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Untersuchungen zur Wirkung von Radonexpositionen auf Psoriasis vulgaris anhand verschiedener Modellsysteme

Lerchl, Sylvie (2022):
Untersuchungen zur Wirkung von Radonexpositionen auf Psoriasis vulgaris anhand verschiedener Modellsysteme. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020181,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Untersuchungen zur Wirkung von Radonexpositionen auf Psoriasis vulgaris anhand verschiedener Modellsysteme
Language: German
Abstract:

Psoriasis ist eine immunvermittelte, chronisch-entzündliche Hauterkrankung, an der etwa 2 % der Weltbevölkerung leiden. Die häufigste Ausprägungsform, Psoriasis vulgaris, äußert sich in scharf abgegrenzten, mit Schuppen bedeckten Erythema, sogenannten Plaques. Der Pathomechanismus basiert hauptsächlich auf einer Autoimmunreaktion und kann in eine Initiationsphase und einen chronischen Status gegliedert werden. In der Initiationsphase aktivieren durch externe Stimuli vermehrt produzierte Autoantigene zunächst dendritische Zellen und folgend T-Zellen. Daraufhin stimulieren von Typ1- und Typ17-T-Helferzellen freigesetzte inflammatorische Zytokine Keratinozyten zur Produktion spezifischer parakrin, autokrin oder chemotaktisch wirkender Faktoren und leiten so die Chronifizierung ein. Die Psoriasis vulgaris stellt eine Indikation für die Radoninhalationstherapie in Heilstollen dar. Betroffene berichten über eine rasch eintretende Linderung der entzündlichen Hautläsionen, die mehrere Monate andauert. Wissenschaftliche Studien, die eine klinische Wirkung des Radons auf Psoriasis bestätigen und molekulare Mechanismen beschreiben, sind bislang unzugänglich. Aufgrund von begleitenden Kuraufenthalten und im Stollen herrschender Wärme kann ein Erholungseffekt als Auslöser der Symptomlinderung nicht ausgeschlossen werden. Ziel dieser Arbeit war es, mittels verschiedener Modellsysteme die potenziellen anti- inflammatorischen Effekte von Radon auf psoriatische Entzündungsreaktionen zu überprüfen und zugrundeliegende Wirkungsmechanismen zu analysieren. Dazu erfolgten zum einen in vivo-Untersuchungen der Wirkung von Radonexpositionen auf ein transgenes Mausmodell (DC- IL-17Aind/ind), das konstitutiv geringe Mengen IL-17A in CD11c+ dendritischen Zellen produziert und dadurch eine graduell verlaufende Plaque-Psoriasis entwickelt. DC-IL-17Aind/ind-Mäuse erhielten vor dem Auftreten charakteristischer Plaques Radonbehandlungen mit typischen Aktivitätskonzentrationen einer Radoninhalationstherapie, entweder in einer einmaligen einstündigen Exposition oder, wie für die Heilstollenkur üblich, auf zehn einstündige Teilexpositionen über einen Zeitraum von zwei Wochen aufgegliedert. Anschließend wurde auf Grundlage eines selbst entwickelten Scores von 0 – 6 der Schweregrad der Hautirritationen, die von rauen Stellen über charakteristische psoriatische Plaques bis zu flächigen Läsionen reichten, bis zu 20 Wochen nach Behandlung bewertet. Zudem wurden Blut sowie post mortem zu definierten Zeitpunkten Gewebeproben für molekulare Analysen entnommen. Zum anderen wurde in vitro die Wirkung von ionisierender Strahlung, wie sie beim radioaktiven Zerfall von Radon emittiert wird, auf ein zelluläres Psoriasis-Modellsystem analysiert. Dieses Modell basierte auf primären humanen Keratinozyten, in welchen durch Zugabe von pro- inflammatorischen Zytokinen ins Kulturmedium eine psoriasiforme Entzündungsreaktion simuliert, das heißt die Produktion entzündungsrelevanter Faktoren der chronischen Phase der Psoriasis vulgaris induziert wurde. Zu ausgewählten Zeitpunkten nach Bestrahlung wurde dann die Modulation der Expression bzw. Synthese Psoriasis-assoziierter Biomarker untersucht. Die Ergebnisse der in vivo-Untersuchungen zeigen, dass durch Radonexpositionen eine verzögerte Entwicklung von Hautirritationen in DC-IL-17Aind/ind-Mäusen erzielt werden konnte. Dieser Effekt war nach zehn Expositionen mit geringerer Aktivität signifikant und wesentlich ausgeprägter als nach einer einmaligen Exposition mit deutlich höherer Aktivität. Molekulare Analysen an Haut und Lymphknoten ließen darauf schließen, dass sich Radonexpositionen vorübergehend immunsuppressiv auf Faktoren auswirken, die vorwiegend an der Initiationsphase der Psoriasis vulgaris beteiligt sind. So wurden unter anderem auf Gen- oder Proteinebene Marker für ein Autoantigen, dendritische Zellen und Typ1-T-Helferzellen reduziert produziert, während anti-entzündliche Faktoren wie regulatorische T-Zellen zunahmen. Die Produktion von Biomarkern der chronischen Phase der Erkrankung zeigte sich dagegen in Haut- und Blutproben nicht gehemmt. Letzteres wurde auch durch die in vitro- Experimente teilweise nachgewiesen. Ionisierende Strahlung hemmte in psoriasiformen Keratinozyten zwar vorübergehend die Genexpression vereinzelter Biomarker, wirkte jedoch nicht umfassend immunsuppressiv auf die Produktion Psoriasis-spezifischer Faktoren. Zudem ging aus einer Genexpressionsanalyse der Haut von DC-IL-17Aind/ind-Mäusen hervor, dass Gene, die mit Reaktionen auf ionisierende Strahlung assoziiert sind, nach Radonbehandlungen nicht verändert exprimiert vorlagen. Dies lässt annehmen, dass die Wirkungen des Radons auf die Zielstrukturen nicht direkt von der ionisierenden Strahlung des radioaktiven Zerfalls ausgelöst, sondern überwiegend durch indirekte biologische Effekte vermittelt werden – eventuell durch die Reaktionen von einzelnen oder wenigen bestrahlten Zellen. Genauere mögliche Mechanismen diesbezüglich bleiben zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser präklinischen Arbeit bestätigen in dem verwendeten Mausmodell die von Patient_innen und behandelnden Ärzt_innen immer wieder berichtete therapeutische Wirksamkeit von Radonbehandlungen auf Psoriasis. Zudem wurden erste Hinweise auf mögliche molekulare Mechanismen aufgezeigt, die künftig an weiteren (humanen) Modellsystemen und nach Möglichkeit in einer Patient_innenstudie verifiziert werden sollten. Hierfür wurde im Rahmen dieser Arbeit bereits ein komplexes humanes Psoriasis-Modell etabliert, das auf Hautexplantaten gesunder Spender basiert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Psoriasis is an immune-mediated, chronic-inflammatory skin disease that affects 2 % of the world’s population. The most prevalent type, psoriasis vulgaris, has a clinical appearance of sharply demarcated erythema covered with scales, so called plaques. The pathology is mainly caused by an autoimmune reaction and can be divided into an initiation phase and a chronic state. Following initial external stimuli, autoantigens activate dendritic cells and T cells. Inflammatory cytokines produced by type 1 and type 17-T-helper cells stimulate keratinocytes. In response, keratinocytes produce specific inflammatory mediators with autocrine, paracrine or chemotactic functions leading to a positive feedback loop and chronicity. Psoriasis vulgaris is on the list of indications for a therapy in radon galleries and rapid alleviation of inflammatory skin lesions are reported, persisting for several months. Scientific studies that confirm clinical effects of radon on psoriasis and describe underlying molecular mechanisms are sparely available, up to now. Due to an accompanying cure and the thermal existing in those galleries, a recovery effect as source for symptom relief cannot be excluded. In this work, different model systems were used to investigate the effects of radon exposures on the psoriatic phenotype. Primarily, in vivo experiments were performed using a transgenic mouse model in which low levels of IL-17A are constitutively expressed in CD11c+ dendritic cells (DC-IL-17Aind/ind). These mice develop psoriatic skin lesions. Prior to the development of characteristic psoriatic plaques, DC-IL-17Aind/ind-mice were exposed to radon with an activity concentration typical for a radon therapy, either at once (in a single session, 1 hour) or, similar to patient treatment, divided into ten sessions on consecutive working days for 1 hour each. The occurrence of skin irritations like roughness, psoriatic plaques and spread lesions was observed and scored based on a scale from 0 – 6 for up to 20 weeks after treatment. Blood was drawn weekly. In a second setup, mice were sacrificed at defined time points after multiple radon exposures to collect tissue samples and blood for molecular analyses. Furthermore, the effects of ionizing radiation on a cellular psoriasis model were analyzed in vitro as radon decays under the emission of alpha-, beta- and gamma-rays into its progenies. To generate this model system, a psoriasiform reaction was induced in human keratinocytes by adding inflammatory cytokines to culture medium. Thus, the production of psoriasis related factors of the chronic state was simulated. At specific time points after irradiation and induction, supernatants and cells were collected to investigate the gene expression or synthesis of proteins in keratinocytes. After radon exposures, the general severity score of skin irritations in DC-IL-17Aind/ind-mice was lower as compared to sham treated control animals for several weeks, with more pronounced effects in multiple than in single exposed mice. This result was confirmed by a delayed development of characteristic psoriatic plaques. Molecular analyses of skin and lymph nodes indicated transient immunosuppressive effects of radon on components that are involved in the initiation phase of psoriasis vulgaris. In particular, following multiple radon treatments, markers for one autoantigen, distinct subtypes of dendritic cells and type 1-T-helper cells were reduced on gen- or protein-level whereas anti-inflammatory factors such as regulatory T cells were increased as compared to controls. However, the production of biomarkers associated with the chronic state of psoriasis vulgaris was not inhibited in blood and skin. This is also proved by the results of irradiated psoriasiform human keratinocytes as the gene expression of only few factors but not the entire production of psoriasis related factors was downregulated as compared to non-irradiated reference cells. Additionally, a gene expression analysis of skin of DC-IL-17Aind/ind-mice showed that the expression of typical genes associated with a response to ionizing radiation was not modified. This leads to the assumption that immunosuppressive effects of radon in target cells are essentially caused by indirect biological processes mediated by single or few irradiated components. These processes need to be analyzed more precise in further investigations in the future. This preclinical study provides the first in vivo evidence for an alleviative effect of radon exposures on a spontaneous and chronic psoriatic skin disease model, which so far has only been reported by patients and attending doctors. Molecular analyses give hints for possible mechanisms that need to be verified using further (human) model systems or by performing a clinical patient study. Therefore, a complex human psoriasis model generated of skin explants from healthy donors was established in this work.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 167 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 10 Department of Biology > Stem Cell and Developmental Biology
Date Deposited: 01 Mar 2022 08:03
Last Modified: 01 Mar 2022 08:04
DOI: 10.26083/tuprints-00020181
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-201818
Referees: Nuber, Prof. Dr. Ulrike A. ; Fournier, Prof. Dr. Claudia
Date of oral examination: 11 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20181
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