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