Zelluläre Pathomechanismen der akuten Pankreatitis

Das exokrine Pankreas sekretiert eine Vielzahl verschiedener Verdauungsenzyme, wie z. B. Lipasen, Glykosidasen oder Proteasen, die für den Nahrungsaufschluss im Darm verantwortlich sind. Diese enorme Menge an Enzymen stellen jedoch, wenn sie vorzeitig aktiv werden, auch eine große Gefahr für das Pankreas dar. Dies erkannte auch der österreichische Pathologe Hans Chiari und definierte bereits 1896 die Pankreatitis als den Verdau des Pankreas durch seine eigenen Enzyme [11]. Um einem Selbstverdau vorzubeugen, werden die meisten Enzyme, vor allem Proteasen, als inaktive Vorstufen sekretiert, die erst im Duodenum aktiviert werden. Zu Beginn der Pankreatitis werden diese Proteasen jedoch verfrüht noch im Pankreas bzw. noch in der Azinuszelle selbst aktiviert. Dies resultiert letztendlich im Selbstverdau der Azinuszellen und deren Zelltod. Eine Schlüsselrolle in diesem Prozess wird der pankreatischen Protease Trypsin zugeschrieben. Trypsin gehört zur Klasse der Serinproteasen und wird in Form des inaktiven Trypsinogens sekretiert. Erst im Duodenum wird Trypsinogen durch das Bürstensaumenzym Enterokinase zu aktivem Trypsin prozessiert. Azinuszellen exprimieren jedoch keine Enterokinase, um sich so vor einer verfrühten Aktivierung der Verdauungsenzyme zu schützen. Dieser Schutzmechanismus wird im Fall der akuten Pankreatitis jedoch umgangen. Die lysosomale Protease Cathepsin B ist ebenfalls in der Lage, Trypsinogen zu aktiven, Trypsin zu prozessieren und fungiert in den pankreatischen Azinuszellen als aktivierendes Enzym [12]. Die Cathepsin-B-vermittelte Aktivierung von Trypsinogen zu Trypsin wird als das initiales Ereignis der Pankreatitis angesehen [12‐15]. Aktives Trypsin ist wiederum in der Lage, weitere Vorstufen pankreatischer Proteasen, wie z. B. die Proelastase oder auch Chymotrypsinogen, zu aktivieren, und induziert somit in der Azinuszelle die gesamte restliche Kaskade an Verdauungsenzymen [13], was letztendlich in dem von Hans Chiari beschriebenen Selbstverdau des Pankreas resultiert (Abb. 1).

Es existieren jedoch verschiedene Schutzmechanismen in den Azinuszellen, die überwunden werden müssen, damit es zu einer verfrühten Aktivierung von Trypsinogen kommt. Damit es nicht zu einer unkontrollierten Cathepsin-B-vermittelten Aktivierung von Trypsinogen kommt, werden die beiden Proteasen in unterschiedliche subzelluläre Kompartimente sortiert [16], zusätzlich werden auch Proteaseinhibitoren, wie z. B. der Trypsininhibitor Spink1 [17], exprimiert, die aktivierte Proteasen inhibieren, um so eine weitere Aktivierung der Proteasekaskade zu unterbinden [14]. Neben der Inhibition von aktivem Trypsin gibt es auch Proteasen, die Trypsin degradieren und dessen Aktivität auf diesem Weg reduzieren. Hierbei spielt die lysosomale Protease Cathepsin L eine wichtige Rolle [18], aber auch das Chymotrypsin C [19], das in der Lage ist, Trypsin zu inaktivieren [20, 21]. Trypsinogen wird in das sekretorische Kompartiment der Azinuszellen sortiert, während Cathepsin B hauptsächlich in Lysosomen lokalisiert ist. Damit beide Enzyme interagieren können, müssen sie im selben subzellulären Kompartiment vorliegen. Es gibt verschiedene Theorien, die erklären, wie es zu dieser Kolokalisation in den Azinuszellen kommt. 1) Man geht von einer Fusion beider Kompartimente aus und es kommt zu einer Fusion von Lysosomen und Zymogengranula [22]. 2) Die zweite Hypothese geht von einer Fehlsortierung der lysosomalen Enzyme in das sekretorische Kompartiment aus [23]. 3) Die dritte Hypothese besagt, dass Cathepsin B bereits im sekretorischen Kompartiment vorhanden ist und dort nur aktiviert bzw. aktiver wird [13]. Für jede dieser Theorien gibt es Argumente, jedoch ist bis heute nicht abschließend geklärt, in welchem subzellulären Kompartiment die Kolokalisation stattfindet und sich die initiale Proteaseaktivierung ereignet [24]. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass ein überschießendes intrazelluläres Ca²⁺-Signal der Kolokalisation vorausgeht und auch notwendig ist, um eine intrazelluläre Proteaseaktivierung zu induzieren [25].

Unter physiologischen Bedingungen wird die Sekretion der Verdauungsenzyme über ein oszillierendes Kalziumsignal gesteuert. Vermittelt durch Cholecystokinin (CCK; [26]) oder Acetylcholin (Ach) kommt es zu einer fluktuierenden Freisetzung von Ca²⁺ aus den intrazellulären Speichern, was letztendlich zur Sekretion der Zymogene am apikalen Pol der Azinuszelle führt [27, 28]. Ist dieses intrazelluläre Kalziumsignal jedoch langanhaltend und überfordert es die intrazellulären Ca²⁺Speicher (das endoplasmatischen Retikulum), sodass als Konsequenz auch die Ca²⁺-Kanäle der Zellmembran geöffnet werden und Ca²⁺ aus dem extrazellulären Raum in die Zelle strömt, kommt es nicht zu einer geregelten Sekretion der Zymogene, sondern zu einer Sekretionsblockade [25, 28]. Im Zuge der Sekretionsblockade kommt es zur Kolokalisation von Trypsinogen und Cathepsin B und der damit verbundenen intrazellulären Aktivierung der Proteasekaskade [25]. Verschiedene Ca²⁺-Kanäle und -Transporter spielen hierbei eine Rolle. Der Ca²⁺-Sensor STIM1 (Stromal interaction molecule 1) erkennt einen Abfall der Ca²⁺-Konzentration im ER und aktiviert daraufhin den Ca²⁺-Kanal ORAI (Calcium release-activated calcium channel protein 1) in der Zellmembran, der große Mengen an Ca²⁺ aus dem Extrazellularraum in das Zytoplasma leitet [29, 30] und so ein langanhaltendes zytosolisches Ca²⁺-Signal induziert. Andere Signalwege können ebenfalls zu einem pathophysiologischen Kalziumsignal führen. So konnte in einer neueren Arbeit gezeigt werden, dass der Druckrezeptor Piezo1 direkt den Ca²⁺-Kanal TRPV4 (Transient receptor potential cation channel subfamily V member 4) öffnen kann [31]. Piezo1 registriert einen erhöhten Druck im Pankreasgang, wie er z. B. bei der gallensteininduzierten Pankreatitis vorherrscht, und induziert daraufhin über TRPV4 ein pathophysiologisches Kalziumsignal [31]. Durch diese Arbeit konnte bewiesen werden, dass mechanischer Stress oder Druckerhöhung direkt intrazelluläre Signalwege beeinflussen und zu einer intrazellulären Proteaseaktivierung führen können.

Neben der Proteaseaktivierung führt eine Überladung der Zellen mit Ca²⁺ auch zu einer Schädigung der Mitochondrien [32], zur Induktion von ER-Stress [33, 34] sowie einer Aktivierung des Transkriptionsfaktors NFκB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) [35, 36], der die Expression verschiedener proinflammatorischer Zytokine, wie IL‑6 oder auch TNF‑α, steuert und damit die Immunantwort induziert. Mitochondrien sind in der Lage, einen Teil des zytosolischen Ca²⁺ aufzunehmen und so das Signal abzupuffern. Kommt es jedoch zu einer Überladung der Mitochondrien mit Ca²⁺, bricht das mitochondriale Membranpotenzial zusammen [32, 37] und in Folge dessen kollabiert die Energieversorgung der Zelle, da kein ATP mehr produziert werden kann [32, 37]. Alle zellulären Prozesse, die ATP als treibende Kraft benötigen, sind jetzt eingeschränkt, dazu zählen auch protektive Mechanismen, wie z. B. die Autophagie, die für eine geregelte Degradation der aktivierten Proteasen sorgt [38], oder auch die Wiederherstellung des normalen zytosolischen Ca²⁺-Spiegels über die Ca²⁺-ATPase. Alle diese pathophysiologisch relevanten Mechanismen (mitochondrialer Schaden, gestörte autophagosomale Degradation und NFκB-Aktivierung) laufen parallel zueinander ab und resultieren in einer weiter gesteigerten intrazellulären Aktivierung von Proteasen sowie einer Energiedepletion, die in Summe zum nekrotischen Zelltod der Azinuszellen führen und zur Aktivierung des Immunsystems.

Die enorme Bedeutung der Proteaseaktivierung als initiales Ereignis für die Entstehung der Pankreatitis wird auch deutlich, wenn man die genetischen Ursachen der hereditären Pankreatitis betrachtet. Die bedeutendsten Mutationen, die mit einem erhöhten Risiko, an einer chronischen Pankreatitis zu erkranken, einhergehen, liegen in Genen, die direkt oder indirekt mit der Proteasekaskade im Zusammenhang stehen. So finden sich vermehrt Mutationen im kationischen Trypsinogen (PRSS1; [39]) sowie in Spink1 („serine peptidase inhibitor, Kazal type 1“; [40]), einem Inhibitor für Trypsin. Weiterhin konnten aber auch Mutationen im Chymotrypsin C [19], der Carboxypeptidase A1 (CPA1; [41]) und der pankreatischen Elastase [42] gefunden werden. Jedoch konnte bis heute nicht der vollständige pathophysiologische Mechanismus hinter den einzelnen Mutationen aufgedeckt werden. Neben einer erhöhten Proteaseaktivität, insbesondere des kationischen Trypsinogens, wird auch vermutet, dass Proteinfehlfaltungen in den stark exprimierten Verdauungsenzymen zu ER-Stress führen und auf diese Weise die Azinuszellen schädigen [33, 43]. Azinuszellen weisen eine der höchsten Proteinsyntheseraten im menschlichen Körper auf. Fast die Hälfte dieser Syntheseleistung entfällt auf nur 20 Proteine, die allesamt in das sekretorische Kompartiment sortiert werden und die zu sekretierenden Verdauungsenzyme umfassen. Aus diesem Grund stellen Fehlfaltungsmutationen in diesen Proteinen einen enormen Stressfaktor im ER dar, weil die Rückfaltungs- bzw. Degradationsmechanismen mit der enormen Menge an fehlgefalteten Proteinen überfordert sind [14, 43]. So sind z. B. Mutationen im Gen der Carboxylesterlipase (CEL) oder auch im Gen CPA1 mit erhöhtem ER-Stress und einem erhöhten Risiko, an chronischer Pankreatitis zu erkranken, assoziiert [44‐46]. Neben der Aktivierung pankreatischer Proteasen stellt ER-Stress wahrscheinlich einen bedeutenden zellulären Pathomechanismus dar, der in einer Azinuszellschädigung resultiert und somit zu einer Pankreatitis führt. Auch epigenetisch wirksame Risikofaktoren, wie z. B. Rauchen oder Alkoholkonsum, führen zu erhöhtem ER-Stress in den Azinuszellen [47‐49] und können somit ursächlich sein für die Pankreatitis. Andererseits verringert eine gesunde und ausgewogene Ernährung das Risiko, an einer Pankreatitis zu erkranken.

Der weitere Verlauf der Pankreatitis bzw. der Schweregrad der Erkrankung wird nicht zwangsläufig durch die initialen Ereignisse in den Azinuszellen bestimmt, sondern ist vielmehr Folge der daraus resultierenden überschießenden systemischen Immunantwort. Diese kann zu schwerwiegenden Komplikationen wie Organversagen oder der Infektion der Pankreasnekrose führen [6, 50]. Wie bereits erwähnt wird durch die pathophysiologische Kalziumüberladung der Azinuszellen auch der Transkriptionsfaktor NFκB aktiviert, der eine entscheidende Rolle für die Regulation der Immunantwort spielt. Die Aktivierung von NFκB ereignet sich dabei sehr schnell und verläuft parallel zur Proteaseaktivierung innerhalb der ersten Minuten [35]. Der Transkriptionsfaktor NFκB reguliert die Expression verschiedener Zytokine und Chemokine [51, 52], die die Immunantwort sowie die Rekrutierung von Leukozyten in das geschädigte Organ steuern. Die infiltrierenden Leukozyten wiederum potenzieren den lokalen Schaden noch einmal, indem sie die Proteaseaktivierung und damit die Azinuszellnekrose verstärken [53]. Eine zentrale Rolle übernimmt hierbei das Zytokin TNF‑α. Es wird von Makrophagen sezerniert und kann direkt über den TNF-α-Rezeptor auf Azinuszellen wirken und dabei sowohl die intrazelluläre Proteaseaktivierung induzieren als auch die Zellnekrose beeinflussen [51, 53, 54]. Vor allem Zellen des angeborenen Immunsystems migrieren in das Pankreas. Entscheidend hierbei sind neutrophile Granulozyten [53, 55] sowie Monozyten/Makrophagen [56‐58]. Beide Zelltypen transmigrieren schon kurze Zeit nach Beginn der Pankreatitis in das Organ und tragen dazu bei, den lokalen Schaden in eine systemische Immunantwort umzuwandeln [59, 60]. Neutrophile sezernieren hierbei verschiedene reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die den lokalen Schaden deutlich steigern und auch die Proteaseaktivierung in den Azinuszellen induzieren können [55]. Makrophagen/Monozyten migrieren ebenfalls sehr früh in das geschädigte Organ und fangen an, die pankreatischen Nekrosen zu phagozytieren [57]. Sie werden dabei aktiviert und setzen eine Vielzahl proinflammatorischer Zytokine frei. Eines der bedeutendsten ist dabei TNF‑α. Über den TNF-α-Signalweg wird auch der nekroptotische Zelltod reguliert. Dieser ist eine rezeptorvermittelte, regulierte Form der Nekrose, die die vorherrschende Form des Zelltods in der akuten Pankreatitis darstellt [61, 62]. Im Verlauf der Nekroptose kommt es zu einer Porenbildung in der Zellmembran und damit zum Einstrom extrazellulären Ca²⁺ in die Azinuszelle [63]. Ein zytosolischer Anstieg des Ca²⁺-Spiegels kann wiederum zur Trypsinogenaktivierung führen. Dieser Mechanismus zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen der lokalen Immunantwort und den grundlegenden pathophysiologischen Mechanismen der akuten Pankreatitis auf.

Dies lässt vermuten, dass eine Deletion von NFκB den Verlauf der Pankreatitis positiv beeinflussen sollte. Jedoch zeigen pankreasspezifische RelA-defiziente Mäuse (RelA ist die p65-Untereinheit von NFκB) einen deutlich schwereren Verlauf der Erkrankung [64], während andererseits die Deletion des Inhibitors von NFκB IκBα den Verlauf der Erkrankung positiv beeinflusst [65]. Neben der Expression von Zytokinen und Chemokinen reguliert NFκB auch die Expression verschiedener Proteine, die eine entscheidende Rolle für die Zellstressantworten spielen. Aus diesem Grund nimmt NFκB eine 2‑fache Rolle in der Pankreatitis ein. Auf der einen Seite induziert es eine Immunantwort, die den lokalen Schaden zu steigern vermag, andererseits wird eine Stressantwort in Azinuszellen aktiviert, die dem Zellschaden entgegen wirkt, z. B. über die Expression des Proteaseinhibitors Spi2A, der in der Lage ist, die Trypsinaktivität zu inhibieren [65]. Die Infiltration von Leukozyten in das Pankreas und deren Aktivierung ist jedoch nicht nur von der NFκB-Aktivierung in Azinuszellen abhängig. Auch NFκB-defiziente Tiere (pankreasspezifische RelA−/−) zeigen ein deutliches immunologisches Infiltrat im Organ [64] sowie eine Freisetzung von proinflammatorischen Zytokinen. Dies zeigt auf, dass nicht nur die NFκB-Aktivierung in Azinuszellen von Bedeutung ist, sondern auch die Aktivierung in Leukozyten, die ebenfalls Zytokine freisetzen. Neben Zytokinen und Chemokinen werden auch „damage associated molecular patterns“ (DAMP) durch die Azinuszellnekrosen freigesetzt. Hierbei handelt es sich um freie DNA, freie Histone oder auch freies ATP, das aus dem Zytosol durch den nekrotischen Zelltod unkontrolliert in den extrazellulären Raum gelangt. Diese DAMP sind in der Lage, über Toll-like-Rezeptoren oder auch den P2X7-Rezeptor Immunzellen zu aktivieren [56, 57, 66] und über diesen Weg den NFκB-Signalweg zu induzieren [14]. Ebenso wie in den Azinuszellen wird jetzt auch die Zytokinantwort der infiltrierenden Leukozyten eingeleitet. Diese verstärkt die Proinflammation deutlich und führt letztendlich dazu, dass weitere Immunzellen zum Entzündungsherd gelotst werden.

Diese überschießende systemische Immunantwort kann lebensbedrohlich werden und ist mit schweren Komplikationen assoziiert. Man unterteilt die Immunantwort dabei in 2 grundsätzliche Phasen: in das „systemic inflammatory response syndrome“ (SIRS) und in die der Proinflammation entgegenwirkenden Phase, das „compansatory anti-inflammatory response syndrome“ (CARS; [67, 68]; Abb. 2). Hier finden sich Analogien zu anderen schweren Entzündungsreaktionen wie der polymikrobiellen Sepsis oder schweren Wundverletzungen wie z. B. Verbrennungen [69]. Im Gegensatz zur Sepsis ist die Pankreatitis eine primär sterile Entzündungsreaktion, die nicht durch Pathogene ausgelöst wird. Jedoch ist der grundlegende immunologische Mechanismus ähnlich. Auch im Verlauf der Sepsis wird eine massive proinflammatorische Reaktion von den Zellen des angeborenen Immunsystems ausgelöst [58, 67, 68]. Das SIRS ist somit geprägt von einer proinflammatorischen Immunantwort und Zytokinsekretion ausgehend von den Zellen des angeborenen Immunsystems, die in das geschädigte Pankreas migrieren [52, 53, 57, 58]. Das adaptive Immunsystem reagiert darauf jedoch nicht zwangsläufig mit einer ebenso starken proinflammatorischen Antwort, sondern versucht, dieser massiven Hyperinflammation entgegen zu wirken. Es kommt zu einer suppressiven Immunantwort, die durch die Induktion von regulatorischen T‑Zellen gekennzeichnet ist [58, 70]. Neben den regulatorischen T‑Zellen ist auch eine Induktion der Typ-2-Immunantwort zu beobachten. Diese ist gekennzeichnet durch eine TH2-T-Zell-Differenzierung als auch eine vermehrte M2-Makrophagen-Polarisierung [58]. Die Immunsuppression und auch die Typ-2-Immunantwort verlaufen parallel zum SIRS ausgehend von den in das Pankreas migrierenden Immunzellen. Das bedeutet: Proinflammation als auch Antiinflammation verlaufen nicht nacheinander, sondern nebeneinander. Dies lässt sich auch deutlich anhand der Zytokine im Serum von Patienten beobachten. Neben proinflammatorischen Zytokinen wie IL‑6, TNF‑α oder IL-1β lassen sich auch verstärkt Zytokine wie IL-10 oder IL‑4 erhöht messen [58, 70]. Diese systemische Antiinflammation verkompliziert die klinische Behandlung. Denn ähnlich wie bei der Sepsis ist es nicht erfolgsversprechend, nur einen Arm des Immunsystems zu behandeln. Dies zeigt sich deutlich bei der Hemmung des SIRS durch die Blockade proinflammatorischer Zytokine wie TNF‑α [71, 72] oder IL-1β [73, 74] in klinischen Studien an Sepsispatienten. Der Antiinflammatorische bzw. suppressive Arm des Immunsystems ist ebenfalls gefährlich und kann letztendlich, wenn er durch die Inhibition der Proinflammation verstärkt wird, bis hin zu einer Immunparalyse führen. Eine derart starke Immunsuppression kann zur Translokation kommensaler Bakterien aus dem Darm in die Pankreasnekrose führen und damit die Mortalität der schweren akuten Pankreatitis deutlich erhöhen. Bis heute gibt es noch keinen prädiktiven Biomarker, der den Verlauf der Erkrankung vorhersagt. Ebenso gibt es keine wirkungsvolle Therapie der schweren akuten Pankreatitis, um den schweren Komplikationen im Krankheitsverlauf entgegenzuwirken. Ein Grund dafür könnte sein, dass eben alle jene Prozesse nicht aufeinander folgen, sondern parallel zueinander ablaufen und damit auch parallel zum lokalen pankreatischen Schaden.