Die Rolle des neuartigen IL-10-verwandten Zytokins IL-22 bei intestinaler Entzündung und intestinaler Barrierefunktion

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan Brand
• Fachliche Zuordnung: Gastroenterologie
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 24920310

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

IL-22, das ursprünglich als IL-TIF (IL-10-related T cell-derived inducible factor 1) beschrieben wurde, gehört zu einer Zytokinfamilie mit Homologie zu IL-10. IL-22 bindet an einen Rezeptorkomplex, der aus zwei Rezeptoruntereinheiten (IL-22R1 und IL-10R2) besteht, die zur Klasse II-Zytokin-Rezeptorfamilie (CRF2) gehören. Hauptproduzenten von IL-22 sind aktivierte T- und NK-Zellen, insbesondere Th17-Zellen. In dem vorgestellten Sachmittelantrag wurde erstmals detailliert die Rolle von IL-22 bei intestinaler Entzündung untersucht. Dabei konnten wir zeigen, dass intestinale Epithelzellen den funktionellen IL-22-Rezeptorkomplex bestehend aus IL-10R2 und IL-22R1 exprimieren. Ligand-Rezeptorbindung führt zur Aktivierung von STAT3, in geringerem Maße auch zur STAT1-Aktivierung und verstärkten Phosphorylierung von ERK-1/2- und SAPK/JNK-MAP- Kinasen sowie Akt. Die von IL-22 aktivierten Signaltransduktionswege vermitteln eine verstärkte Epithelzellmigration und Wundheilung. Die Überexpression von SOCS3 und SOCS1 führt zu einer Inhibition der IL-22-vermittelten Wundheilung, was die STAT- Abhängigkeit dieser Prozesse beweist. IL-22 aktiviert die Expression von epithelprotektivem humanen beta-Defensin-2. Humanes beta-Defensin-2 aktiviert CCR6 und fördert über Epithelzellmigration ebenfalls die Wundheilung. Zusätzlich zu diesen epithelprotektiven Eigenschaften weist IL-22 proinflammatorische Merkmale auf. So aktiviert IL-22 z.B. auch proinflammatorische Zielgene wie IL-8. IL-22 wird verstärkt in der intestinalen Mukosa von DSS-behandelten Mäusen und bei Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen exprimiert. Die CED-Krankheitsaktivität korreliert dabei stark mit den IL- 22-Serumspiegeln. Die Expression von IL-22 erfolgt insbesondere in Th17-Zellen, an deren Oberfläche sich der IL-23-Rezeptor befindet. Wir konnten zeigen, dass bestimmte IL23R- Genvarianten die Suszeptibilität für chronisch entzündliche Darmerkrankungen modulieren, wobei Gen-Gen-Interaktionen zu anderen Genen (u.a. IL2/IL21 und TLR9) bestehen. In Genotyp-Phänotyp-Analysen wiesen wir nach, dass CED-Risiko-erhöhende IL23R-Genvarianten zu höherer IL-22-Expression führen, aber auch mit einem besseren Ansprechen auf eine anti-TNF-Therapie verbunden sind. Erstmals konnten wir auch zeigen, dass der IL2/IL21-Genlocus, der ebenfalls für die Differenzierung von Th17-Zellen wichtig ist, ein Suszeptibilitätsgen für chronisch entzündliche Darmerkrankungen ist. Ähnlich wie in intestinalen Epithelzellen hat IL-22 auch protektive Effekte in Hepatozyten und trägt so zur Leberzellregeneration bei, wobei diese Effekte insbesondere über eine Aktivierung von STAT3 vermittelt werden. Im Gegensatz zu anderen IL-10-ähnlichen Zytokinen wie IL-28A und IL-29 hat IL-22 aber keine antivirale Wirkung, die vor allem über STAT1 vermittelt wird. IL-26, IL-28A und IL-29, die stärker STAT1 als STAT3 aktivieren, sind im Gegensatz zu IL-22 auch antiproliferativ wirksam, wodurch sich potentiell therapeutische Anwendungsmöglichkeiten in der Tumortherapie ergeben. Ähnlich wie IL-22 wird IL-26 vor allem in Th17-Zellen exprimiert. Erstmals konnten wir in vivo eine verstärkte Infiltration von RORγt- und IL-26-exprimierenden Th17-Zellen bei Patienten mit einem aktiven Morbus Crohn nachweisen. Im Gegensatz zu IL-22 besitzen die IL-22-verwandten Zytokine IL-28 und IL-29 eine hohe antivirale Effektivität, was wir in einem in vitro-Modell der HCV-Infektion zeigen konnten. Zusammenfassend zeigten die durchgeführten Untersuchungen eine bidirektionale Rolle von IL-22 bei intestinaler Entzündung. Während einerseits die Entzündung durch die Bildung von Entzündungsmediatoren wie IL-8 verstärkt wird, trägt IL-22 über STAT3-Aktivierung durch Epithelzellmigration und Bildung von Defensinen maßgeblich zur Regeneration und Protektion der intestinalen Epithelzellbarriere bei. Im Gegensatz dazu haben andere IL-10- ähnliche Zytokine aufgrund stärkerer STAT1-Aktivierung antiproliferative (IL-26, IL-28, IL-29) und antivirale (IL-28 und IL-29) Eigenschaften. Die Expression von IL-22 und IL-26 erfolgt hauptsächlich in Th17-Zellen, wobei die IL-22-Expression durch IL23R-Genvarianten moduliert wird. Die gefundenen Erkenntnisse haben direkte therapeutische Implikationen, wobei IL-22 zur Regeneration der Epithelzellbarriere und der Leberregeneration genutzt werden könnte, während Lambda-Interferone (IL-28 und IL-29) antivirale und antiproliferative Eigenschaften haben. Wesentliche Erkenntnisse aus unseren Studien wurden in den Jahresbericht der LMU München 2007 aufgenommen (siehe Anlage). Darüber hinaus wurde eine Reihe von Arbeiten, die mit diesem DFG-Sachmittelantrag gefördert wurden, mit Preisen ausgezeichnet, was ebenfalls in verschiedenen Publikationsmedien (u.a. auch im Deutschen Ärzteblatt) veröffentlicht wurde. Besonders hervorzuheben sind dabei das Else-Kröner-Fresenius-Memorial-Stipendium (Auswahl von 3 Preisträgern unter 74 Bewerbern), die Ludwig-Heilmeyer-Medaille, der Ludwig-Demling-Preis.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Eight novel CARD15 variants detected by DNA sequence analysis of the CARD15 gene in 111 patients with inflammatory bowel disease. Immunogenetics 2006; 58:99-106
  Schnitzler F, Brand S, Staudinger T, Pfennig S, Hofbauer K, Seiderer J, Tillack C, Göke B, Ochsenkühn T, Lohse P
  
• Homozygosity for the CARD15 frameshift mutation 1007fs predicts early onset of Crohn's disease with ileal stenosis, entero-enteral fistulas, and frequent need for surgical intervention with high risk of re-stenosis. Scand J Gastroenterol 2006; 41:1421-32
  Seiderer J, Schnitzler F, Brand S, Staudinger T, Pfennig S, Herrmann K, Hofbauer K, Dambacher J, Tillack C, Sackmann M, Göke B, Lohse P, Ochsenkühn T
  
• IL-22 is increased in Crohn’s disease and promotes proinflammatory gene expression and intestinal epithelial cell migration. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2006; 290:G827-38.
  Brand S, Beigel F, Olszak T, Zitzmann K, Eichhorst ST, Otte JM, Diepolder H, Marquardt A, Jagla W, Popp A, Leclair S, Herrmann K, Ochsenkühn T, Göke B, Auernhammer CJ, Dambacher J
  
• Low frequency of colorectal dysplasia in patients with long-standing inflammatory bowel disease colitis: detection by fluorescence endoscopy. Endoscopy 2006; 38:477-82.
  Ochsenkühn T, Tillack C, Stepp H, Diebold J, Ott SJ, Baumgartner R, Brand S, Göke B, Sackmann M
  
• Nodular regenerative hyperplasia -a reversible entity associated with azathioprine therapy. Eur J Gastroenterol Hepatol 2006; 18:553-5.
  Seiderer J, Zech CJ, Diebold J, Brand S, Schoenberg SO, Göke B, Ochsenkühn T
  
• Novel interferon-lambdas induce antiproliferative effects in neuroendocrine tumor cells. Biochem Biophys Res Commun 2006; 344:1334-41.
  Zitzmann K, Brand S, Baehs S, Göke B, Meinecke J, Spöttl G, Meyer H, Auernhammer CJ
  
• Predictive value of the CARD15 variant 1007fs for the diagnosis of intestinal stenoses and the need for surgery in Crohn’s disease – results of a prospective study. Inflamm Bowel Dis 2006; 12:1114-21
  Seiderer J, Brand S, Herrmann KA, Schnitzler F, Hatz R, Crispin A, Pfennig S, Schoenberg SO, Göke B, Lohse P, Ochsenkühn T
  
• Role of the NFKB1 -94ins/delATTG promoter polymorphism in IBD and potential interactions with polymorphisms in the CARD15/NOD2, IKBL, and IL-1RN genes. Inflamm Bowel Dis 2006; 12:606-11.
  Glas J, Torok HP, Tonenchi L, Muller-Myhsok B, Mussack T, Wetzke M, Klein W, Epplen JT, Griga T, Schiemann U, Lohse P, Seiderer J, Schnitzler F, Brand S, Ochsenkühn T, Folwaczny M, Folwaczny C
  
• The +1059G/C polymorphism in the C-reactive protein (CRP) gene is associated with involvement of the terminal ileum and decreased serum CRP levels in patients with Crohn's disease. Aliment Pharmacol Ther 2006; 24:1105-15
  Thalmaier D, Dambacher J, Seiderer J, Konrad A, Schachinger V, Pfennig S, Otte JM, Crispin A, Göke B, Ochsenkühn T, Lohse P, Brand S
  
• Adalimumab in patients with Crohn's disease - safety and efficacy in an open-label single centre study. Aliment Pharmacol Ther 2007; 25:787-96
  Seiderer J, Brand S, Dambacher J, Pfennig S, Jürgens M, Göke B, Ochsenkühn T
  
• C-reactive protein polymorphism and Crohn's disease (Letter to the Editors). Aliment Pharmacol Ther 2007; 25:520-21
  Brand S, Crispin A
  
• IL-22 mediated liver cell regeneration is abrogated by SOCS-1/3 overexpression in vitro. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2007; 292:G1019-28
  Brand S, Dambacher J, Beigel F, Zitzmann K, Heeg MH, Weiss TS, Prüfer T, Olszak T, Steib CJ, Storr M, Göke B, Diepolder H, Bilzer M, Thasler WE, Auernhammer CJ
  
• Interleukin 31 mediates MAP kinase and STAT1/3 activation in intestinal epithelial cells and its expression is upregulated in inflammatory bowel disease. Gut 2007; 56:1257-65.
  Dambacher J, Beigel F, Seiderer J, Haller D, Göke B, Auernhammer CJ, Brand S
  
• SOCS1 silencing enhances antiproliferative and apoptotic effects of type I interferons in neuroendocrine BON1 tumor cells. Cancer Res 2007; 67:5025-32.
  Zitzmann K, Brand S, de Toni E, Baehs S, Göke B, Meinecke J, Spöttl G, Meyer HH, Auernhammer CJ
  
• The macrophage migration inhibitory factor (MIF) –173G/C promoter polymorphism influences upper gastrointestinal tract involvement in Crohn’s disease. Inflamm Bowel Dis 2007;13:71-82.
  Dambacher J, Staudinger T, Seiderer J, Sisic Z, Schnitzler F, Pfennig S, Hofbauer K, Konrad A, Tillack C, Diebold J, Göke B, Ochsenkühn T, Lohse P, Brand S
  
• The novel mTOR inhibitor RAD001 (everolimus) induces antiproliferative effects in human pancreatic neuroendocrine tumor cells. Neuroendocrinology 2007; 85:54- 60.
  Zitzmann K, de Toni E, Brand S, Göke B, Meinecke J, Spöttl G, Meyer HH, Auernhammer CJ
  
• The role of the selenoprotein S (SELS) gene -105G>A promoter polymorphism in inflammatory bowel disease and regulation of SELS gene expression in intestinal inflammation. Tissue Antigens 2007; 70:238-46.
  Seiderer J, Dambacher J, Kühnlein B, Pfennig S, Konrad A, Török HP, Haller D, Göke B, Ochsenkühn T, Lohse P, Brand S
  
• Bauchschmerzen nach dem Oktoberfest (Fallbericht zur Peritonealtuberkulose). Gastroenterologe 2008; 144-6
  Beigel F, Nicolaus M, Denk GU, Wagner A, Brand S
  
• Correlation of magnetic resonance enteroclysis (MRE) and wireless capsule endoscopy (CE) in the diagnosis of small bowel lesions in Crohn’s disease. Inflamm Bowel Dis 2008;14:1219-28.
  Tillack C, Seiderer J, Brand S, Göke B, Reiser MF, Schaefer C, Diepolder H, Ochsenkühn T, Herrmann KA
  
• Free fatty acids sensitize hepatocytes to bile acid-induced poptosis in an in vitro model of hepatocellular steatosis. Biochem Biophys Res Commun 2008; 371:441-5.
  Pusl T, Wild N, Vennegeerts T, Wimmer R, Göke B, Brand S, Rust C
  
• Gender-stratified analysis of DLG5 R30Q in 4707 patients with Crohn disease and 4973 controls from 12 Caucasian cohorts. J Med Genet 2008; 45:36- 42.
  Browning BL, Annese V, Barclay ML, Bingham SA, Brand S, Büning C, Castro M, Cucchiara S, Dallapiccola B, Drummond H, Ferguson LR, Ferraris A, Fisher SA, Gearry RB, Glas J, Henckaerts L, Huebner C, Knafelz D, Lakatos L, Lakatos PL, Latiano A, Liu X, Mathew C, Müller-Myhsok B, Newman WG, Nimmo ER, Noble CL, Palmieri O, Parkes M, Petermann I, Rutgeerts P, Satsangi J, Shelling AN, Siminovitch KA, Török HP, Tremelling M, Vermeire S, Valvano MR, Witt H
  
• Genotypephenotype analysis of the CXCL16 p.Ala181Val polymorphism in inflammatory bowel disease. Clin Immunol 2008; 127:49-55.
  Seiderer J, Dambacher J, Leistner D, Tillack C, Glas J, Niess JH, Pfennig S, Jürgens M, Müller-Myhsok B, Göke B, Ochsenkühn T, Lohse P, Reinecker HC, Brand S
  
• Human beta defensin 2 promotes intestinal wound healing. J Cell Biochem 2008; 104:2286-97.
  Otte JM, Werner I, Brand S, Chromik A, Schmitz F, Kleine M, Schmidt WE
  
• Linking genetic susceptibility to Crohn's disease with Th17 cell function: IL-22 serum levels are increased in Crohn's disease and correlate with disease activity and IL23R genotype status. Inflamm Bowel Dis 2008; 14:204-12.
  Schmechel S, Konrad A, Diegelmann J, Glas J, Wetzke M, Paschos E, Lohse P, Göke B, Brand S
  
• NOD2/CARD15 genotype influences MDP- induced cytokine release and basal IL-12p40 levels in primary isolated peripheral blood monocytes. Inflamm Bowel Dis 2008; 14:1033-40.
  Beynon V, Cotofana S, Brand S, Lohse P, Mair A, Wagner S, Mussack T, Ochsenkühn T, Folwaczny M, Folwaczny C, Glas J, Török HP
  
• Role of the novel Th17 cytokine IL-17F in inflammatory bowel disease (IBD): Upregulated colonic IL-17F expression in active Crohn's disease and analysis of the IL17F p.His161Arg polymorphism in IBD. Inflamm Bowel Dis 2008; 14:437-45.
  Seiderer J, Elben I, Diegelmann J, Glas J, Stallhofer J, Tillack C, Pfennig S, Jürgens M, Schmechel S, Konrad A, Göke B, Ochsenkühn T, Müller-Myhsok B, Lohse P, Brand S
  
• Targeting endocannabinoid degradation protects against experimental colitis in mice. J Mol Med 2008; 86:925-36.
  Storr MA, Keenan CM, Emmerdinger D, Zhang H, Yüce B, Sibaev A, Massa F, Lutz B, Göke B, Brand S, Patel KD, Sharkey KA
  
• The ATG16L1 gene variants rs2241879 and rs2241880 (T300A) are strongly associated with susceptibility to Crohn's disease in the German population. Am J Gastroenterol 2008; 103:682-91
  Glas J, Konrad A, Schmechel S, Dambacher J, Seiderer J, Schroff F, Wetzke M, Roeske D, Török HP, Tonenchi L, Pfennig S, Haller D, Griga T, Klein W, Epplen JT, Folwaczny C, Lohse P, Göke B, Ochsenkühn T, Mussack T, Folwaczny M, Müller-Myhsok B, Brand S
  
• The role of interleukin-22 in hepatitis C virus infection. Cytokine 2008; 41:209-16.
  Dambacher J, Beigel F, Zitzmann K, Heeg MH, Göke B, Diepolder HM, Auernhammer CJ, Brand S
  
• Crohn’s disease: Th1, Th17 or both? The change of a paradigm: New immunological and genetic insights implicate Th17 cells in the pathogenesis of Crohn’s disease. Gut 2009; 58: 1152-1167.
  Brand S
  
• Effects of the cathelicidin LL-37 on intestinal epithelial barrier integrity. Regul Pept 2009;156:104-17
  Otte JM, Zdebik AE, Brand S, Chromik AM, Strauss S, Schmitz F, Steinstraesser L, Schmidt WE
  
• Epistasis between Toll-like receptor (TLR)-9 polymorphisms and variants in IL23R and DLG5 modulates susceptibility to Crohn's disease. Am J Gastroenterol 2009;104:1723-33.
  Török HP, Glas J, Konnerth J, Tonenchi L, Wetzke M, Lohse P, Ochsenkühn T, Folwaczny C, Göke B, Folwaczny C, Müller-Myhsok B, Brand S
  
• Expression of beta-defensin 4 is increased in human gastritis. Eur J Clin Invest 2009;39:126-38
  Otte JM, Neumann HM, Brand S, Schrader H, Schmidt WE, Schmitz F
  
• Hepatosplenic T-cell lymphoma in a 58-year old Crohn's patient after exposure to azathioprine, infliximab and adalimumab. Nat Clin Pract Gastr 2009;6:433-6.
  Beigel F, Jürgens M, Subklewe M, Mayr D, Göke B, Brand S, Ochsenkühn T
  
• IL-22: A two-headed cytokine in IBD? Inflamm Bowel Dis 2009;15:473-4.
  Seiderer J, Brand S
  
• Novel genetic risk markers for ulcerative colitis in the chromosome 4q27 region harboring IL2 and IL21 suggest a common genetic background for ulcerative colitis and celiac disease. Am J Gastroenterol 2009;104:1737-44.
  Glas J, Stallhofer J, Ripke S, Wetzke M, Pfennig S, Klein W, Epplen JT, Griga T, Schiemann U, Lacher M, Koletzko S, Folwaczny M, Lohse P, Göke B, Ochsenkühn T, Müller-Myhsok B, Brand S
  
• Probiotics regulate the expression of COX-2 in intestinal epithelial cells. Nutr Cancer 2009; 61:103-13
  Otte JM, Mahjurian-Namari R, Brand S, Werner I, Schmidt WE, Schmitz E
  
• Safety of adalimumab in Crohn's disease during pregnancy: Case report and review of the literature. Inflamm Bowel Dis 2009 Dec 21. [Epub ahead of print]
  Jürgens M, Brand S, Filik L, Hübener C, Hasbargen U, Beigel F, Tillack C, Göke B, Ochsenkühn T, Seiderer J
  
• Severe Legionella pneumophila pneumonia following infliximab therapy in a patient with Crohn's disease. Inflamm Bowel Dis 2009 Feb 13. [Epub ahead of print]
  Beigel F, Jürgens M, Filik L, Bader L, Lück C, Göke B, Ochsenkühn T, Brand S, Seiderer J
  
• Significant differences in the genetic susceptibility to Crohn's disease between North American and European populations regarding rs224136 on chromosome 10q21.1 and gene variants in PHOX2B, NCF4, and FAM92B. Am J Gastroenterol 2009;104:665-72
  Glas J, Seiderer J, Pasciuto G, Tillack C, Diegelmann J, Pfennig S, Konrad A, Schmechel S, Wetzke M, Török HP, Stallhofer J, Jürgens M, Griga T, Klein W, Epplen JT, Schiemann U, Mussack T, Lohse P, Göke B, Ochsenkühn T, Folwaczny M, Müller-Myhsok B, Brand S
  
• The role of fatty acid hydrolase (FAAH) and FAAH gene variants in inflammatory bowel disease. Aliment Pharmacol Ther 2009;29:542-51.
  Storr M, Emmerdinger D, Diegelmann J, Yüce B, Pfennig S, Ochsenkühn T, Göke B, Lohse P, Brand S
  
• The role of the novel Th17 cytokine IL-26 in intestinal inflammation. Gut 2009;58:1207-17.
  Dambacher J, Beigel F, Zitzmann K, de Toni E, Göke B, Diepolder HM, Auernhammer CJ, Brand S