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Michael Schemann, Humanbiologie, TU München
Inhalt:
• Nervale Kontrolle von Magen-Darmfunktionen
• Definition, Epidemiologie und Pathophysiologie des Reizdarmsyndroms
• Reizdarm als neurogastroenterologische Erkrankung mit organischen Ursachen.
Inhalt:
• Nervale Kontrolle von Magen-Darmfunktionen
• Definition, Epidemiologie und Pathophysiologie des Reizdarmsyndroms
• Reizdarm als neurogastroenterologische Erkrankung mit organischen Ursachen.
Human Biology
Reizdarm!
Der Einfluss des Nervensystems auf Erkrankungen
im Magen-Darmbereich
Nervale Regulation des Magen-Darmtraktes
Human Biology
Frieling & Schemann. Der Gastroenterology 2013; 8:406-16
Gehirn
Rücken-
mark
Darm
Spinalganglion
Para-
sympathikus
Sympathikus
Enterisches
Nervensystem
www.wzw.tum.de/humanbiology/data/motility/34
Exit
Das Darmhirn (ENS)
Human Biology
Etwa 200 Million Nervenzellen bilden das
autonome enterische Nervensystem (ENS), das
vitale Darmfunktionen kontrolliert. (Motilität, Sekretion, Absorption, Mikrozirkulation, Proliferation,
Immunfunktionen).
ENS und Sekretion
Human Biology
Dehnung [µl] 80 160 240 320
Se
kre
tio
n -
IS
C [µ
A/c
m²]
0
50
250
150 D
eh
nu
ng
Kontrolle
Tetrodotoxin
Weber et al. J Physiol , 2001, 536: 741
Modulation der Aktivität im ENS
Human Biology
Neuromodulation durch > 50 Mediatoren
Erregend Hemmend
Acetylcholin ATP Adenosin
Bradykinin CGRP CO
CRF GABA Galanin
Glutamat H2S Noradrenalin
Serotonin Immun-Mediatoren NO
Leptin Polyamine NPY
Proteasen Substanz P Serotonin
Toxine Opioide
Nährstoffe (SCFA, Glucose, Glycine) Somatostatin
Sensorische
ENS Nerven
Aktivierende
ENS Nerven
Hemmende
ENS Nerven
Signalintegration im Darm
Human Biology
Immunsystem
Blut/Blutgefäße
Microbiota
Gehirn
Darm-Hirn-
Achse
Enterisches
Nerven
System
Nerven
Epithel
Funktion Adipozyten
Definition Reizdarm: Deutsche S3 Leitlinie Reizdarm
Layer et al. Z Gastroenterol. 2011; 49:237-93.
• Chronische (>3 Monate) Beschwerden, wie Bauchschmerzen und
Blähungen, die auf den Darm bezogen werden und in der Regel mit
Stuhlgangsveränderungen einhergehen.
• Relevante Beeinträchtigung der Lebensqualität.
• Keine für andere Krankheitsbilder charakteristischen Veränderungen, die
wahrscheinlich für diese Symptome verantwortlich sind.
• Lebensqualität von RDS Patienten ist erstaunlich gering und ist
vergleichbar mit “schwerwiegenden” Erkrankungen wie ischämische
Herzerkrankungen, Herzinsuffizienz und Diabetes mellitus.
• RDS belastet das Gesundheitssystem mit ca. 1500 €/Jahr/Patient.
• RDS ist häufig mit somatischen und psychischen Störungen assoziiert.
Human Biology
Lovell. Clin Gastroenterol Hepatol. 2012; 10:712-21
Epidemiologie Reizdarm: Hohe RDS Prävalenz Human Biology
Pathophysiologie Reizdarm Symptome: Schmerz, Blähungen, Stuhlunregelmäßigkeiten
Human Biology
Gehirn
Rücken-
mark
Darm
• Stress
• Erziehung
• Psychosoziale Faktoren
• Veränderte viszerale Perzeption
• Gestörte Verarbeitung viszeraler Signale
• Motilitäts- und Transitstörungen
• Störungen des autonomen und enterischen Nervensystems
• Veränderte viszerale Sensitivität
• Gestörte Barriere durch erhöhte Schleimhautpermeabilität
• Postinfektiöse Plastizität
• Immunaktivierung; proinflammatorisches Cytokinprofil
• Aktivierung der Epithel-Immun-Nerv-Achse
• Nahrungsunverträglichkeiten
• Veränderte Mikrobiota
• Genetische Faktoren
Frieling & Schemann. Der Gastroenterology 2013; 8:406-16
Spinalganglion
Para-
sympathikus
Sympathikus
Enterisches
Nervensystem
Human Biology
Frieling & Schemann. Der Gastroenterolog 2013; 8:406-16
Potentielle Biomarker bei RDS
Pathologie Potentielle Biomarker
Motilitätsstörungen • Kolontransit 48h,
• Gallensäuren im Stuhl
• NaV1.5 Funktion
Periphere sensori-motorische
Störungen
(veränderte Mukosa-Nerv-Interaktionen)
• Proteasen im Schleimhautüberstand
• Proteasen im Stuhlüberstand
Nahrungsunverträglichkeit • Ausschlussdiät (FODMAP)
Permeabilitätsstörung • Gewebewiderstand
• ZO-1 Expression
Veränderte Immunabwehr • TNFα
• epitheliale Immunzelldichte
• Anti-Flagellin,
• Anti-ENS Antikörper
Genetische Prädisposition • TNFSF15,
• PARM1 (Mucus)
• KDELR2 (ER Lumen Retaining Protein Rezeptor)
• GRID2IP (Glutamatrezeptor)
• Monoamin Signalwege
Camilleri et al., Neurogastroenterol & Motil, 2014; 26:1677-85
Human Biology
Potentielle Biomarker bei RDS:
Gallensäuren im Stuhl und Kolontransit 48h
Sen
siti
vitä
t
Spezifität
Sensitivität: Anteil der richtig positiv erkannten Patienten an allen Kranken
Spezifität: Anteil der falsch positiv erkannten Patienten an allen Gesunden
Spezifität
Kolontransit Gallensäuren
2-Faktoren
Gesund vs RDS-D RDS-D vs RDS-C
(AUC 0,7) (AUC 0,86)
Bei einer 60%igen Sensitivität liegt die Spezifität zwischen 75-90%
Sen
siti
vitä
t
Cremon et al. Am J Gastroenterol. 2009; 104:392-400
Ko
ntr
oll
e
RD
S
Pathophysiologie Reizdarm:
Immunaktivierung
Mastzellen Lymphozytenpopulationen
Human Biology
Cremon et al. Am J Gastroenterol. 2009; 104:392-400
Human Biology
Pathophysiologie Reizdarm: Immunaktivierung korreliert mit Symptomschwere
Kontrollen RDS Crohn
Inaktive
colitis
Aktive
Colitis
ENS Nerven
100 µm
MP
LM
CM
SMP
MM
Epith
Makrophagen Mastzellen – Lymphozyten
Human Biology
Nerv-Immun-Interaktion in der Darmwand
100 µm
20 µm
ENS
Sensorische Nerven
der Darm-Hirn-Achse
Mastzellen
A B C
Schemann & Camilleri. Gastroenterology 2013;144:698-704
Buhner et al., Gastroenterology 2009, 137:1425
D-IBS134 ∆F/F=0.2%
Gabe des D-IBS134 Überstandes
200 ms
Kontrolle
N = 38
6 Kliniken
IBS
N = 59
6 Kliniken
0
200
400
Ne
uro
ind
ex
(Hz
AP
s x
% s
ensi
tiver
Ner
ven)
100
300
500
Human Biology
Aktivierung enterischer Nerven
durch RDS Biopsieüberstände
*
Kontrolle N = 49
6 Kliniken
IBS N = 59
6 Kliniken
0
200
400
Neu
roin
dex
(H
z A
Ps
x %
sen
sitiv
er N
erve
n)
100
300
500
Human Biology
Nervale Aktivierung durch
Schleimhautbiopsieüberstände und Serum
IBD (Rem) N = 12
3 Kliniken
ANNA-1 N = 9
2 Kliniken
Schleimhautbiopsieüberstände Serum
Mastozytose N = 9
1 Klinik
Kontrolle N = 6
2 Kliniken
Eosinophile
Ösophagitis N = 9
1 Klinik
Buhner et al., Gastroenterology 2009, 137:1425
Buhner et al., Exp Physiol 2014, 99:1299-311
Piepgras et al. Neurology 2015;85:890-897
Schemann, Boeckxstaens, DeGiorgio, Frieling Keller, Pehl unpublished
α-DPPX N = 9
2 clinics
r = - 0,457
P = 0,0375
0 10 20 30 40 50 60
0
100
200
300
400
Ne
uro
ind
ex S
MP
(Hz A
ps x
%
sens
itive
r N
euro
ne)
Barostat Schmerzschwelle (mmHg)
Normosensitive RDS Hypersensitive RDS
Enterische Neurone
Ne
uro
ind
ex D
RG
([C
a2+ ] i
x %
sen
sitiv
er D
RG
)
0 10 20 30 40 50 60
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
r = - 0,551
P = 0,0173
Barostat Schmerzschwelle (mmHg)
Neurone der Spinalganglien
Viszerale Afferenzen, Nozizeptoren
Human Biology
Assoziation zwischen Nervenaktivierung und
viszeraler Sensibilität
Buhner et al., Exp Physiol 2014, 99:1299-311
0 0
2 2
4 4
6 6
8 8
10 10
12 12
His
tam
ine
(n
g/m
l*m
g)
0 0
2 2
4 4
6 6
8 8
10 10
12 12
14 14
Tryp
tase
(n
g/m
l*m
g)
P<0.001 P=0.008
HC (n=7)
Mediator Konzentrationen in IBS and Kontroll Überständen
IBS (n=18)
HC (n=6)
IBS (n=18)
X = Kontrolle
= RDS-D
= RDS-C
0
2
4
6
8
10
12
His
tam
ine
(n
g/m
l*m
g)
0
2
4
6
8
10
12
14
Tryp
tase
(n
g/m
l*m
g)
P<0.001 P=0.008
HC (n=7)
Mediator Konzentrationen in IBS and Kontroll Überständen
IBS (n=18)
HC (n=6)
IBS (n=18)
X = Kontrolle
= RDS-D
= RDS-C
Human Biology
Aktivierung enterischer Nerven wird wesentlich
über Proteasen vermittelt
∆ F/ F=0.2 %
200 ms D-IBS 137
Protease Komponente
Mit Protease Inhibitor
IBS Überstände
IBS
Histamin Komponente
In H1, H2, H3 Antagonisten IBS
Buhner et al., Gastroenterology 2009, 137:1425
Human Biology
Buhner, Boeckxstaens, Frieling, Pehl, Keller, Barbara, Schemann unpublished
RDS + PAR1 Blocker SCH79797 10µM
CU-Rem + PAR1 Blocker SCH79797 10µM
P < 0,001 * P = 0,266 N
euro
ind
ex
(Hz
AP
s x
% s
ensi
tive
r N
euro
ne)
0
100
200
300
400
500
600
RDS N=14
CU-Rem N=12
Kontrolle
Proteasen im Schleimhautbiopsieüberstand
von RDS unf CU Patienten
Buhner et al., Gastroenterology 2009, 137:1425-32
Buhner et al., Exp Physiol 2014, 99:1299-311
Human Biology
Proteomanalyse des Schleimhautüberstandes:
Proteasen in RDS Überständen
204 p
rote
ins, adju
ste
d p
< 0
.05
Protease P Wert Funktion
Cathepsin C
0,001 Cystein Protease: aktiviert Serinproteasen
(Elastase, Cathepsin G, Chymase, Tryptase)
Complement C 3 0,002 Serinprotease: Abwehr Mikroorganismen
Chymotrypsin C 0,006 Serinprotease: Chymotrypsin-ähnliche
Wirkung, Immunabwehr
Proteasom β2 0,015 Threonin Protease: Trpysin-ähnliche Wirkung
- Immunabwehr
Proteasom α4 0,02 Threonin Protease: Abbau degradierbarer
und defekter Proteine, Immunabwehr
Cathepsin L1 0,024 Cystein Protease: aktiviert Elastase,
Proteinkatabolismus
Elastase 3A,
pankreatisch
0,032 Serinprotease
Aspartyl
Aminopeptidase
0,048 Intrazellulärer Proteinmetabolismus
RDS Kontrolle CU-Rem
Buhner, Hahne, Küster, Schemann unpublished
Human Biology
Hohe Prädikatorqualität einzelner Proteasen
Bei RDS
Elastase 3A
Pro
tein
menge
(V
SN
)
Cathepsin C
Pro
tein
menge
(V
SN
)
Buhner, Hahne, Küster, Schemann unpublished
Sen
siti
vitä
t
Spezifität
Sen
siti
vitä
t
Spezifität
Human Biology
Proteasen bei RDS: 98% Vorhersagegenauigkeit bei der Kombination von 3 Proteasen
Pre
dic
tio
n a
ccu
racy
(PA
)
Anzahl der kombinierten Proteine
2 3 4 5
Beste Kombination (PA = 98%): 47__2::tr|B3KQK4|B3KQK4_HUMAN _ Cathepsin L1
71__2::tr|D3DW86|D3DW86_HUMAN_ Proteasom subunit, alpha type 4
92__2::tr|Q96QL8|Q96QL8_HUMAN_ Elastase 3A
Buhner, Hahne, Küster, Schemann unpublished
Human Biology
Proteasen potenzieren nervale Aktivität
Ostertag …. Schemann unpublished
Ne
uro
ind
ex
[%
[C
a2+] i
Incre
ase
x
% s
ensitiv
er
Neuro
ne]
0
2000
4000
6000
Trypsin 10nM
5/12/70
Elastase 100nM
3/4/20
Histamine
Serotonin
Elastase
4/8/43
Patienten/
Ganglien/
Nervenzellen
Histamin 1µM
Serotonin 1µM
11/13/76
*
*
Human Biology
Proteasen – potentielle klinische Anwendung
0
50
100
150
200
RDS RDS in
SERPIN
Ne
uro
ind
ex
A
P F
req
ue
nz (
Hz)
x %
se
nsitiv
er
Neu
ron
e
* P = 0.002
SERPIN:
• hochgereinigter Serinproteasehemmer des
probiotischen Keims Bifdobacterium longum NCC2705
• Hemmt Elastase-Aktivität (Ivanov et al., JBC 2006, 281:17246-17252.)
Vignali, Haller, Schemann unpublished
Reizdarm
Take home Message
• Die Neurogastroenterologie verbindet neurologische und
gastroenterologische Aspekte.
• Das Reizdarmsyndrom ist eine organische Erkrankung,
• Die multifaktorielle Pathologie lässt auf die Existenz verschiedener RDS
Untergruppen schließen.
• Proteasen scheinen für die Pathophysiologie des RDS von zentraler
Bedeutung.
• Neuro-Endo-Entero-Immune Interaktionen sind Grundlage physiologischer
und pathophysiologischer Vorgänge.
Take home Message
• Die Neurogastroenterologie verbindet neurologische und
gastroenterologische Aspekte.
• Das Reizdarmsyndrom ist eine organische Erkrankung,
• Die multifaktorielle Pathologie lässt auf die Existenz verschiedener RDS
Untergruppen schließen.
• Proteasen scheinen für die Pathophysiologie des RDS von zentraler
Bedeutung.
• Neuro-Endo-Entero-Immune Interaktionen sind Grundlage physiologischer
und pathophysiologischer Vorgänge.
Human Biology