Inflammasome

Das Prinzip des Inflammasoms wurde 2002 von Jürg Tschopp an der Universität Lausanne definiert (Martinon F et al. 2002). 2002 entdeckte sein Team, dass eine Untergruppe von NLRs (NLRP1) in der Lage ist, sich in vitro zu einer gemeinsamen Struktur zusammenzuschließen und zu oligomerisieren. Diese Oligomerisierung führt zur Aktivierung der Caspase-1-Kaskade und so zur Produktion von proinflammatorischen Zytokinen, insbesondere IL-1β und IL-18.  Dieser multimolekulare NLRP1-Komplex wurde als "Inflammasom" (NLRTP-Inflammasom) bezeichnet. Später wurden weitere Inflammasom-Typen entdeckt die andere Zusammensetzungen und andere Aktivierungsmechanismen aufwiesen.

Die biologische Relevanz der Inflammasome wurde 2006 erkannt, als die Rolle des INLRP1-Inflammasoms bei versch. Infektionen, bei Toxinexpositionen, bei Gicht und Typ-2-Diabetes bekannt wurden (Martinon F et al. 2006; Kanneganti TD et al. 2006). Auch virale DNA, Muramyl-Dipeptid (MDP), Asbest und Siliziumdioxid können Aktivierungen von Inflammasomen auslösen.

Neben den NLR-Proteinen können auch andere PRRs Inflammasome bilden. Im Jahr 2009 wurde ein Inflammasom der PYHIN-Familie (pyrin and HIN domain-containing protein) mit der Bezeichnung "absent in melanoma 2 (AIM2)" beschrieben (Hornung V et al. 2009), das sich bei Erkennung fremder zytoplasmatischer doppelsträngiger DNA (dsDNA) bildet.

Inflammasome sind Instrumente des angeborenen Immunsystems, die für die Aktivierung von Entzündungsreaktionen verantwortlich sind. Inflammasome sind zytosolische (intrazelluläre) Multi-Proteinkomplexe (Martinon F et al. 2002), die vorwiegend in Immunzellen, so in dendritischen Zellen und Makrophagen, aber auch in Epithelien der Haut und der Schleimhäute (Darm- Harnblasenepithelien) vorkommen.

Die Aktivierung des Inflammasoms fördert die proteolytische Spaltung, Reifung und Sekretion der proinflammatorischen Zytokine Interleukin 1β (IL-1β) und Interleukin 18 (IL-18) sowie die Spaltung von Gasdermin D. Das aus der Gasdermin-D-Spaltung resultierende N-terminale Fragment, löst eine entzündungsfördernde Form des programmierten Zelltods der Pyroptose aus und ist für die Sekretion der reifen Zytokine verantwortlich, vermutlich durch die Bildung von Poren in der Plasmamembran (Broz P et al. 2016). Darüber hinaus können Inflammasome auch eine besondere Form des programmierten Zelltods, die PANOptose auslösen, die wesentliche Merkmale von Apoptose, Pyroptose/Nekroptose aufweist (Zhuang L et al.2023).

Die Aktivierung von Inflammasomen wird durch verschiedene Arten von zytosolischen Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) ausgelöst, die entweder von Mikroben stammen (pathogen-assoziierte molekulare Muster/PAMPs) oder von der Wirtszelle selbst erzeugt wurden (schädigungsassoziierte molekulare Muster/DAMPs). Zu den an Inflammasomen beteiligten Mustererkennungsrezeptoren gehören die sog. NLRs (nucleotide-binding oligomerization domain and leucine-rich repeat-containing receptors) sowie AIM2 (absent in melanoma 2), IFI16 (IFN-inducible protein 16) und Pyrin (Broz P et al. 2016).

Über ihre Caspase-Aktivierungs- und Rekrutierungsdomäne (CARD) oder über die Pyrin-Domäne (PYD) interagieren die Inflammasom-Rezeptoren mit dem Adaptorprotein ASC, das dann über seine CARD-Domäne Caspase-1 durch proteolytische Spaltung aktiviert (Broz P et al. 2016). Die aktivierte Caspase-1 spaltet schließlich die unreifen pro-inflammatorischen Zytokine Pro-IL-1beta und Pro-IL-18 sowie Gasdermin D in ihre reifen und wirksamen Endstufen (Interleukin-1alpha/Interleukin-18). V.a. die Interleukine IL 1beta und IL 18 sind für die Inflammations-induzierte Entzündungssignalisierung bzw. den pyroptotischen Zelltod verantwortlich.

Neben diesen s.g. kanonischen Inflammasomen wurden auch nicht-kanonische Inflammasom-Komplexe beschrieben, die unabhängig von Caspase-1 wirken. Tierexperimentell können nicht-kanonische Inflammasome durch direkte Erkennung von zytosolischem bakteriellem Lipopolysaccharid (LPS) aktiviert werden. In menschlichen Zellen sind die entsprechenden Caspasen der nicht-kanonischen Inflammasome die Caspase-4 und die Caspase-5 (Broz P et al. 2016).

Bisher wurden Inflammasome v.a. in professionellen Immunzellen des angeborenen Immunsystems, wie Makrophagen und Neutrophilen nachgewiesen. Inzwischen weisss man jedoch, dass Inflammasom-Komponenten in relevantem Umfang in epithelialen Barrieregeweben exprimiert werden (Winsor N et al. 2019).

Inflammasom-Familie: NLRP1, NLRP3, NLRP6 und NLRC4 sind Untergruppen der NLR-Familie . Sie weisen zwei gemeinsame Merkmale auf: Zum einen die Nukleotid-bindende Oligomerisierungsdomäne (NOD), die durch Ribonukleotidphosphate (rNTP) gebunden wird. Sie ist für die Selbstoligomerisierung essenziell (Ye Z et al. 2008). Zum anderen ein C-terminaler Leucin-reicher Repeat (LRR), der als Ligandenerkennungsdomäne für andere Rezeptoren  oder für mikrobielle Liganden dient. NLRP1 wurde in Neuronen gefunden, während sowohl NLRP3 als auch NLRC4 (IPAF) in Mikrogliazellen identifiziert wurden.

Inflammasome können, je nach Interaktionspartner unterteilt werden:

• NLRP1-Inflammasom (NLRP steht als Akronym für:  "NACHT domain, leucine-rich repeat, pyrin domains" einem Schlüsselprotein des Inflammasoms. Zusätzlich zu NOD und LRR enthält NLRP1 an seinem N-Terminus eine Pyrindomäne (PYD) und an seinem C-Terminus ein FIIND-Motiv und eine CARD, was es von den anderen Inflammasomen unterscheidet. Bei der Aktivierung interagiert die C-terminale CARD mit der CARD von Procaspase-1 oder Procaspase-5, während ihr N-terminales PYD homotypisch mit der PYD des Adapterproteins ASC interagiert, dessen CARD dann eine andere Pro-Caspase-1 rekrutieren kann. Die allgemeine Rekrutierung und Spaltung von Procaspase-1 kann dann alle nachgeschalteten Caspase-1-Signalwege aktivieren. 
• NLRP3- Inflammasom: s.a. NLRP.  Zusätzlich zu den NOD- und LRR-Domänen enthält NLRP3 eine PYD-Domäne wie NLRP1 und aktiviert daher Caspase-1 auf die gleiche Weise, indem es seine PYD zur Rekrutierung von ASC verwendet. Es bildet nur ein Oligomer pro Zelle und sein Oligomer besteht aus sieben NLRP3-Molekülen. Das NLRP3- Inflammasom ist mit einem Durchmesser von etwa 2 µm das größte Inflammasom ünerhaupt (Stutz A et al. 2009). Die Oligomerisierung von NLRP3 wird durch eine große Anzahl von Reizen aktiviert, darunter sowohl PAMPs als auch DAMPs. Beispiele für solche Reize aus der DAMP-Gruppe sind kristalline Substanhen wie Uratkristalle, Alaun oder Asbest. Das NLRP3-Inflammasom reagiert auch auf PAMPs verschiedener Krankheitserreger, wie z. B. Viren. Influenza A, Bakterien, z.B. Neisseria gonorrhoeae sowie versch. bakterielle Toxine sind nachgwiesene Aktivatoren (Duncan JA et al. 2009). Alle NLRP3-Aktivatoren induzieren den Ausfluss von zytosolischem Kalium aus den Zellen. Die Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms durch Cholesterinkristalle und MSU-Kristalle erhöht die NLRP3-induzierte IL-1beta-Produktion (Jamilloux Y et al. 2014). Wahrscheinlich wird dieser Prozess bei Arteriosklerose und Gicht aufgehoben, sodass sich diese Kristalle in der Zelle bilden können. Auch anorganische Partikel wie Titandioxid, Siliziumdioxid und Asbest können die Aktivierung des Inflammasoms auslösen(Yazdi AS et al.2010).
• NAIP/NLRC4-Inflammasom: NLRC4 bildet die Untergruppe der NLRC-Familie. Das vom NLRC4-Protein gebildete Inflammasom enthält neben NOD und LRR nur eine CARD-Domäne, die es zur direkten Rekrutierung des Adapterproteins ASC oder Pro-Caspase-1 verwendet. Das NAIP/NLRC4-Inflammasom ist an der Wirtsabwehr beteiligt (Liu L et al. 2014). Beim Menschen werden NAIPs durch Bindung an die bakteriellen PAMPs im Zytosol aktiviert, die von den Nadelkomponenten (NAIP1) des bakteriellen Typ-3-Sekretionssystems, von Flagellen bereitgestgellt werden. Nach der Ligandenbindung interagieren NAIPs mit NLRC4, um den Zusammenbau des NAIP/NLRC4-Inflammasoms zu initiieren. Das NAIP/NLRC4-Inflammasom ist das am besten beschriebene epitheliale Inflammasom und spielt eine wichtige Rolle bei der Einschränkung intraepithelialer Bakterienpopulationen in frühen Stadien einer enterobakteriellen Infektion (Sellin ME et al. 2015: Sellin ME et al. 2018). Intrazelluläre Bakterien lösen die Aktivierung des Inflammasoms aus, was zu einer gezielten Ausstoßung infizierter Epithelzellen aus dem Epithel führt, um die Bakterienlast zu reduzieren. 
• AIM2-Inflammasom: AIM2 steht für „Absent In Melanoma 2“. AIM2 ist ein Mitglied der IFI20X/IFI16-Familie. Es spielt eine mutmaßliche Rolle bei der Kontrolle der Zellproliferation. Das AIM2-Inflammasom ist ein Detektor für zytosolische doppelsträngige DNA (dsDNA) und spielt eine wichtige Rolle bei der Koordination der Immunabwehr gegen DNA-Virusinfektionen sowie intrazelluläre bakterielle Infektionen (Broz P et al. 2016). AIM2 wird durch virale dsDNA, bakterielle dsDNA aktiviert und wird daher mit verschiedenen Krankheiten in Verbindung gebracht. Beispielsweise wurde postuliert, dass die Autoinflammation bei der Psoriasis mit der Erkennung der eigenen DNA durch AIM2 zusammenhängen könnte (Broz P et al. 2016). Darüber könnte die Aktivierung von AIM2 bei autoimmunologischen Erkrankungen wie dem systemischen Lupus erythematodes eine additive Rolle spielen. Das AIM2-Inflammasom wird auch durch pharmakologische Störung der Integrität der Kernhülle aktiviert (Di Micco A et al. 2016). Die PYD-Domäne von AIM2 interagiert homotypisch durch PYD-PYD-Wechselwirkungen mit ASC. Die ASC-CARD-Domäne rekrutiert Pro-Caspase-1 in den Komplex. Caspase-1 führt schließlich zur Freisetzung der proinflammatorischen Zytokine IL1-beta und IL18.

• IFI16-Inflammasom: Wie AIM2 gehört IFI16 (IFN-induzierbares Protein 16) zur PYHIN-Familie (Pyrin und HIN-Domänen enthaltend). IFI16 spielt beim Menschen (IFI204 ist das Mausortholog) eine wichtige Rolle bei der Regulierung der IFN-Produktion sowohl bei bakteriellen als auch bei viralen Infektionen. Im Gegensatz zu AIM2 ist IFI16 ein nukleärer DNA-Sensor (Winsor N et al. (2019). Nach der Interaktion mit viralen DNAs rekrutierte IFI16 nachweislich Caspase-1 durch Interaktion mit ASC, was zur Apoptose von CD4+-T-Zellen als Reaktion auf eine HIV-Infektion führte.

• Pyrin-Inflammasom: Der Aufbau des Pyrin-Inflammasoms wird durch bakterielle Toxine sowie Effektorproteine durch die Erkennung pathogenbedingter Störungen in der Dynamik des Zytoskeletts ausgelöst. Pyrin erekennt die Inaktivierung der Rho-GTPase RHOA durch bakterielle Toxine (Broz P et al. 2016). Nach dem Nachweis der RHOA-Inaktivierung interagiert Pyrin über seine N-terminale PYD-Domäne mit ASC, um die Aktivierung von Caspase-1 zu induzieren.

• Nichtkanonische Inflammasome: Diese sind unabhängig von Caspase-1. Beim Menschen greifen  nicht-kanonische Inflammasome auf die Caspase 4 und Caspase 5 zurück. Alle diese Caspasen sind in der Lage, intrazelluläres LPS direkt zu binden und anschließend makromolekulare Komplexe zu bilden, die die Spaltung von Gasdermin D und die Auslösung des pyroptotischen Zelltods vermitteln.

Die Aktivierung von Inflammasomen wird durch verschiedene Arten von zytosolischen Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) ausgelöst, die entweder auf von Mikroben stammende pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) oder auf von der Wirtszelle erzeugte schädigungsassoziierte molekulare Muster (DAMPs) reagieren.

Zu den an Inflammasomen beteiligten PRRs gehören NLRs (nucleotide-binding oligomerization domain and leucine-rich repeat-containing receptors) sowie AIM2 (absent in melanoma 2), IFI16 (IFN-inducible protein 16) und Pyrin (Broz P et al. 2016). Über ihre Caspase-Aktivierungs- und Rekrutierungsdomäne (CARD) oder über die Pyrin-Domäne (PYD) interagieren die Inflammasom-Rezeptoren mit dem Adaptorprotein ASC, das dann über seine CARD-Domäne Pro-Caspase-1 rekrutiert und die Effektor-Caspase durch proteolytische Spaltung aktiviert (Broz P et al. 2016). Die aktivierte Caspase-1 spaltet schließlich die unreifen pro-inflammatorischen Zytokine pro-IL-1β und pro-IL-18 sowie Gasdermin D, die für die Entzündungssignalisierung bzw. den pyroptotischen Zelltod verantwortlich sind.

Neben diesen so genannten kanonischen Inflammasomen wurden in verschiedenen Studien auch nicht-kanonische Inflammasom-Komplexe beschrieben, die unabhängig von Caspase-1 wirken. Tierexperimentell kann das nicht-kanonische Inflammasom durch direkte Erkennung von zytosolischem bakteriellem Lipopolysaccharid (LPS) durch die Caspase-11 aktiviert werden, die anschließend den pyroptotischen Zelltod auslöst. In menschlichen Zellen sind die entsprechenden Caspasen des nicht-kanonischen Inflammasoms die Caspase 4 und die Caspase 5 (Broz P et al. 2016).

Nachgewiesen wurden Inflammasome v.a. in professionellen Immunzellen des angeborenen Immunsystems (z.B. in Makrophagen). Neuere Studien weisen jedoch auf eine hohe Expression von Inflammasom-Komponenten in epithelialen Barrieregeweben hin, wo sie nachweislich eine wichtige erste Verteidigungslinie darstellen (Winsor N et al. 2019). 

NLRP3-Inflammasom-assoziierte Erkrankungen:

Das angeborene Immunsystem besitzt mit den Toll-like-Rezeptoren und den zytosolischen NLRs zwei Pathogen-Erkennungssysteme zur schnellen und unspezifischen Abwehr von Pathogenen.

DAMPs (Danger-associated molecular pattern): Auch die Bindung von nichtmikrobiellen Pathogenen -DAMPs- kann zu einer Freisetzung von Entzündungsmediatoren wie IL-1beta und IL-18 führen. Dabei kann es sich um unterschiedliche Pathogene wie extrazelluläres ATP (aus zerstörten  oder aktivierten Zellen), wie kristalline Strukturen (Asbest, Siliziumoxid, Harnsäure-, Kalziumpyrophosphat- oder Cholesterinkristalle) oder um reaktive Sauerstoffspezies (ROS) handeln.

Allen Substanzen ist gemein, dass sie zu einer  NLRP3-Aktivierung führen und somit die Freisetzung von IL-1beta induzieren. Nachdem IL-1beta  in bioaktiver Form freigesetzt wurde, bindet IL-1beta an seinen Rezeptor (IL-1R) und initiiert Entzündungsreaktionen verschiedener Art (Dinarello CA 2009).

NLRP3-Mutationen: Einige genetisch fixierte Erkrankungen stehen im Zusammenhang mit erhöhten Interleukin-1β-Serumspiegeln. Diese Autoimmunkrankheiten werden unter dem Oberbegriff "hereditäre periodische Fiebersyndrome" (Cryopyrin-associated-periodic syndromes - CAPS) zusammengefasst. Dabei handelt es sich um Syndrome mit periodisch auftretenden Fieber- und Entzündungsschüben.

Gicht und Pseudogicht: In den letzten Jahren konnten Gicht bzw. Pseudogicht mit NLRP3 in Verbindung gebracht werden (Martinon F et al. 2006). Für beide Erkrankungen gilt als pathognetisches Prinzip das Ausfallen von Harnsäure- bzw. Kalziumpyrophosphatkristalle in den Gelenken, starke Aktivatoren von NLRP3. Die Folge ist eine markante Freisetzung von IL-1beta.

Silikose/Asbestose: Für andere kristallinen Substanzen, wie Silizium- und Asbeststaub gilt ein analoger Mechanimus. Die Aufnahme dieser Stoffe durch Alveolarmakrophagen führt NLRP3-abhängig zur vermehrten Produktion von IL-1β (Rimal B et al. 2005). Auch Dieselrußpartikel oder Zigarettenrauch vermitteln NLRP3-abhängige chronische pulomnale Entzündungsprozesse.

Morbus Alzheimer: Der Morbus Alzheimer als fortschreitende, neurodegenerative Erkrankung der Gehirnnerven ist durch Ablagerung von fehlerhaft gefalteten beta-Amyloid-Peptidketten (Alzheimer-Plaques) im zentralen Nervensystem gekennzeichnet.  Phagozytierende Zellen der Mikroglia werden durch beta-Amyloid-haltige Plaques zur Phagozytose angeregt und schütten inflammatorische Zytokine aus (Simard AR et al. 2006).

Andere NLRP3-assoziierte Krankheiten/Prozesse:

Kontaktallergie: Diese Typ-IV-Reaktion wird mit einer Aktivierung von IL-1β und IL-18 durch das NLRP3-Inflammasom in Verbindung gebracht worden. Ein Beispiel an dieser Reaktionsmechanismus nachgewiesen worden ist ist die Kontaktsensibilisierung mit  2,4-Dinitrochlorbenzol (Watanabe H et al. 2007).

Psoriasis: Bei der Psoriasis aktiviert körpereigene zytosolische DNA das AIM2-Inflammasom in den Epithelzellen der Haut und initiiert damit die Entzündungskaskade.

Imiquimod aktiviert das NLRP3-Inflammasom:Imiquimod greift in die Atmungskette der Zellen ein wobei massiv Sauerstoffradikale freigesetzt werden. Hierbei wird offenbar eine kritische Schwelle überschritten; es kommt zu einer Aktivierung von NLRP3.   

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