme starkem evolutionärem Druck unterliegen. Viertens ist die Antigenpräsentation und -erkennung bei Mäusen stark vereinfacht. Mäuse werden in spezifisch pathogenfreien Tierställen gehalten, was die pathogengetriebene Zellaktivierung, das Antigenrepertoire und die Differenzierung von Immunzellen vernachlässigt (174). C57BL/6 Mäuse exprimieren nur ein einzigen MHC-II-Allel (I-A^b), während Menschen mehrere Allele einer großen Zahl von verschiedenen MHC-II-Varianten mit mehr als 10.000 Varianten exprimieren. Diese extreme genetische Variabilität macht es schwierig, die humane Autoimmunantwort vorherzusagen.

Klinische Aspekte

Derzeit sind zwei fundamentale therapeutische Strategien verfügbar: Verminderung von LDL und Abschwächung der Entzündungsantwort. Die erfolgreichste kausale Medikation, gemessen in Personenjahren ohne Ereignis, sind die Inhibitoren der endogenen Cholesterinsynthese durch HMG-CoA-Reduktasehemmer (Statine; 175, 176), die einerseits das LDL-Cholesterin senken und anderseits vielfältige entzündungshemmende Effekte haben, die nachweislich über den Effekt der LDL-Cholesterinsenkung hinausgehen (177). Statine könne arteriosklerotische Plaques verhüten, vermindern und sogar zum Schrumpfen bringen (178). Monoklonale Antikörper gegen PCSK9 senken das LDL-Cholesterin noch dramatischer, indem sie den zellulären Abbau des LDL-Rezeptors blockieren (179, 180), offenbar ohne Einfluss auf den CRP-Spiegel zu haben (181), der ein Biomarker der systemischen Entzündung ist. Allerdings bleibt ein erhebliches Restrisiko, selbst wenn LDL mit Statinen und PCSK9-Inhibitoren erfolgreich gesenkt wurde (182). Dies zeigt die unterschiedliche, zum Teil überlappende Bedeutung des Entzündungsrisikos und des Lipidrisikos. Behandlung mit niedrig dosiertem Colchizin verhütete kardiovaskuläre Ereignisse in einer kleinen prospektiven Studie (183). Außerdem hat die CANTOS-Studie gezeigt, dass die Entzündungshemmung mit dem IL-1β-Antikörper Canakimumab kariovaskuläre Ereignisse in Patienten mit bestehender Arteriosklerose um 15% senken konnte (184). Diese Beobachtungen haben konzeptionell die Entzündungshypothese bestärkt, aber es ist unklar, welche Patienten von den neuen entzündungshemmenden Therapien profitieren: Erstens führte die Hemmung von IL-1β zu einer Zunahme letaler Infektionen (184). Zweitens verfehlte die neue CIRT (Cardiovascular Inflammation Reduction Trial)-Studie, die niedrigdosiertes Methotrexat in Patienten mit koronarer Herzkrankheit testete, ihre Endpunkte (185). Dieser Mangel an Wirksamkeit könnte zum Teil an der Inklusion von Patienten mit niedrigem Entzündungsrisiko liegen. Wenn zukünftige entzündungshemmende Arteriosklerosetherapien klinisch verfügbar sind, könnte eine personalisierte Risikostratifikation (Entzündungs- versus Lipidrisiko) hilfreich sein. Es ist derzeit unklar, ob unspezifische entzündungshemmende Therapien auch die Autoimmunkomponente der Arteriosklerose beeinflussen würden. Impfung und Immunmodulation könnten zukünftige antigenspezifische Therapieansätze darstellen, die die Immunabwehr wahrscheinlich unbeeinflusst lassen. Die erste Validierung von MHC-II-Tetrameren zum Nachweis von ApoB-reaktiven T-Lymphozyten (42) und die Messung von Autoantikörpern (186) im menschlichen Blut könnten Stratifizierungsstrategien sein, die Patienten mit hohem immunologischen Arterioskleroserisiko identifizieren.

Schlussfolgerungen

Arteriosklerose ist eine chronisch-entzündliche Erkrankung der Gefäßwand, die überwiegend von einer angeborenen Immunantwort von myeloiden Zellen wie Monozyten und Makrophagen getrieben wird. Die begleitende Autoimmunität gegen ApoB und andere Antigene wird von CD4 T-Lymphozyten getragen, die myeloide Zellen instruieren, und von Autoantikörpern, die möglicherweise das pathogene Potenzial dieser Antigene beeinflussen. Diese Autoimmunantwort ist im Menschen und in Tiermodellen nachweisbar. Während Autoimmunität klassischerweise als pathogen angesehen wird, zeigen neuere Ergebnisse, dass ApoB-spezifische CD4 T-Lymphozyten bereits in Menschen ohne klinische Arteriosklerose nachweisbar sind und überwiegend arteriosklerosehemmende Merkmale zeigen. Mit fortschreitender Arteriosklerose entwickelt sich die schützende Autoimmunantwort in eine pathogene. Es ist unbekannt, ob diese Umschaltung eine Ursache oder eine Folge der Arteriosklerose und Entzündung ist. Es ist jedoch klar, dass das adaptive Imunsystem entzündugsfördernde und -hemmende Auswirkungen haben kann und somit Arteriosklerose verstärken oder hemmen kann. Ein attraktives Konzept ist, dass das adaptive Immunsystem durch Impfung oder Immunmodulation beeinflusst werden kann. Die eingeschränkte Vorhersagekraft existierender Tiermodelle und ein Mangel an Verständnis der genauen Rolle von Autoantikörpern, B- und T-Lymphozyten stellen wesentliche Hürden für die klinische Entwicklung und Anwendung solcher Eingriffe dar.