Keratinozyt

Die das verhornende Plattenepithel, schichtweise ( Stratum basale, Stratum spinosum, Stratum granulosum) bildende Zellen. Keratinozyten sind der in der Epidermis (Oberhaut) der vorherrschende (>90 Prozent) Zelltyp. Keratinozyten werden in der Basalzellschicht gebildet, reifen im Lauf von zwei Wochen heran, unterliegen einer schlagartigen Umwandlung von einer lebenden Zelle zu toten Korneozyten, die weitere zwei Wochen in der Hornschicht verbleiben, bevor sie an der Oberfläche abschilfern.

Lange Zeit wurde die Epidermis als simple strukturelle Membran angesehen, deren Hauptaufgabe es ist, die die innere Homöostase zu schützen. Dies gelingt den Keratinozyten, indem sie kontinuierlich in einem hochgradig orchestrierten Prozess Vorgänge der Proliferation, der Differenzierung und Verhornung durchlaufen. Neben der Produktion unterschiedlicher Strukturproteinen exprimieren und sezernieren Keratinozyten eine Vielzahl biologisch bedeutsamer Moleküle, über die sie aktiv an vielen entzündlichen und immunologischen Reaktionen teilnehmen. Es sind dies Zytokine und deren Rezeptoren (z.B. proinflammatorische Zytokine der Interleukin-1-Familie -wie Interleukin-1alpha, Interleukin-1beta, Interleukin-18 sowie die Interleukine -6, -7, -8, -10, -12, -15, und -20 und TNF-alpha/Grone A 2002), Oberflächenmoleküle und Wachstumsfaktoren (z.B. GM-CSF), Hormone, Neuropeptide, Arachidonsäuremoleküle und diverse Enzyme (Kollagenase, Proteasen, Plasminogenaktivator). Diese Mediatoren stehen den Keratinoyzten in einem fein orchestrierten Zusammenspiel sowohl untereinander, als auch mit Zellen der Dermis und des Immunsystems zur Verfügung.

Konzept des aktivierten Keratinozyt

Bei ungestörter homöostatischer Proliferation ist der Keratinozyt zwar in dem Sinne aktiv, als er seinen spezifischen Stoffwechselfunktionen nachkommt, und auch Reserven biologisch relevanter Stoffe (z.B. Interleukin-1) anlegt, sie jedoch nicht freisetzt. Er verhält sich somit in immunologischer Hinsicht neutral. Aus diesem Konzept wird ersichtlich, dass der Keratinozyt über eine duale Funktionalität verfügt– Proliferation und  Immunaktivierung. Diese sind zwar prinzipiell nicht miteinander gekoppelt, können sich jedoch bei inflammatorischen Prozessen (z.B. Akanthose bei lichenoider Reaktion u.a.) gegenseitig beeinflussen.

Ist der Keratinozyt hingegen inneren oder äußeren Noxen ausgesetzt, so ändert er prinzipiell seine Funktionalität. Aus einem physiologisch proliferativen Keratinoyzten, wird nunmehr ein immunologisch aktiver Keratinozyt der initial zu einer antigenunspezifischen Inflammation befähigt ist. Der aktivierte Keratinozyt exprimiert und sezerniert ein reichhaltiges Set von Mediatoren mit denen er Signale an sich selbst und an die zelluläre nicht keratinogene Umgebung sendet.

Als erste Verteidigungslinie können Keratinozyten spezifische kleine molekulare Motive auf Bakterien und anderen Mikroorganismen erkennen, die als pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) bezeichnet werden. PAMPs, wie bakterielle Lipopolysaccharide (LPS), Endotoxine oder von Viren stammende Nukleinsäuren, werden explizit von Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) erkannt. Keratinozyten exprimieren verschiedene PRRs, darunter Toll-like-Rezeptoren (TLRs), C-Typ-Lektin-Rezeptoren, Nukleotid-bindende Oligomerisierungsdomänen-ähnliche Rezeptoren und Retinsäure-induzierbare Gen-1 (RIG-I)-ähnliche Rezeptoren. Die Ligandenerkennung durch diese spezifischen PRRs und ihre Bindung führt zur Aktivierung verschiedener Signalwege und zur Produktion von entzündlichen Zytokinen, Chemokinen und antimikrobiellen Molekülen. Nach ihrer Freisetzung aus den Keratinozyten erfüllen diese Faktoren eine wichtige Funktion bei der Aktivierung der in der Haut befindlichen Immunzellen und der Rekrutierung zirkulierender Immunzellen z.B. bei einem Epitheldefekt.

Der aktivierte Keratinozyt bei Epitheldefekten

Für die Homöostase des Organismus ist die Integrität der Epidermis von essenzieller Bedeutung. Epitheldefekte jeglicher Art führen ebenfalls zur Aktivierung des Keratinozyten. Ein Epitheldefekt führt einerseits zu einem Wachstumsimpuls des Keratinozyten. Sie proliferieren, differenzieren und wandern  um die epidermale Barriere wiederherzustellen. Andererseits exprimieren jetzt Keratinozyten diverse Mediatoren (Zytokine, Chemokine, antimikrobielle Peptide/AMPs) und vermitteln somit umfangreiche Interaktionen zwischen Keratinozyten und hämatopoetischen Immunzellen, die eine wesentliche Rolle bei der Wundheilung spielen.  

Toll-like-Rezeptoren und Epitheldefekte

Die Toll-like-Rezeptoren-Aktivierung ist ein entscheidendes Element bei der Auslösung und Verstärkung von Entzündungen nach Epitheldefekten. Keratinozyten exprimieren mehrere TLRs, darunter TLR-1, -2, -4, -5 und -6 sowie die endosomalen TLR-3 und -TLR-9. TLR-2 bildet ein Heterodimer entweder mit TLR1 oder TLR6, um bakterielle Peptide zu erkennen. TLR2/de/allergologie/toll-like-rezeptor-2-27291.amp" title="Toll-like-Rezeptor 2 kann auch bakterielles Peptidoglykan (PGN) und Lipoteichonsäure erkennen. TLR4 erkennt zusammen mit CD14 LPS von gramnegativen Bakterien. TLR5 ist dafür bekannt, dass er spezifisch Flagellin, ein wichtiges Strukturprotein der bakteriellen Geißeln, wahrnimmt und erkennt. TLR9 ist ein Nukleotid-sensing TLR, der bakterielle unmethylierte 5′-Cytosinphosphat-Guanosin-3′ (CpG)-haltige DNA und vom Wirt stammende denaturierte DNA aus apoptotischen Zellen erkennt. TLR3 erkennt virale doppelsträngige RNA (dsRNA) sowie von geschädigten Zellen stammende dsRNA, was zur Expression von Zytokinen durch Keratinozyten führt, darunter IFN-beta, die Interleukine - 8, -18, -36gamma (IL-8, IL-18, IL-36γ), der Tumor-Nekrose-Faktor alpha (TNF-α) (Köllisch G et al. 2005; Lebre MC et al. 2003; Liu S et al. 2019) sowie Chemokine, wie die C-C-Motiv-Chemokin-Liganden 20 und 27 (CCL20 und CCL27). Die Exposition gegenüber dsRNA führt im Keratinozyten außerdem zu einer Hochregulierung der Expression von Rezeptoren, die dsRNA erkennen, wie TLR3, aber auch des Rezeptors TLR7, der einzelsträngige RNA (ssRNA) erkennt und unter homöostatischen Bedingungen in Keratinozyten kaum exprimiert wird. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass dsRNA einen Komplex mit einem humanen antimikrobiellen Peptid (AMP), Cathelicidin LL-37, bilden kann, um TLR-vermittelte Entzündungssignale zu verstärken.

Neben den TLRs sind auch RIG1-ähnliche Rezeptoren (Retinoic acid-inducible gene-1/ RIG-1) wichtige zytosolische Nukleinsäuresensoren in Keratinozyten (Kimura K et al. 2012). Wenn sie an dsRNA oder dsDNA gebunden sind, lösen sie eine antivirale Abwehr aus, indem sie die Produktion von Typ-I-IFN aktivieren. Typ-I-IFNs sind entscheidende Regulatoren der antiviralen Abwehr des Wirts, da sie die Reifung myeloider dendritischer Zellen, die Proliferation von T-Zellen und das Priming von CD8+ T-Zellen fördern können. Weiterhin stimulieren sie die Differenzierung von B-Zellen in Antikörper-sezernierende Plasmazellen. RIG-1 sowie das MDA5-Protein reagieren effizient auf dsRNA und lösen die Aktivierung von IRF3 und die anschließende Expression von Typ-I-IFN in Keratinozyten aus. Andere zytosolische Nukleinsäuresensoren sind die zyklische Guanosinmonophosphat-Adenosinmonophosphat (cGAMP)-Synthase oder cGAS (Cyclic GMP-AMP Synthase) und das in Melanomen fehlende AIM2, die dsDNA erkennen.

Der STING-Signalweg (Stimulator of Interferon Genes) spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Entzündungsreaktion von Keratinozyten (Piipponen M et al. 2020). Während die Rezeptor-Proteine cGAS, RIG-1 und MDA5 alle zur Typ-I-IFN-Antwort in Keratinozyten beitragen, erkennt das Rezeptorprotein AIM2 (AIM2 steht für „Absent In Melanoma 2“) zytosolische DNA und löst die Interleukin-1beta-Freisetzung in Keratinozyten aus (Pipponen M et al. 2020).

Weitere Rezeptoren, die von Keratinozyten exprimiert werden, um Signale von Immunzellen zu empfangen.

Durch die Ausschüttung von Zytokinen und Chemokinen können Keratinozyten Immunzellen rekrutieren, aktivieren und regulieren. Andererseits nehmen Keratinozyten auch Signale von Immunzellen auf, und reagieren mit veränderten Zellfunktionen. So exprimieren Keratinozyten Rezeptoren für TNF-alpha und IFN-gamma. Die Stimulation mit diesen Zytokinen induziert die Keratinozytenexpression eines breiten Spektrums entzündungsfördernder Gene, wie CXCL5, CXCL8 (= Interleukin-8) und ICAM-1 (interzelluläres Adhäsionsmolekül 1). Darüber hinaus reguliert IFN-gamma die Expression des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC) der Klasse II in Keratinozyten hoch, die für die Antigenpräsentation an T-Zellen wichtig sind .Interleukin-1alpha und Interleukin-1beta sind wichtige proinflammatorische Zytokine ebenfalls von Keratinozyten exprimiert werden. So steigt die Expression von Interleukin-1 bei Hautverletzungen rasch an, die Bindung von Interleukin-1alpha an seinen Rezeptor veranlasst Keratinozyten zur Expression von CCL20. CCL20 attrahiert Immunzellen. Interleukin-1beta induziert die antimikrobielle Abwehr der Haut und ist zusammen mit Interleukin-6 und Interleukin-23 entscheidend für Interleukin-17-produzierende T-Zellen. Bei Hautverletzungen ist die Expression von Interleukin-6 und seinem Rezeptor in Keratinozyten erhöht. Darüber hinaus exprimieren Keratinozyten einen löslichen Interleukin-6-Rezeptor (sIL-6R), der auf Interleukin-6 anspricht und die Reparatur der Hautbarriere fördert.

Bei ungestörter homöostatischer Proliferation exprimiert der (nicht aktivierte) Keratinozyt nachweislich eine Reihe von Chemokinrezeptoren (C-C-Chemokinrezeptor (CCR)1, CCR3, CCR4, CCR6, CCR10 sowie C-X-C-Motiv Chemokinrezeptor (CXCR)1, CXCR2, CXCR3 und CXCR4. Bei CCR1, CCR10, CXCR1, CXCR2 und CXCR3). Bei Bindung an ihre entsprechenden monospezifischen Liganden wird die Migration und Proliferation von Keratinozyten stimuliert. Diese Chemokine werden z.B. sowohl von Immunzellen als auch von Keratinozyten nach einer Epithelverletzung ausgeschüttet (Pipponen M et al. 2020). Weiterhin produzieren Keratinozyten nach einer Verletzung proinflammatorische Zytokine (z. B. TNF-alpha und Interleukin-1) sowie Chemokine (z. B. CXCL1, -5, -8). Von Keratinozyten ausgeschiedene Faktoren wie Interleukine und Chemokine sind auch für die Homöostase und die Rekrutierung von sog. TRM-Zellen bei einer Infektion notwendig. Andererseits sezernieren  CD8+ TRM-Zellen IFN-gamma, um die Chemokin-Synthese von Keratinozyten zu modulieren - beispielsweise die Induktion von CXCL9 und CXCL10 (Rauschenberger T et al. 2019).

Austausch von Keratinozyten mit Immunzellen über extrazelluläre Vesikel

Keratinozyten können ihre Kommunikation mit anderen Zellen ausweiten, indem sie bioaktive Fracht, wie Proteine, Lipide, DNA und RNA, in spezifischen membranumschlossenen Vesikeln, den so genannten extrazellulären Vesikeln (EVs), transportieren. Die EV-Sekretion von Keratinozyten wird durch verschiedene Stimuli wie Hypoxie, Bestrahlung und Hungersnot ausgelöst.

Interaktion von Keratinozyten mit T-Zellen über Antigenpräsentation

Neben der Produktion von Zytokinen und EVs können Keratinozyten auch als atypische Antigen-präsentierende Zellen (APC) fungieren und mit T-Lymphozyten antigenspezifisch interagieren. Die Expression von MHC-II wurde in Keratinozyten bei einer Vielzahl von Hauterkrankungen nachgewiesen, z. B. bei Lupus erythematodes, Vitiligo, Lichen planus, kutanem T-Zell-Lymphom, verschiedenen infektiösen Dermatosen, allergischer Kontaktdermatitis, granulomatösen Dermatosen, Lichen sclerosis, Erythema nodosum und Psoriasis. Es ist bekannt, dass Keratinozyten unter der Stimulation von IFN-gamma HLA-DR synthetisieren können (Wikner NE et al 1986). In Anwesenheit von Alloantigen oder nominalem Antigen führt die Interaktion zwischen MHC-II+-Keratinozyten und T-Zellen zu T-Zell-Anergie oder -Toleranz, während von Keratinozyten präsentierte bakterielle Superantigene T-Zellen aktivieren, die hauptsächlich IL-4, IL-5 und IL-10, aber nicht IFN-gamma produzieren (Goodman RE et al. 1994).

AMPs und Keratinozyten

Neben Zytokinen und Chemokinen produzieren die aktivierten Keratinozyten auch große Mengen an AMPs, wie β-Defensine, Cathelicidine, S100-Proteine (z. B. Psoriasin und Calprotectin) und RNase 7, die positiv geladene amphiphile Moleküle sind und verschiedene mikrobielle Pathogene direkt abtöten können (Chessa C et al.2020). Beispielsweise induziert Escherichia coli die Sekretion von Psoriasin (S100A7) durch Keratinozyten, während S. aureus die Keratinozyten zur Produktion von beta-Defensinen anregt, und diese AMPs schützen die Haut vor Infektionen. Keratinozyten produzieren konstitutiv Beta-Defensin 1 (hBD1), während hBD2, -3 und -4 als Reaktion auf eine Verletzung induziert werden, um die Keratinozytenmigration und -proliferation zu fördern, aber auch um die Produktion von proinflammatorischen Zytokinen und Chemokinen (z. B. IL-6, IL-10, CCL-5) zu stimulieren (Rivas-Santiago B et al. 2012). Perforin-2 (oder makrophagenexprimiertes Gen 1, MPEG1) ist ein antibakterielles Effektorprotein, das in der Epidermis konstitutiv exprimiert wird. Es wird nach einer Verletzung hochreguliert.

Epigenetische Regulation der Keratinozyten-Immunfunktionen bei der Wundheilung (Trainierte Immunität von epithelialen Stammzellen)

"Trainierte Immunität" (TI) oder "angeborenes Immungedächtnis" ist ein neues Konzept, das die Fähigkeit eines Organismus beschreibt, unabhängig von der adaptiven Immunität eine erhöhte Reaktionsfähigkeit auf sekundäre Reize zu entwickeln. TI wurde zuerst in Zellen des angeborenen Immunsystems entdeckt, z. B. in Monozyten, Makrophagen und natürlichen Killerzellen; allerdings haben diese Zellen im Blutkreislauf eine kürzere Lebensdauer als die Dauer von TI. TI wurde auch in Zellen mit langer Lebensdauer, wie Stammzellen und Fibroblasten, gefunden. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass epitheliale Stammzellen (EpSCs) ein langanhaltendes Gedächtnis für frühere Entzündungsreize, z. B. eine topische Imiquimod-Behandlung, beherbergen können, wodurch die Haut in die Lage versetzt wird, auf nachfolgende Angriffe schnell zu reagieren und die Wundheilung zu beschleunigen (Hamada A et al. 2018). Nach dem ersten Stimulus behalten EpSCs die chromosomale Zugänglichkeit mehrerer kritischer Gene für die Entzündungsreaktion, wie z. B. AIM2, bei, was eine schnelle Transkription von AIM2 und seiner nachgeschalteten Effektorgene bei einem sekundären Stimulus, d. h. einer Hautverletzung, ermöglicht (Naik S et al. 2017). Dieses Gedächtnis wird durch das Aim2-Gen vermittelt das für einen Aktivator des Inflammasoms kodiert. Das Fehlen des AIM2-Proteins oder seiner nachgeschalteten Effektoren, Caspase-1 und Interleukin-1beta, hebt das Gedächtnis der EpSCs für Entzündungen auf (Naik, S et al. 2017).

MikroRNAs und Keratinozyten

MiR-146 wurde als ein wichtiger Regulator der angeborenen Immunität von Keratinozyten identifiziert. miR-34a und miR-34c sind in den Wundrandkeratinozyten von Patienten mit venösen Ulzera signifikant erhöht waren. Diese beiden miRNAs fördern die Produktion von entzündlichen Chemokinen und Zytokinen in Keratinozyten, indem sie auf den Leucine Rich Repeat enthaltenden G-Protein-gekoppelten Rezeptor 4 (LGR4) abzielen (Wu J et al. 2020).

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