Programmierter Zelltod

Programmierter Zelltod (engl. programmed cell death, PD) bedeutet geordneter Zelluntergang. Es handelt sich um einen genetisch kodierten Mechanismus, mit dem Zellen sich selbst in geordneter Weise „aus dem Verkehr ziehen“. Er wird eingeleitet, wenn eine Zelle nicht mehr gebraucht wird, oder wenn sie sich bei einer Schädigung nicht selbst reparieren kann. Die Zellreparaturmechanismen (Autophagie und Mitophagie) und die Mechanismen des programmierten Zelltods (Apoptose) sind eng aufeinander abgestimmt.

→ Autophagie

Das Wichtigste verständlich

Kurzgefasst

Der programmierte Zelltod (Apoptose) dient bei der Entwicklung und der Alterung eines Organismus zur Aufrechterhaltung der Größe einer sich regenerierenden Zellpopulation und eines Organs. Er spielt bei der Gesunderhaltung von Organen und letztlich des gesamten Körpers eine entscheidende Rolle. Er baut unbrauchbare oder kranke Zellen geordnet ab, ohne dass toxische Substanzen in die Umgebung austreten und benachbarte Zellen oder den gesamten Körper schädigen. Auch können die abgebauten Bestandteile weitgehend wiederverwertet werden. Dies unterscheidet ihn von der Nekrose, die ungeordnet abläuft und Nachbarschaft und Körper viel stärker in Mitleidenschaft zieht. Start des programmierten Zelltods: Der geordnete Abbauprozess kann über zwei Wege gestartet werden, einen, der von Signalen innerhalb der Zelle ausgeht (intrinsischer Weg) und einen, der von außen über „Todesrezeptoren“ (programmed cell death receptors, PD-R) eingeleitet wird. Der Weg über PD-R ist besonders für die Bekämpfung einer bakteriellen Infektion wichtig. Beide Wege aktivieren Enzyme, sog. Caspasen, welche die Zellbestandteile abbauen und ggf. Entzündungsreaktionen auslösen, so dass Immun- und Abraumzellen zur Infektionseindämmung eingreifen können. Während der Apoptose schrumpft die Zelle, wird im mikroskopischen Bild rötlich (HE-Färbung) und löst sich aus dem Zellverband. Die letzten Reste werden von Fresszellen (Phagozyten) beseitigt. Krebszellen entgehen dem programmierten Zelltod: Eine wichtige Funktion des programmierten Zelltods ist die Selbstzerstörung von Tumorzellen, Bei vielen Tumoren jedoch ist die Fähigkeit zur Apoptose verringert, so dass sie dem angreifenden Immunsystem entkommen, überleben und sich vermehren können. Eine Möglichkeit der Therapie besteht darin, die Empfindlichkeit für die Auslösung einer Apoptose wieder zu erhöhen. Medikamente dazu sind PD-Antikörper, welche spezielle Abwehrzellen (T-Lymphozyten) stärken. Krebstherapie durch Angriff an PD-Checkpoints: Die PD1-Expression von PD-Rezeptoren auf speziellen Immunzellen, den T-Lypmphozyten, und von PD-Liganden auf Krebszellen bewirkt, dass sich T-Lymphozyten rasch zerstören und die Krebszellen der immunologischen Abwehr entgehen. Eine wichtig gewordene Therapiestrategie ist die Blockade von PD1, so dass der Caspaseweg nicht aktiviert werden kann. Die dafür entwickelten Medikamente sind sog. PD1/PDL1-Inhibitoren. Sie haben sich bereits bei der Behandlung vieler Tumore bewährt. → Signalwege und Checkpoints: Basics

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Bedeutung

Der PD-Mechanismus, der auch als Apoptose bezeichnet wird, spielt eine bedeutende Rolle während des Wachstums des Körpers, beim Remodeling (Umbau) von Organen und Geweben und während der Altersinvolution. Bei diesen Vorgängen wird die Struktur von Geweben und Organen geordnet umgebaut.

Der Mechanismus spielt ebenso bei der Beherrschung von Infektionen und der Abwehr von Krebszellen eine Rolle, da mit ihm kranke Zellen sich selbst „aus dem Verkehr ziehen“ können. Wenn entartete Krebszellen jedoch durch eine Mutation an einer Schaltstelle in diesem Prozess lernen, diesem Mechanismus zu entgehen, entsteht Krebs, der sich dauerhaft im Körper etabliert.

Die abgebauten Zellbestandteile werden in einer Weise entgiftet und entsorgt, dass möglichst viel davon wiederverwertet werden kann und möglichst wenig umgebendes Gewebe dabei geschädigt wird. (1)Cell Biol Int. 2019 Jun;43(6):582-592. doi: 10.1002/cbin.1113 Die Apoptose als programmierter Zelltod ist genetisch fixiert.  (2)Trends Genet. 1998 Oct; 14(10):410-6.

Ablauf der programmierten Zellauflösung

Während der Prozesse der geordneten Zellzerstörung werden über die Aktivierung spezieller Enzyme die Kern-DNA gespalten und die Energie-liefernden Prozesse unterbrochen. Die Proteine der Zelle werden abgebaut. Die Proteinspaltung erfolgt hauptsächlich durch die Aktivierung von Cysteinproteasen, den sogenannten Caspasen. Reste werden durch Phagozyten (Fresszellen, spezielle Makrophagen) abgeräumt. Viele der abgebauten Zellbestandteile, wie Aminosäuren und DNA-Bruchstücke, können von anderen Zellen wiederverwertet werden.

Messung apoptotischer Aktivität

Ein Maß für die apoptotische Aktivität von Zellen ist ihre DNA-Fragmentierung. Die DNA wird durch eine Endonuklease gespalten. Die Fragmente, die ein Vielfaches von etwa 180-bp-Oligomeren darstellen, lassen sich als DNA-Leiter auf einem Agarosegel sichtbar machen.  (3)Methods Mol Biol. 2004;282:1-17. doi: 10.1385/1-59259-812-9:001

Start

Der Start einer Selbstzerstörung erfolgt durch

• interne Auslöser (intrinsischer oder mitochondrialer Weg). Der interne Weg wird ausgelöst, wenn der oxidative Stress einer Zelle, der sich vor allem in den Mitochondrien manifestiert, zu groß wird.
• externe Auslöser (extrinsischer Weg über „death receptors“, DR). Der extrinsische Weg wird beschritten, wenn Zerstörungsbefehle beispielsweise des Immunsystems über Rezeptoren gemeldet werden. (4)Adv Exp Med Biol. 2020;1248:201-226. doi: 10.1007/978-981-15-3266-5_9

Beide Wege laufen in der Phase der apoptotischen Auflösung zusammen.

Intrinsischer oder mitochondrialer Weg

Der vom Inneren der Zelle ausgelöste (intrinsische) Weg der Selbstzerstörung wird auch als mitochondrialer Weg bezeichnet. Auslöser ist interner zellulärer Stress, der sich an DNA-Schäden oder im endoplasmatischen Retikulum manifestiert. An der Aktivierung beteiligt sind verschiedene Faktoren (BH3-Proteine BID, BIM, BAD, BIK, BMF, Noxa, PUMA und HRK). BH3-Proteine aktivieren pro-survival oder pro-apoptotische BH3-Proteine. Dies führt (je nach Aktivator) entweder zur Unterbrechung oder zur Fortsetzung des apoptotischen Zelltods. (5)Oncogene. 2008;27:S2–S19. doi: 10.1038/onc.2009.39

Extrinsischer Weg über den Zelltodrezeptor DR

Der von außen angestoßene Weg der Selbstzerstörung benötigt äußere Reize, die an Zelltodrezeptoren (death receptors, DR) binden. Über Signalwege lösen über sie im Inneren den Zerstörungsprozess der Zelle aus, wobei wiederum das abbauende Enzym Caspase eine entscheidende Rolle spielt. Der Weg wird über eine mitochondriale Caspaseaktivierung verstärkt.

Bedeutung für die Krebstherapie: Es werden Moleküle entwickelt, die  an DR koppeln und über sie die Apoptose beeinflussen können. Daher ist das System der DR sehr gut erforscht worden. Die verschiedenen DR gehören zur Tumor-Nekrose-Faktor (TNF)-Rezeptor-Superfamilie. Zu ihr gehören als Mitglieder Fas, TNFR1, DR3, DR4, DR5 und DR6. Es gibt acht Arten von Todesrezeptoren (DR1-DR8). (6)Int J Mol Sci. 2019 Aug 24;20(17):4133. DOI: 10.3390/ijms20174133 Zu den Apoptose-induzierende Liganden der TNF-Superfamilie (DR-L) gehören beispielsweise TNF-α, FasL und der TNF-bezogene Apoptose-induzierende Ligand (TRAIL). (7)Cancers (Basel). 2021 Mar 27;13(7):1543. DOI: 10.3390/cancers13071543.

Caspasen

Caspasen gehören zu einer Enzymfamilie, die beim programmierten Zelltod, aber auch bei einem Organ-Remodeling (Herz, Knochen, Gefäße, …) und bei Wachstum und Entwicklung eine entscheidende Rolle spielt. Beim Menschen sind 12 verschiedene Caspasen bekannt, die alle unterschiedliche Substratspezifitäten haben. Sie werden durch intrinsische oder extrinsische Signale aktiviert und zerkleinern wichtige Proteine.  Es handelt sich um Aspartat-spezifische Cysteinproteasen. Sie sind Mitglieder der Familie der Interleukin-1beta-umwandelnden Enzyme und bilden ein Caspase-Kaskaden-System. Die Aktivierung und Funktion der Caspasen werden durch verschiedene Proteine reguliert, wie z. B. das Apoptose-Inhibitor-Protein, Proteine der Bcl-2-Familie, Calpain und Kalzium. (8)Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol. 2008 Sep;151(1):10-27. doi: 10.1016/j.cbpb.2008.05.010 (9)Cell Death Differ. 2017 Aug;24(8):1380-1389. doi: 10.1038/cdd.2017.44

Programmed Cell Death Protein-1 (PD-1)

Das programmierte Zelltodprotein 1 (PD-1)befindet sich auf der Oberfläche von T- und B-Lymphozyten und reguliert das Immunsystem herunter. Es fördert die Selbsttoleranz der Zellen untereinander durch Unterdrückung der Aktivität der T-Zellen; damit schützt es vor Autoimmunkrankheiten. Es reduziert die Bereitschaft zum programmierten Zelltod in regulatorischen T-Zellen (CD8-Zellen). PD-1-Inhibitoren blockieren PD-1  und aktivieren das Immunsystem, was zur Bekämpfung von Tumorzellen genutzt werden kann (s.u.). Das PD-1-Protein wird durch das PDCD1-Gen kodiert. (10)Methods Mol Biol. 2018;1856:247-254. doi: 10.1007/978-1-4939-8751-1_14

Eine hohe Expression von PDCD1 bedeutet ein besseres Überleben bei vieler Tumoren und ein längeres progressionsfreies Intervall bei Therapie. (11)Int Immunopharmacol. 2020 Dec;89(Pt B):107080. doi: 10.1016/j.intimp.2020.107080

Mikroskopische Charakteristika

Zellen, die einem geordneten Zelltod entgegengehen, werden zunehmend kleiner und färben sich in der HE-Färbung rötlicher (eosinophiler) an. Ihr Zytoplasma wird dichter, und ihre Kerne werden durch Kondensation ihrer DNA kleiner („pyknotisch“), sie färben sich dunkelblau an. Solche pyknotische Zellen können im Gewebe verstreut liegen (wie z. B. bei einer Hepatitis zugrunde gehende Hepatozyten im Lebengewebe) oder in Clustern, wie z. B. in Arealen einer Minderdurchblutung. Häufig erkennt man Ausstülpungen der Plasmamembran, eine Bläschenbildung („blebbing“ oder „budding“). Die Zytoplasmaauflösung wird von einem Kernzerfall gefolgt. Die Rückstände werden durch Gewebsmakrophagen phagozytiert und entsorgt (siehe hier).

Sonderform Pyroptose

Eine besondere Form des programmierten Zelltods ist die Pyroptose (Pyro: mit Fieber einhergehend). Sie wird durch Infektionserreger ausgelöst, die von Abwehrzellen der vordersten Front, den Makrophagen, aufgenommen wurden. Sie hat zur Folge („zum Ziel“), die Infektionsausbreitung möglichst zu begrenzen. In großem Stil findet Pyroptose in der Darmschleimhaut statt, wo sie eindringende Darmkeime entfernt. Über Signalwege wird die Caspase-1 aktiviert, welches wiederum die Enzyme inaktiviert, die für die Energieversorgung der Zelle zuständig sind. Und sie aktiviert Mediatorstoffe, wie IL-1ß, für eine lokale Entzündung. (12)Signal Transduct Target Ther. 2021 Mar 29;6(1):128. DOI: 10.1038/s41392-021-00507-5

Unterschiede: Apoptose, Autophagie, Nekrose

Zu den Selbstreparaturmechanismen zählt die Autophagie, die innerhalb der Zelle geschädigte Bestandteile abräumt. Wenn sie nicht in der Lege sind, die Zelle gesund zu halten, wird sie durch Apoptosemechanismen geordnet abgeräumt. Autophagie und Apoptose ergänzen sich in ihrem Ziel, den Körper gesund zu erhalten. Die gesteuert ablaufende Zellzerstörung erfolgt durch eine Reihe enzymabhängiger biochemischer Prozesse, die zu untoxischen und weitgehend wiederverwertbaren Bruchstücken und kleineren Molekülen führen.

Programmierter Zelltod und Autophagie sind geordnete und genetisch weitgehend festgelegte Prozesse, während die Nekrose ein ungeordneter Zelluntergang ist. Jeder dieser Begriffe fasst wiederum unterschiedliche Mechanismen zusammen, auf die hier nicht eingegangen wird. (13)Cell Biol Int. 2019 Jun;43(6):582-592. DOI: 10.1002/cbin.11137

• Der programmierte Zelltod weist eine Reihe charakteristischer enzymabhängiger biochemischer Prozesse und Veränderungen der Zellstruktur auf. Das Ergebnis ist eine „diskrete“ Entfernung von irreversibel geschädigten und kranken Zellen aus dem Körper, wobei das umliegende Gewebe nur gering geschädigt wird.
• Eine Nekrose dagegen ist eine ungeordnete Zellzerstörung, die mit einer Schädigung des umgebenden Gewebes einhergeht. Sie entsteht durch direkte schädigende Einwirkungen, chemischer, thermischer oder mechanischer Art oder durch Unterbrechung der Durchblutung. Bei ihr werden aus den zerstörten Zellen Enzyme und toxische Substanzen frei, die (im Gegensatz zum programmierten Zelltod) zu einer toxischen Belastung der direkten Umgebung und des Körpers führt.

Auslösung des programmierten Zelltods

Der programmierte Zelltod kann durch verschiedene Stimuli organ- oder gewebespezifisch eingeleitet werden. Beispiele:

• Glukokortikoide beispielsweise führen zu einer Reduktion von lymphatischem Gewebe im Thymus (14)Semin Immunol. 1992 Dec;4(6):363-9. PMID: 1286164;
• Energiereiche Strahlen lösen eine Apoptose dafür empfindlicher Zellen aus. (15)Coll Antropol. 2011 Sep;35 Suppl 2:339-41. PMID: 22220467. (16)Mutat Res. 2011 Nov 27;726(1):29-35. doi: 10.1016/j.mrgentox.2011.07.013
• Tumornekrosefaktoren (TNF) lösen einen programmierten Zelltod aus (17)J Orthop Surg Res. 2021 Jun 28;16(1):411. doi: 10.1186/s13018-021-02545-9, auch den von bestimmten Krebszellen. (18)Biochem Pharmacol. 2022 Jan;195:114865. doi: 10.1016/j.bcp.2021.114865
• Eine Hypoxie (Sauerstoffuntersättigung in Geweben und Organen) löst eine der Sauerstoffrestversorgung angemessene Zellzerstörung aus. (19)J Am Heart Assoc. 2019 Sep 17;8(18):e011948. doi: 10.1161/JAHA.119.011948.

Apoptose gegen Krebs

Die Induktion der Apoptose, beispielsweise als Folge von DNA-Schäden, bewirkt eine Entfernung der geschädigten Zellen, auch das von solchen Zellen, die eine Gefahr für die Entwicklung von Krebs darstellen (präkanzeröse Zellen). Wenn bei solchen Zellen zudem eine Deregulierung der Apoptose eintritt, kann es zu einer unkontrollierten Zellvermehrung kommen. Der Krebs schreitet fort und wird zudem resistent gegen Medikamente, die man gerne einsetzen möchte, um den Zelltodmechanismus in Gang zu setzen. Eine Deregulierung dieses Mechanismus ist eines der Kennzeichen vieler Krebsarten. Eine Liste der verschiedenen Todesrezeptoren, die in den Organen des Körpers exprimiert werden, ist in Publikationen einsehbar. (20)Cancers (Basel). 2021 Mar 27;13(7):1543. doi: 10.3390/cancers13071543

Es werden therapeutische Strategien entwickelt, die auf zentrale Checkpoints zielen, um die Resistenz der Krebszellen gegen Selbstzerstörung wieder zu vermindern. (21)Aging (Albany NY). 2016 Apr;8(4):603-19. DOI: 10.18632/aging.100934

Ein Therapiekonzept beruht auf folgendem Zusammenhang: Die Expression von PD1-Rezeptoren auf speziellen Immunzellen, den T-Lymphozyten, und PD-Liganden auf Krebszellen bewirkt, dass sich T-Lymphozyten rasch zerstören und die Krebszellen der immunologischen Abwehr entgehen. Eine Blockade von PD1 auf den T-Lymphozyten bewirkt, dass der Caspaseweg nicht aktiviert werden kann. Die dafür entwickelten Medikamente sind PD1/PDL1-Inhibitoren. (22)Hum Vaccin Immunother. 2016 Nov;12(11):2777-2789. DOI: 10.1080/21645515.2016.1199310

Beispiel TNF-alpha: Der „Tumor Necrosis Factor-α“ (TNF-alpha) bindet an zwei Rezeptoren, TNF-R1 und TNF-R2. Nur TNF-R1 besitzt eine Todesdomaine und wird daher oft auch DR1 (Death Receptor 1) bezeichnet. Nur über ihn erfolgt eine Aktivierung der Caspase, die die Zellbestandteile zerkleinert. Der Rezeptor DR1 (= TNF-R1) ist in praktisch allen Zelltypen des Körpers zu finden (TNF-R2 hingegen nur in Immunzellen und Endothelzellen). Der Grundgedanke ist, DR1 zu aktivieren. Als erster Ansatz wurde rekombinantes TNF-α hergestellt. Allerdings zeigte es eine systemische Toxizität, so dass ein neuer Weg gesucht wurde. (23)Cancers (Basel). 2021 Mar 27;13(7):1543. doi: 10.3390/cancers13071543 TNF-alpha kann vom Tumor in einigen Fällen selbst gebildet werden. Verschiedene therapeutisch wirksame Substanzen können seine Bildung anregen. (24)Cancers (Basel). 2021 Feb 2;13(3):564. DOI: 10.3390/cancers13030564. Ein Beispiel ist Docetaxel. (25)Biochem Pharmacol. 2022 Jan;195:114865. DOI: 10.1016/j.bcp.2021.114865

PD-1/PD-L1-Hemmung bei speziellen Krebsarten

Die weitere Entwicklung führte zu einer PD-1/PD-L1-Immun-Checkpoint-Blockade (PD-1: programmed cell death protein 1, s.o.). Es wurden Anti-PD-1-Antikörper entwickelt, beispielsweise Nivolumab und Pembrolizumab. Es wurden auch gegen den Liganden PD-L1 Antikörper entwickelt (Anti-PD-L1-Antikörper). Dies sind beispielsweise Atezolizumab, Avelumab und Durvalumab.

Eine PD/PD-L1-Checkpointblockade mit diesen Medikamenten hat sich inzwischen bei vielen bösartigen Tumoren als sehr wirksam erwiesen. Günstig reagieren laut bisherigen Erfahrungen beispielsweise das Melanom, der nicht-kleinzellige Lungenkrebs (NSCLC), der kleinzellige Lungenkrebs (SCLC), das Nierenzellkarzinom (RCC), das klassische Hodgkin-Lymphom (cHL), das Plattenepithelkarzinom des Kopfes und Halses (HNSCC), das kolorektale Karzinom (CRC), das hepatozelluläre Karzinom (HCC), das primäre mediastinale große B-Zell-Lymphom (PMLBCL) und der Blasenkrebs. (26)Comput Struct Biotechnol J. 2019 May 23;17:661-674. doi: 10.1016/j.csbj.2019.03.006 (27)N Engl J Med 2023; 389:491-503 DOI: 10.1056/NEJMoa2302983 (28)N Engl J Med 2023; 389:504-513 DOI: 10.1056/NEJMoa2215530

Fibrose-Therapie durch Caspase-Hemmung

Caspasen (spezielle Eiweiß-abbauende Enzyme, Proteasen) leiten die apoptotische Zellauflösung ein (s. o.).  Ihre Hemmung führt zur Verminderung der Zellzersetzung. Dies kann zur Behandlung bestimmter Krankheiten ausgenutzt werden, bei denen eine überschießende Zellabräumung das Fortschreiten unterhält. Erste Erfolge zeigen sich bei der Leberzirrhose, deren Funktion sich durch Caspase-Hemmung verbessern kann. (29)Clin Gastroenterol Hepatol. 2018 Jun 15. pii: S1542-3565(18)30622-0. doi: 10.1016/j.cgh.2018.06.012. (30)J Hepatol. 2021 Feb;74(2):274-282. doi: 10.1016/j.jhep.2020.09.029

Ein Medikament, das diese Eigenschaft aufweist, ist Emricasan. Es reduzierte in einer Studie bei Patienten mit Fettleberhepatitis die ALAT-Werte im Vergleich zu Placebo innerhalb von 7 Tagen signifikant. (31)Aliment Pharmacol Ther. 2019 Jan;49(1):64-73. doi: 10.1111/apt.15030. Bei einer progredienten Leberzirrhose wurde die Leberstruktur so verbessert, dass der Druck in der Pfortader bei einer ausgeprägten portalen Hypertension deutlich sank. (32)Hepatology. 2019 Feb;69(2):717-728. doi: 10.1002/hep.30199.

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Verweise

• Tumor
• Signalwege und Checkpoints: Basics
• Die Zelle: Basics

 

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Autor: Prof. Dr. Hans-Peter Buscher (s. Impressum)

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