Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Bedeutung des Interzellulären Adhäsionsmoleküls-1 (ICAM-1) für die Entwicklung des Diabetes mellitus Typ 1

Vinke, Antje

The aim of this study was to evaluate the role of the "intercellular adhesion molecule"-1 (ICAM-1) in the pathogenesis of diabetes mellitus type 1. Of special interest was the analysis of the pathophysiological effect of membrane-bound ICAM-1 as well as the therapeutical potential of soluble ICAM-1. To evaluate the relevance of membrane-bound ICAM-1, a genetically modified ICAM-1 gene was introduced into the DNA of two mouse strains representing animal models of the human disease. These models were the "multiple-low-dose" streptozotocin (MLDS) model, in which diabetes in C57 Bl/6-mice is induced through multiple injections of subdiabetogenic doses of streptozotocin, and the model of the "non-obese-diabetic" (NOD) mouse, which spontaneously develops diabetes, though this development can even be accelerated by a single dose of cyclophosphamide. Animals which were homozygous for the modified ICAM-1-gene did not express ICAM-1 on their cell membranes. After induction of diabetes through MLDS, no difference was found in development of hyperglycaemia or diabetes incidence between ICAM-1-expressing (ICAM-1 +/+) and ICAM-1-deficient (ICAM-1 -/-) animals. Islet infiltration was even more severe in ICAM-1 -/- animals than in ICAM-1 +/+ animals. In contrast, in spontaneously diabetic NOD mice the lack of membrane-bound ICAM-1 resulted in a total protection against the development of hyperglycaemia. Also the degree of islet infiltration was significantly decreased compared to ICAM-1 +/+ NOD mice. Even at old age the ICAM-1 -/- mice showed mostly only very light infiltration of mononuclear cells into the islets of Langerhans. In contrast, 30% of the ICAM-1 +/+ females developed diabetes and, likewise, the non-diabetics exhibited severe lymphocytic islet infiltration. Even enhancing the diabetes development with a single injection of cyclophosphamide lead only to a mild and pathogenetically inconsiderable increase of infiltration in the ICAM-1 -/- NOD mice. To investigate the mechanism underlying the failure of ICAM-1 -/- NOD mice to develop diabetes, their pancreatic mRNA was analysed. In contrast to genetically unmodified NOD-mice, no shift in the cytokine balance from predominantly Th2 cytokines to Th1 cytokines was observed. These results lead to the conclusion that the lack of membrane-bound ICAM-1 significantly reduces immigration of immune cells into the islets of Langerhans, but does not rule it out. Subsequently, the role of ICAM-1 in adhesion and leukocyte emigration can be substituted by further adhesion molecules. This appears to have an impact on the quality of the immune reaction because in absence of ICAM-1 no change in the cytokine balance from Th2 immunity to Th1 immunity takes place. The possible therapeutical value of soluble ICAM-1 was evaluated, based on the results of a previous animal experiment at the Diabetes Research Institute, Düsseldorf . There the development of diabetes in young NOD mice, which had not developed intra-insulitis yet, was significantly reduced by regular intra peritoneal injections of recombinant soluble ICAM-1 (rICAM-1). To determine whether this decrease in diabetes incidence was also caused by inhibition of the cytokine Th1-shift in the pancreas, NOD mice were pre-treated with rICAM-1 before the diabetes development was enhanced by cyclophosphamide injection and their pancreatic cytokine expression was analysed. Similar to the effect of ICAM-1 deficiency in NOD mice, the treatment with rICAM-1 actually prevented the cytokine balance to shift from Th2 to Th1 expression. To investigate the possibility of therapeutical use of soluble ICAM-1, NOD mice were treated long term via intra peritoneal or intra nasal application. Treatment of older mice, which were already in a late prediabetic state, lead about 7 weeks after start of the treatment to a non-significant reduction of the diabetes development. Likewise the delay in diabetes manifestation that was observed after intra nasal application of rICAM-1 to young NOD mice, was not significant. The results of this study prove that ICAM-1 plays an important role in the development of diabetes mellitus type 1. Interference with the interaction of ICAM-1 with its ligands has strong effects on the stimulation of Th0 cells. It prevents the differentiation to cytotoxic Th1 immunity in the pancreas, which is held responsible for diabetes development in diabetes mellitus type 1. These promising results promote hope that further investigations into the influence of ICAM-1 could lead to a preventive therapy for human diabetes mellitus type 1.

Aufgabe dieser Arbeit war die Untersuchung der Bedeutung des Interzellulären Adhäsionsmoleküls-1 (ICAM-1) bei der Pathogenese des Diabetes mellitus Typ 1. Dabei sollte sowohl die pathophysiologische Wirkung von membrangebundenem ICAM-1 wie auch die Wirkungsweise von löslichem ICAM-1 bei therapeutischer Anwendung genauer bestimmt werden. Zur Bestimmung der Relevanz von membrangebundenem ICAM-1 wurde ein verändertes ICAM-1-Gen in die Mausstämme von zwei verschiedenen Tiermodellen des humanen Diabetes mellitus Typ 1 eingekreuzt. Die Maus-Modelle waren das des induzierten Diabetes bei der C57 Bl/6-Maus, bei dem durch mehrfache Gabe subdiabetogener Dosen Streptozotozin ("multiple low-dose"-Streptozotozin, MLDS) Diabetes ausgelöst wird, und das der "non-obese-diabetic" (NOD) -Maus, bei der es zur spontanen Diabetesentwicklung kommt, welche durch einmalige Gabe von Cyclophosphamid noch beschleunigt werden kann. Die Tiere, die homozygot das veränderte ICAM-1-Gen trugen, exprimierten auf ihren Zellmembranen kein ICAM-1. Im Modell des durch MLDS-Gabe induzierten Diabetes konnte bei den Blutglukosewerten und der Diabetesinzidenz kein Unterschied zwischen den ICAM-1-exprimierenden (ICAM-1 +/+) und den ICAM-1-defizienten (ICAM-1 -/-) Tieren festgestellt werden. Die Insulitisausbildung hingegen war bei den ICAM-1 -/- Tieren sogar noch ausgeprägter als bei den ICAM-1 +/+ Tieren. Bei den spontan diabetischen NOD-Mäusen hingegen führte das Fehlen des membrangebundenen ICAM-1 zur vollständigen Verhinderung der Diabetesentwicklung. Auch der Insulitisgrad war hochsignifikant verringert gegenüber dem ICAM-1-exprimierender Vergleichstiere. Die ICAM-1 -/- Tiere zeigten auch im hohen Alter nur geringgrade Infiltration von mononukleären Zellen in den Langerhans’schen Inseln des Pankreas. Hingegen wurden von den weiblichen ICAM-1 +/+ NOD-Zuchttieren insgesamt 30% diabetisch; auch die nicht diabetischen Tiere wiesen meist eine schwerwiegende Leukozyteninfiltration in die Langerhans’schen Inseln auf. Auch die Beschleunigung der Diabetesentwicklung durch einmalige Cyclophosphamid-Gabe konnte bei den homozygot ICAM-1 -/- NOD-Mäusen nur eine geringe und pathogenetisch unerhebliche Vermehrung der Leukozyteninfiltration in die Inseln auslösen. Zur Analyse des Mechanismus der fehlenden Diabetesentwicklung bei ICAM-1 -/- NOD-Mäusen wurden mRNA-Analysen der Pankreata durchgeführt. Im Gegensatz zu genetisch unveränderten NOD-Mäusen konnte bei den ICAM-1 -/- NOD-Mäusen keine Veränderung in der Zytokinbalance vom Überwiegen der Th2- Zytokine zu den Th1-Zytokinen nachgewiesen werden. Aus diesen Ergebnissen geht hervor, dass das Fehlen von membrangebundenem ICAM-1 die Immigration von Immunzellen in die Langerhans’schen Inseln zwar signifikant reduziert, aber nicht unmöglich macht. Anscheinend können andere Adhäsionsmoleküle die Rolle von ICAM-1 bei Adhäsion und Gefäßemigration übernehmen. Jedoch scheint ICAM-1 die Qualität der Immunantwort zu beeinflussen, da in Abwesenheit von ICAM-1 keine Änderung des Zytokinverhältnisses von Th2- zu Th1-Immunität auftritt. Zur Untersuchung der therapeutischen Möglichkeiten bei der Gabe von löslichem ICAM-1 wurde auf einen vorhergegangenen Versuch im Diabetes-Forschungsinstitut, Düsseldorf aufgebaut. Dieser hatte gezeigt, dass durch zu Beginn der Insulitisausbildung angefangene intra-peritoneale Injektionen von löslichem ICAM-1 die Diabetesentwicklung bei NOD-Mäusen wirkungsvoll verringert werden kann. Um festzustellen, ob auch dieser Effekt auf einer Unterdrückung der Verschiebung nach Th1 beruht, wurde mit rekombinantem löslichem ICAM-1 vorbehandelten NOD-Mäusen einmalig Cyclophosphamid verabreicht und die Expression der mRNA verschiedener Zytokine im Pankreas untersucht. Dabei ergab sich, dass nach Behandlung mit löslichem ICAM-1, entsprechend dem bei ICAM-1-defizienten NOD-Mäusen, tatsächlich keine Verschiebung der Zytokinbalance in Richtung der Th1-Zytokine stattfand. Die therapeutischen Einsatzmöglichkeiten von löslichem ICAM-1 wurden durch Langzeitbehandlung von NOD-Mäusen verschiedenen Alters und mit unterschiedlicher Applikationsart (intra-peritoneal oder intra-nasal) weiter untersucht. Die Behandlung älterer Mäuse, die sich bereits im späten prädiabetischen Stadium befanden, führte ca. sieben Wochen nach Behandlungsbeginn zu einer nicht signifikanten Verringerung der Diabetesentwicklung. Auch die nach intra-nasaler Verabreichung des löslichen ICAM-1 an junge NOD-Mäuse auftretende Verzögerung der Diabetesentwicklung war nicht signifikant. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, dass ICAM-1 eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Diabetes mellitus Typ 1 spielt. Eine Beeinflussung der Interaktion von ICAM-1 mit seinen Liganden hat Auswirkungen auf die Stimulation der Th0-Zellen. Dabei wird die Ausdifferenzierung dieser Zellen in Richtung der auf zytotoxischen Zellen beruhenden Th1-Immunität, welche für die Entstehung des Diabetes mellitus Typ 1 verantwortlich gemacht wird, verhindert. Um diesen Effekt in der präventiven Therapie beim Menschen ausnutzen zu können, ist eine weitere Erforschung der Wirkungsweise von löslichem ICAM-1 notwendig.

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Vinke, Antje: Bedeutung des Interzellulären Adhäsionsmoleküls-1 (ICAM-1) für die Entwicklung des Diabetes mellitus Typ 1. Hannover 2003. Tierärztliche Hochschule.

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